無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

蔚曉寧 王敏

【摘 ?要】受制于地形因素，有些線路段無法人工巡檢。直升機(jī)技術(shù)發(fā)展至今已有20多年，這種方法有著不受地理條件限制、巡線速度快的優(yōu)勢，但是直升機(jī)電力巡線的飛行技術(shù)屬于精確飛行的范疇，它要求直升機(jī)必須沿著輸電線路的走向隨著導(dǎo)線弧垂的起伏保持相對穩(wěn)定的間距進(jìn)行飛行。這對飛行員來說無論是在心理上還是在技術(shù)上都帶來不小的壓力，沒有經(jīng)過專門訓(xùn)練的飛行員很難從事這項飛行業(yè)務(wù)。人工定期巡線是現(xiàn)階段運(yùn)用最廣泛的巡線方法，這種方法不但勞動強(qiáng)度大、耗時多，而且效率低下。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);輸電線路巡檢應(yīng)用;

近年來，架空輸電線路規(guī)模日益擴(kuò)大，且絕大部分線路偏遠(yuǎn)，巡線工作環(huán)境惡劣。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步以及遙感技術(shù)的發(fā)展，利用無人直升機(jī)多傳感器獲取多源數(shù)據(jù)，為輸電線路巡線提供了新的途徑。無人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)不僅可以大幅提高工作效率，還能減少野外工作，降低巡線成本。

一、概述

無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為架空電力線路巡檢提供了新的移動平臺。利用無人機(jī)搭載巡檢設(shè)備進(jìn)行巡線，有著傳統(tǒng)巡線方式無法比擬的優(yōu)勢：①無人駕駛，不會造成人員傷亡，安全性高;②不受地理條件的限制，即使遇到地震、洪澇等自然災(zāi)害，依然能夠?qū)κ転?zāi)區(qū)域的電力線路進(jìn)行巡檢;③巡線速度快，每小時可達(dá)幾十公里。雖然無人機(jī)巡線會受到機(jī)體載重、天氣以及空域申請等條件的限制，但隨著無人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和空域管理水平的提高，這些問題都能夠得到解決。將無人機(jī)這項技術(shù)應(yīng)用于電力線路巡檢，在無人機(jī)平臺上集成電子、通信、圖像識別等多個領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，形成一整套無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)人工巡檢的不足，實現(xiàn)對輸電線路的快速、安全巡檢，具有重要的研究價值和良好應(yīng)用前景。無人機(jī)巡檢技術(shù)是最近十年才開始發(fā)展的一門新興技術(shù)，融合了航空、遙感、電子、電力、飛行控制、通信、圖像識別等多個高尖技術(shù)領(lǐng)域，實現(xiàn)起來難度比較大，世界范圍內(nèi)專門研究無人機(jī)用于巡線技術(shù)的并不多。國內(nèi)關(guān)于無人機(jī)巡線研究的報道比較少，研究人員通過對飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)等硬件平臺開發(fā)和多傳感器軟硬件集成研究，利用無人機(jī)搭載高清相機(jī)和紅外熱成像儀對線路進(jìn)行拍攝，并通過人工分析視頻和照片，甄別出主要的缺陷和隱患。

二、無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

1.無人機(jī)巡檢系統(tǒng)。無人機(jī)巡檢系統(tǒng)通常由無人機(jī)、通信設(shè)備、機(jī)載設(shè)備和地面站4大子系統(tǒng)組成。無人機(jī)巡檢的各部分功能分析如下。對于無人機(jī)系統(tǒng)來說，通過將相機(jī)或攝影機(jī)掛載于機(jī)體，通過接收地面站的遙控信息指令來實現(xiàn)對電網(wǎng)輸電線路重點部位的拍照取樣，或?qū)旊娋€路的全線拍攝。對于無人機(jī)機(jī)載設(shè)備來說，它是無人機(jī)獲取輸電線路圖像信息的媒介。對于通信設(shè)備來說，它是無人機(jī)系統(tǒng)與地面工作站之間的橋梁，接收無人機(jī)系統(tǒng)的圖像信息并將其傳輸給地面工作站，接收地面工作站的巡檢作業(yè)指令并發(fā)送給無人機(jī)系統(tǒng)。對于地面工作站來說，它的主要功能是協(xié)調(diào)無人機(jī)的遙測、遙控通信以及對無人機(jī)巡檢過程中所采集視圖信息的位置進(jìn)行定位。無人機(jī)輸電線路巡檢一般將小型攝像機(jī)、相機(jī)或紅外測溫儀等裝置固定于無人機(jī)機(jī)體上，通過接收地面站的遙控信息指令來實現(xiàn)對電網(wǎng)輸電線路重點部位的拍照取樣，或?qū)旊娋€路的全線拍攝同時將采集到的圖像信息由通信設(shè)備傳輸?shù)降孛娼K端工作站，工作人員針對取得的圖像結(jié)合專家知識分析輸電線路運(yùn)行狀態(tài)，并對可能發(fā)生的故障查找原因和計劃進(jìn)一步的檢修策略。無人機(jī)巡檢技術(shù)可對輸電線路斷線、桿塔傾斜、絕緣子脫落及異物掛線等的識別和分析，它所巡檢的輸電線路部位主要是桿塔、絕緣子、導(dǎo)線、線路走廊和金具等。

2.無人機(jī)巡檢過程。為保證無人機(jī)線路巡檢的效率和安全正常作業(yè)，需經(jīng)過前期豐富的理論研究，結(jié)合輸電線路現(xiàn)場測試效果，合理地制定規(guī)范的無人機(jī)線路巡檢流程，1）制定巡檢計劃并審批。在學(xué)習(xí)線路巡檢方式方法的基礎(chǔ)上，充分了解巡檢任務(wù)，制定輸電線路巡檢計劃并交給主管部門審批。若沒能通過審批，則需要重新制定巡檢計劃。2）線路巡檢前期準(zhǔn)備。獲取現(xiàn)場巡檢輸電線路的地形地貌、氣象條件及周邊線路的情況，并收集線路的走向、運(yùn)行參數(shù)、桿塔精確GPS信息、交叉跨越情況以及以往缺陷記錄資料，將資料信息進(jìn)行整理以備查找。3）現(xiàn)場線路巡檢作業(yè)。這一部分主要包括無人機(jī)起飛前的準(zhǔn)備和飛行巡檢作業(yè)2個階段。①無人機(jī)起飛前的準(zhǔn)備。根據(jù)所獲得的桿塔及地標(biāo)物的精確GPS信息，確定無人機(jī)飛行具體巡檢路線。檢查無人機(jī)系統(tǒng)，確認(rèn)無人機(jī)處于良好運(yùn)行狀態(tài)，若采用自主巡檢模式，應(yīng)對巡檢路徑進(jìn)行航跡路徑規(guī)劃。②飛行巡檢作業(yè)。使無人機(jī)以平穩(wěn)控制方式按預(yù)定巡檢方案飛行，當(dāng)遇到特殊飛行狀況時，地面操作人員可按要求及時更改飛行方案;無人機(jī)通過調(diào)整云臺角度，以拍照或錄像的方式獲得所巡檢線路工作狀態(tài)。

3.無人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃。當(dāng)利用無人機(jī)自主飛行進(jìn)行輸電線路巡檢時，需事先對線路巡檢路徑進(jìn)行規(guī)劃，并將所規(guī)劃路徑導(dǎo)入到無人機(jī)機(jī)體導(dǎo)航系統(tǒng)中?，F(xiàn)階段，多采用的線路巡檢路徑規(guī)劃方法是操作人員逐點計算飛行路徑，然后將這些路徑數(shù)據(jù)人工手動事先輸入到機(jī)體導(dǎo)航系統(tǒng)中，這種飛行路徑規(guī)劃方法對于操作人員的計算技巧要求極為嚴(yán)格，且計算中不允許出現(xiàn)差錯，否則會帶來安全隱患。為了有效地規(guī)劃無人機(jī)輸電線路巡檢路徑，提出了使用智能算法來進(jìn)行其路徑的規(guī)劃方法。基于遺傳算法來優(yōu)化無人機(jī)輸電線路巡檢路徑的方法，它采用極坐標(biāo)編碼方式來構(gòu)造染色體，結(jié)合實際無人機(jī)巡檢中的約束條件設(shè)計遺傳算子，提高了全局搜索能力。輸電線路巡檢路徑通常主要包括巡檢作業(yè)起飛點、降落點以及線路巡檢作業(yè)各目標(biāo)點經(jīng)緯度位置信息。在使用無人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢時，其路徑規(guī)劃會受到無人機(jī)性能參數(shù)和巡檢任務(wù)等多種約束條件，即最大航程、最大爬升/俯沖角、最小路徑段長度、最小拐彎角以及自然地理障礙等約束條件。線路巡檢路徑規(guī)劃是在可設(shè)定路徑空間中找到符合各約束條件的最優(yōu)飛行路線，在實際應(yīng)用中，可由在所設(shè)定路徑空間中的一系列路徑節(jié)點來計算出總飛行路徑，且任意2個相鄰路徑節(jié)點用線段接連。該方法是將無人機(jī)線路巡檢路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為路徑適應(yīng)度函數(shù)最小化的問題，可采用單目標(biāo)優(yōu)化方法直接優(yōu)化得出最佳規(guī)劃路徑。當(dāng)然，在無人機(jī)路徑規(guī)劃中，也可將路徑與其他優(yōu)化目標(biāo)（如飛行路徑終點與給定終點之間的距離）一起組成多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用多目標(biāo)優(yōu)化算法得到優(yōu)化結(jié)果。

4.無人機(jī)線路巡檢作業(yè)中故障診斷與預(yù)測。無人機(jī)線路巡檢以拍攝輸電線路圖像為手段，但僅有極少部分圖像包含故障信息，且傳統(tǒng)模式中使用人眼從圖像中檢測可能存在的故障信息類型。這種處理方式易使操作人員眼睛疲勞，檢測效率低，且不能處理復(fù)雜故障類型。為了快速有效地檢測并發(fā)現(xiàn)輸電線路的故障，輸電線路巡檢中智能化的故障檢測方案開始成為了一個研究熱點。開展故障預(yù)測是減少輸電線路突發(fā)故障、提高預(yù)知維修的重要手段。使用遺傳算法對輸電線路故障進(jìn)行預(yù)測，有效解決了電網(wǎng)輸電線路復(fù)雜故障情況下的預(yù)測問題。

現(xiàn)階段，無人機(jī)巡檢大多依靠相機(jī)、攝影機(jī)或紅外感光儀器等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，且智能化水平不足。雖然無人機(jī)巡檢技術(shù)有這些不足之處，但其具有非常廣闊的應(yīng)用前景。無人機(jī)巡檢與人工巡檢進(jìn)行結(jié)合可有效提高輸電線路巡視與檢修效率，可針對輸電線路進(jìn)行日常巡檢及故障或隱患處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐華東.無人機(jī)電力巡線智能避障方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2018.