重要電力設(shè)施防止外來(lái)無(wú)人機(jī)管控系統(tǒng)研究

王法治 韓玉 郭大勇

【摘? 要】隨著無(wú)人機(jī)任務(wù)復(fù)雜程度不斷提升，反無(wú)人機(jī)技術(shù)、干擾對(duì)抗技術(shù)不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)適應(yīng)復(fù)雜任務(wù)環(huán)境，應(yīng)對(duì)各類(lèi)干擾、對(duì)抗和故障情形的能力亟待提高.目前，多源干擾和各類(lèi)故障是導(dǎo)致無(wú)人機(jī)安全事故的主要因素，極大地限制了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域.近年來(lái)無(wú)人機(jī)事故不勝枚舉，損失觸目驚心，無(wú)人機(jī)對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性不足的難題凸顯，解決其安全性問(wèn)題刻不容緩.鑒于此，本文對(duì)重要電力設(shè)施防止外來(lái)無(wú)人機(jī)管控系統(tǒng)進(jìn)行分析，以供參考。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng);無(wú)人機(jī);管控系統(tǒng)

引言

該領(lǐng)域的研究應(yīng)重視干擾、對(duì)抗和故障等復(fù)雜極端環(huán)境下無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為表征、因果溯源分析、能力量化與評(píng)估、“小回路”智能檢測(cè)、“全回路”優(yōu)化控制和“任務(wù)–控制”一體化設(shè)計(jì)，將基礎(chǔ)理論研究、測(cè)試分析技術(shù)與實(shí)際工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合.在取得無(wú)人機(jī)安全控制系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)突破以后，亟需將相關(guān)算法在無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀中實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到保證無(wú)人機(jī)安全性的目的.因此，未來(lái)的重點(diǎn)建議逐步從控制理論和算法的研究拓展到研制無(wú)人機(jī)抗擾與自愈控制軟件、系統(tǒng)，服務(wù)于國(guó)家重大需求和工程實(shí)踐.

1 我國(guó)無(wú)人機(jī)監(jiān)管現(xiàn)狀

目前隨著無(wú)人機(jī)的用途越來(lái)越廣泛，2017年底我國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)500億，目前無(wú)人機(jī)每年銷(xiāo)量百萬(wàn)臺(tái)以上，年年遞增，無(wú)人機(jī)給很多行業(yè)帶來(lái)方便的同時(shí)也正在威脅著公共設(shè)施和重要電力設(shè)施的安全。反無(wú)人機(jī)非法入侵系統(tǒng)已用于大型公司總部防止非法入侵窺測(cè)，大型會(huì)議公安防止來(lái)自空中襲擊，敏感宣判會(huì)議防止記者偷拍等場(chǎng)所，但針對(duì)電力重要設(shè)施反無(wú)人機(jī)非法入侵系統(tǒng)還是空白，尚未有產(chǎn)品面世[3]。

2 電力行業(yè)無(wú)人機(jī)監(jiān)管必要性

變電站實(shí)行無(wú)人值守后，變電運(yùn)檢人員對(duì)管轄設(shè)備也無(wú)有效監(jiān)視手段，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)。特別是火災(zāi)、防外破和設(shè)備損壞事故無(wú)法提前有效預(yù)防，同時(shí)因無(wú)監(jiān)視手段，運(yùn)維人員無(wú)法預(yù)判故障嚴(yán)重程度，需頻繁進(jìn)站檢查設(shè)備，在運(yùn)維班和變電站間反復(fù)往返，造成人力浪費(fèi)。進(jìn)行無(wú)人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)，能夠大大加快變電站無(wú)人值守的進(jìn)程。按照“信息安全第一、功能先進(jìn)實(shí)用、界面統(tǒng)一友好、服務(wù)基層一線”的思路優(yōu)化提升監(jiān)控平臺(tái)和完善變電運(yùn)檢管理手段，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維班對(duì)所轄無(wú)人值守站的主輔設(shè)備運(yùn)行信息全面采集、集中監(jiān)視、狀態(tài)判斷和運(yùn)檢作業(yè)全流程管控，切實(shí)承擔(dān)設(shè)備主人職責(zé)。

3 無(wú)人機(jī)管控系統(tǒng)的工作原理

3.1系統(tǒng)組成低空入侵檢測(cè)防護(hù)系統(tǒng)集目標(biāo)探測(cè)、跟蹤識(shí)別、指揮控制、打擊處置功能于一體，系統(tǒng)集成度高，適用性強(qiáng)，擴(kuò)展性好，可不受氣候條件限制全天候工作。完備的低空入侵檢測(cè)防護(hù)系統(tǒng)主要由探測(cè)分系統(tǒng)、干擾處置分系統(tǒng)、指控分系統(tǒng)以及通信分系統(tǒng)四部分組成，可根據(jù)不同任務(wù)配置組合分系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用于重點(diǎn)區(qū)域和大型活動(dòng)的低空安防，系統(tǒng)形態(tài)可呈現(xiàn)為固定式、車(chē)載式及便攜式，可有效應(yīng)對(duì)隨著低空空域開(kāi)放及無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用而日益增長(zhǎng)的各類(lèi)公共安全威脅。

3.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)構(gòu)建的防御態(tài)勢(shì)分為預(yù)警區(qū)域和拒止區(qū)域。在預(yù)警區(qū)域，探測(cè)前端發(fā)現(xiàn)識(shí)別入侵目標(biāo)、雷達(dá)設(shè)備遠(yuǎn)距離探測(cè)發(fā)現(xiàn)區(qū)分目標(biāo)、頻譜設(shè)備基于分布式部署實(shí)現(xiàn)目標(biāo)交叉定位，探測(cè)前端通過(guò)專(zhuān)網(wǎng)上報(bào)數(shù)據(jù)信息至指控分系統(tǒng)，指控分系統(tǒng)分析、解算及實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)頻點(diǎn)、方位、距離等信息并啟動(dòng)入侵預(yù)警。當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入拒止區(qū)域，指控分系統(tǒng)調(diào)動(dòng)干擾處置分系統(tǒng)設(shè)備對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行干擾處置，處置完成后，指控分系統(tǒng)調(diào)動(dòng)探測(cè)前端確認(rèn)處置結(jié)果。

4 管控系統(tǒng)的防護(hù)策略

4.1防護(hù)策略的基本原理

對(duì)無(wú)人機(jī)的發(fā)現(xiàn)是無(wú)人機(jī)無(wú)線電管控的首要步驟，只有在準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)的基礎(chǔ)上，才能有針對(duì)性地對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線電管控。采用雷達(dá)探測(cè)和無(wú)線電監(jiān)測(cè)等技術(shù)發(fā)現(xiàn)疑似無(wú)人機(jī)目標(biāo)后，需要進(jìn)一步通過(guò)視覺(jué)辨認(rèn)、路徑識(shí)別等技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)為目標(biāo)無(wú)人機(jī)后，下一步就是對(duì)目標(biāo)的定位測(cè)向，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)企圖的預(yù)測(cè)和持續(xù)追蹤?？梢蔁o(wú)人機(jī)被確定為管控目標(biāo)無(wú)人機(jī)后，可采取物理摧毀、生物抓捕、無(wú)線電干擾等壓制等手段使目標(biāo)無(wú)人機(jī)無(wú)法繼續(xù)工作。

4.2設(shè)置多邊形管控區(qū)

對(duì)于復(fù)雜的多邊形類(lèi)型，很難知道點(diǎn)是在邊界內(nèi)部還是邊界外部。對(duì)于這種多邊形解決方案，將創(chuàng)建橫跨無(wú)人機(jī)位置的水平閾值。與多邊形邊緣的水平門(mén)檻線的交點(diǎn)表示為節(jié)點(diǎn)。如果UAV位置的每邊都有奇數(shù)節(jié)點(diǎn)，那么它就在邊界范圍內(nèi);如果每邊都有偶數(shù)的節(jié)點(diǎn)，那么它就超出了邊界;如果無(wú)人機(jī)直接位于多邊形的邊緣，它也可能位于邊界內(nèi)。

4.3驅(qū)離無(wú)人機(jī)

通過(guò)控制臺(tái)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)流，通過(guò)控制臺(tái)發(fā)射端發(fā)出GPS控制信號(hào)，并在目標(biāo)無(wú)人機(jī)GPS接收器控制臺(tái)發(fā)出控制信號(hào)后，模擬控制臺(tái)中第一顆衛(wèi)星的信號(hào)滿足擴(kuò)展碼的相位對(duì)準(zhǔn)。目標(biāo)接收機(jī)的載波相位跟蹤回路和代碼相位捕獲后，控制裝置調(diào)整其控制臺(tái)的相對(duì)代碼相位，以便感知最終接收機(jī)相對(duì)于其真實(shí)位置報(bào)告模擬的錯(cuò)誤位置。

4.4無(wú)人機(jī)容錯(cuò)控制方法與技術(shù)

容錯(cuò)控制技術(shù)最初的發(fā)展動(dòng)力源自航空航天領(lǐng)域，美國(guó)空軍在20世紀(jì)80年代提出了“自修復(fù)飛行控制系統(tǒng)”等概念，以保證飛行器在故障情況下能安全著陸。容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)一般可分為被動(dòng)容錯(cuò)方法和主動(dòng)容錯(cuò)方法。前者的思路是在設(shè)計(jì)之初就考慮各種可能發(fā)生的故障，對(duì)于每一類(lèi)故障求得一組可行解，最后綜合各組可行解找到一個(gè)共同解.主動(dòng)容錯(cuò)控制器通常由故障診斷和重構(gòu)控制器構(gòu)成：主動(dòng)容錯(cuò)控制器通過(guò)診斷模塊獲取故障信息后，進(jìn)行控制重構(gòu)求得針對(duì)該類(lèi)故障的最優(yōu)解，并替換標(biāo)稱(chēng)控制器.與被動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法相比，主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)具有更小的保守性、更強(qiáng)的針對(duì)性和更好的性能.

基于控制重分配的容錯(cuò)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、故障發(fā)生時(shí)無(wú)需改變控制器架構(gòu)等優(yōu)點(diǎn).設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)滑模控制分配的多旋翼無(wú)人機(jī)容錯(cuò)控制器，其中自適應(yīng)滑?？刂品椒ㄓ糜谠O(shè)計(jì)虛擬控制，二次型優(yōu)化策略用于控制重分配.基于PID控制方法設(shè)計(jì)了標(biāo)稱(chēng)控制器，然后利用控制重分配技術(shù)保證在電機(jī)故障、建模誤差和傳感器噪聲等條件下旋翼無(wú)人機(jī)的安全。最新發(fā)表的研究論文討論了無(wú)人機(jī)的容錯(cuò)控制問(wèn)題，利用PI控制器實(shí)現(xiàn)了單個(gè)升降副翼卡死條件下的安全著陸.

4.5無(wú)人機(jī)安全控制系統(tǒng)框架

為實(shí)現(xiàn)干擾、故障等復(fù)雜極端條件下的抗擾功能和自愈功能，所提出的控制系統(tǒng)包括估計(jì)模塊、任務(wù)重構(gòu)模塊、安全控制模塊（抗干擾控制和容錯(cuò)控制）等.當(dāng)干擾/故障發(fā)生時(shí)，估計(jì)模塊應(yīng)快速有效地對(duì)干擾/故障進(jìn)行估計(jì)與診斷;獲取估計(jì)信息后結(jié)合無(wú)人機(jī)實(shí)際能力進(jìn)行任務(wù)重規(guī)劃，在線規(guī)劃無(wú)人機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或返回基地的安全航跡;抗干擾控制和容錯(cuò)控制模塊則依據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)信息、無(wú)人機(jī)當(dāng)前物理約束以及需重構(gòu)的航跡，抑制或抵消干擾/故障的影響，保證無(wú)人機(jī)安全.隨著無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)的安全性已成為亟待突破的瓶頸問(wèn)題，無(wú)人機(jī)安全控制系統(tǒng)可望成為解決無(wú)人機(jī)產(chǎn)品安全性與實(shí)用性的有效途徑.

結(jié)束語(yǔ)

總之，近幾年，無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。無(wú)人機(jī)數(shù)量逐漸增多，重要性日益彰顯。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛，如在軍事上無(wú)人機(jī)被用來(lái)監(jiān)視敵方活動(dòng)，消除未爆炸的彈藥，在民用上無(wú)人機(jī)被用于空中偵查、航拍，轉(zhuǎn)播體育賽事，評(píng)估地震風(fēng)險(xiǎn)，施工管理等。在電力巡檢工作中，巡檢方法也從原先的人工巡檢，升級(jí)為無(wú)人機(jī)智能巡檢。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鵬，郝小龍，朱耀康，楊光，崔漾，彭啟偉，何道敬.防止惡意無(wú)人機(jī)入侵電力巡檢區(qū)的管控方法[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào)，2018，4（06）：70-76.

[2]秦漢.多旋翼無(wú)人機(jī)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京信息工程大學(xué)，2018.

[3]黃志清，付成鵬，王琳，商重遠(yuǎn)，楊斌.基于無(wú)人機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)的基建現(xiàn)場(chǎng)管控技術(shù)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2018（04）：102-105.

[4]肖倩，李潔.無(wú)人機(jī)管理控制平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2018（12）：6.

[5]周鈺哲.無(wú)人機(jī)無(wú)線電管控技術(shù)研究[J].數(shù)字通信世界，2018（S1）：31-34.

（作者單位：國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司）