輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

陶雄俊 阮峻 王飛 李紅盛

【摘 要】受輸電線路精細(xì)化內(nèi)容和要求的限制，人工操控?zé)o人機(jī)由于操作水平的不同，使得無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢的拍攝位置、高度、部位、順序、質(zhì)量等因人而異，規(guī)范性較差，這不僅增加了巡視的安全風(fēng)險(xiǎn)，還加大了缺陷分析的難度。本文針對(duì)輸電線路精細(xì)化巡檢的內(nèi)容和要求，采用智能飛行控制技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，自主研發(fā)了一款針對(duì)輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)利用搭載RTK的無(wú)人機(jī)，可自動(dòng)記錄無(wú)人機(jī)巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過(guò)程信息，形成全自動(dòng)化桿塔精細(xì)化空中飛行巡視采集作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)輸電線路的自動(dòng)精細(xì)化巡檢。

【關(guān)鍵詞】輸電線路;精細(xì)化巡檢;自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

隨著高等級(jí)輸電線路的不斷發(fā)展，輸電線路的精細(xì)化巡檢作業(yè)對(duì)維護(hù)區(qū)域電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行越來(lái)越重要，也是電網(wǎng)運(yùn)行的當(dāng)務(wù)之急。輸電線路跨區(qū)域分布，點(diǎn)多面廣，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，輸電線路設(shè)備長(zhǎng)期暴露在野外，受到持續(xù)的機(jī)械張力、雷擊閃電、材料老化、覆冰以及人為因素的影響容易造成倒塌、斷股、磨損、腐蝕和舞動(dòng)等現(xiàn)象，絕緣子還存在被雷擊損傷、樹(shù)木生長(zhǎng)引起高壓放電以及絕緣劣化而導(dǎo)致輸電線路事故，桿塔存在被偷盜等意外事件。傳統(tǒng)的人工輸電線路精細(xì)化巡檢工作強(qiáng)度大、時(shí)效差、巡視效果差，難以多方位觀察線路本體、線路附屬設(shè)備、桿塔本體、塔上附屬設(shè)備的狀況，需要巡檢人員爬塔，并借助輔助器材對(duì)電力設(shè)施進(jìn)行近距離巡視，對(duì)人身安全構(gòu)成很大威脅。無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和通航領(lǐng)域政策的逐步放開(kāi)，有效地解決了電力巡檢的難題，推進(jìn)了傳統(tǒng)人工巡檢模式向機(jī)巡模式的轉(zhuǎn)變。

1.無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢現(xiàn)狀

隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢的不斷深入，多旋翼無(wú)人機(jī)由于靈活快速、安全性高、操作簡(jiǎn)單、具有中、近距離的定點(diǎn)和機(jī)動(dòng)巡查等特點(diǎn)，通過(guò)搭建RTK高精度定位模塊，可實(shí)現(xiàn)輸電線路的精細(xì)化巡檢。無(wú)人機(jī)飛手通過(guò)采用人工操控多旋翼無(wú)人機(jī)的方式進(jìn)行精細(xì)化巡檢，由于操作水平的不同，無(wú)人機(jī)的拍攝位置、高度、部位、順序等均會(huì)有較大差異，每次的拍攝質(zhì)量也因人而異，規(guī)范性較差，這不僅增加了巡視的安全風(fēng)險(xiǎn)，還使得后續(xù)缺陷分析的難度加大。為有效地解決上述問(wèn)題，本文基于輸電線路精細(xì)化巡檢的內(nèi)容和要求，采用智能飛行控制技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，自主研發(fā)了一款針對(duì)輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，以減少人工操作，降低職業(yè)門檻，保證飛機(jī)的飛行安全，減少事故率，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)輸電線路的自動(dòng)精細(xì)化巡檢。

2.輸電線路精細(xì)化巡檢方法及內(nèi)容

2.1 輸電線路精細(xì)化巡檢方法

電力巡檢是指對(duì)電力線路及附屬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及對(duì)電力線路走廊周邊環(huán)境狀況進(jìn)行及時(shí)和準(zhǔn)確的巡視檢測(cè)，通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)及危及電力安全的潛在隱患并進(jìn)行有效排除，確保輸電線路安全可靠運(yùn)行。目前，常用的電力巡檢方法有傳統(tǒng)人工巡檢、特種機(jī)器人巡檢、載人直升機(jī)巡檢、固定翼無(wú)人機(jī)巡檢、多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢等，各種巡檢方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。

通過(guò)對(duì)比分析可知，將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于電力巡檢，可以大幅度減輕電力巡檢方面的各項(xiàng)投入，降低人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，保障作業(yè)安全，解決傳統(tǒng)巡線中所遇到的困難，有利于推動(dòng)智能電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)安全、高效、精細(xì)、經(jīng)濟(jì)的電力巡檢目的。電力巡檢主要包括線路外界環(huán)境巡視、線路通道巡視、線路設(shè)備巡視等。其中線路設(shè)備巡視包含桿塔基礎(chǔ)、接地裝置、桿塔本體、導(dǎo)地線、絕緣子、金具及附件、標(biāo)志牌等非常多的設(shè)備部件，為了保證這些部件的良好狀態(tài)運(yùn)行，需要線路運(yùn)維工作人員對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化巡視，發(fā)現(xiàn)缺陷、及時(shí)檢修、消除隱患。由于線路設(shè)備主要分布在鐵塔和導(dǎo)地線上，需要運(yùn)維巡檢人員翻山越嶺到達(dá)塔位、導(dǎo)地線下，爬上鐵塔逐一查看，工作量極大。

多旋翼無(wú)人機(jī)能夠搭載相機(jī)和紅外等任務(wù)設(shè)備在空中對(duì)巡視線路進(jìn)行中、近距離的定點(diǎn)和機(jī)動(dòng)巡查，通過(guò)搭建自主研發(fā)的RTK高精度定位模塊，可實(shí)現(xiàn)輸電線路的精細(xì)化巡檢。該方法靈活、快速、安全性高、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、環(huán)保無(wú)污染、運(yùn)行與維護(hù)成本低、不受地形、環(huán)境等條件制約。因此本文采用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線路精細(xì)化巡檢的研究，具體參數(shù)如下。

2.2 輸電線路精細(xì)化巡檢內(nèi)容

無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大減輕了電力巡檢人員的作業(yè)負(fù)擔(dān)，通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢可以清楚判斷輸電線路的重要部件是否受到損壞，保證輸電線路的安全，保障居民用電。多旋翼無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢通常用于220kV及以上輸電線路的架空輸電線路巡檢，主要巡檢方式為拍照、錄像等，巡檢對(duì)象為線路本體、線路附屬設(shè)備、桿塔本體和塔上附屬設(shè)備。巡檢內(nèi)容具體如下：1）輸電線路本體導(dǎo)地線損傷、松股、斷股、跳股、補(bǔ)修、綁扎、線松散、弧垂偏差過(guò)大等;2）桿塔本體傾斜、倒塌、塔材被盜缺失、塔基災(zāi)害、移動(dòng)等;3）塔上線路金具線夾斷裂、裂紋、磨損、銷釘脫落或嚴(yán)重腐蝕;均壓環(huán)、屏蔽環(huán)燒傷、螺栓松動(dòng);防震錘跑位、脫落、嚴(yán)重銹蝕、阻尼線變形、燒傷;間隔棒松脫、變形或離位;各種連扳、連接環(huán)、調(diào)整板損傷、裂紋等;金具銹蝕、變形、磨損、裂紋，開(kāi)口銷及彈簧銷缺損或脫出;4）塔上絕緣子與瓷橫擔(dān)臟污，瓷質(zhì)裂紋、破碎，鋼化玻璃絕緣子爆裂，絕緣子鐵帽及鋼腳銹蝕，鋼腳彎曲;合成絕緣子傘裙破裂、燒傷;絕緣子與絕緣橫擔(dān)有閃絡(luò)痕跡和局部火花放電留下的痕跡;絕緣子串、絕緣橫擔(dān)偏斜;絕緣橫擔(dān)綁線松動(dòng)、斷股、燒傷;絕緣子槽口、鋼腳、鎖緊銷不配合，鎖緊銷子退出等;重要交跨是否采用了獨(dú)立懸掛點(diǎn)的雙串絕緣子;5）防鳥(niǎo)裝置、監(jiān)測(cè)裝置缺失、破損、變形、螺栓松脫等。

多旋翼無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢分為正常巡檢、故障巡檢和特殊巡檢。其中，正常巡檢主要對(duì)輸電線路導(dǎo)線、地線和桿塔上部的塔材、金具、絕緣子、附屬設(shè)施、線路走廊等進(jìn)行常規(guī)性檢查。巡檢時(shí)根據(jù)線路運(yùn)行情況、檢查要求，選擇性搭載相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行可見(jiàn)光巡檢、紅外巡檢;故障巡檢主要是線路發(fā)生故障后，根據(jù)故障信息，確定重點(diǎn)巡檢區(qū)段和部位，采用無(wú)人直升機(jī)查找故障點(diǎn)及其他異常情況;特殊巡檢主要是根據(jù)季節(jié)特點(diǎn)、設(shè)備內(nèi)外部環(huán)境及特殊生產(chǎn)需要做出的加強(qiáng)性、防范性及針對(duì)性巡檢，如鳥(niǎo)害巡檢、樹(shù)竹巡檢、防火燒山巡檢、外破巡檢、災(zāi)后巡檢等。除正常巡檢、故障巡檢、特殊巡檢外，還可將無(wú)人機(jī)應(yīng)用在電網(wǎng)災(zāi)后故障巡檢。當(dāng)災(zāi)害導(dǎo)致道路受阻、人員無(wú)法巡檢時(shí)，無(wú)人機(jī)可以發(fā)揮替代作用，開(kāi)展輸電線路巡查，準(zhǔn)確定位桿塔、線路故障，且視角更廣，能避免“盲點(diǎn)”。無(wú)人機(jī)巡檢提高了電力維護(hù)和檢修的速度和效率，使許多工作能在完全帶電的情況下迅速完成，比人工巡檢效率高出數(shù)十倍。

2.3 輸電線路精細(xì)化巡檢要求

多旋翼在保證最小安全距離的情況下，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)桿塔各個(gè)巡檢部位進(jìn)行可見(jiàn)光拍攝，照片像素為2400萬(wàn)，最終成像效果能清晰分辨出螺栓及開(kāi)口銷細(xì)節(jié)。根據(jù)架空輸電線路實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合不同塔型作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，本文將架空輸電線路精細(xì)化巡檢的照片數(shù)量劃定為單回路直線塔至少14張、單回路耐張塔至少27張、雙回路直線塔至少25張、多回路耐張塔至少40張、單回路換位塔至少30張、雙回路換位塔至少50張。下面僅以單回路杯型直線塔（表3）及雙回路“干”字型塔為例詳細(xì)說(shuō)明拍攝部位及巡檢效果（表4）。

3.輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研發(fā)

輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢通常采用人工操作RTK高精度定位多旋翼無(wú)人機(jī)的方式進(jìn)行，但由于人為操作的影響，無(wú)人機(jī)的拍攝位置、高度很難準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置和高度，每次的拍攝質(zhì)量因人而異，規(guī)范性較差，受到人員操控技術(shù)的限制，拍攝的部位、順序等均會(huì)有較大差異，這不僅增加了巡視的安全風(fēng)險(xiǎn)，還導(dǎo)致后續(xù)缺陷分析的難度加大。為有效地解決上述問(wèn)題，本文基于輸電線路精細(xì)化巡檢的內(nèi)容和要求，采用智能飛行控制技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研發(fā)了輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是基于Android移動(dòng)操作系統(tǒng)和大疆SDK自主研發(fā)的、針對(duì)輸電線路精細(xì)化巡檢的作業(yè)特點(diǎn)深度定制的無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。系統(tǒng)首先采用智能飛行控制技術(shù)人工操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行精細(xì)化巡檢，無(wú)人機(jī)控制程序?qū)⒆詣?dòng)記錄人工操控?zé)o人機(jī)巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過(guò)程信息，詳細(xì)記錄巡視路徑節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)優(yōu)化處理剔除無(wú)效飛行，優(yōu)化拍攝方法，調(diào)整每個(gè)位置相機(jī)方向、角度、拍攝順序，刪除多余拍攝，形成每個(gè)點(diǎn)位的最佳采集方案，存貯在系統(tǒng)中，形成機(jī)器學(xué)習(xí)的全自動(dòng)化桿塔精細(xì)化空中飛行巡視采集作業(yè)流程。后續(xù)可通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)進(jìn)行輸電線路的精細(xì)化巡檢，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化、智能化操作控制，減少人工操作，降低職業(yè)門檻，保證飛機(jī)的飛行安全，減少事故率。此外，還可以一個(gè)架次巡視多基鐵塔，實(shí)現(xiàn)超視距飛行，避免依靠人工視覺(jué)定位。系統(tǒng)功能分為數(shù)據(jù)采集、模式切換、任務(wù)管理和飛行記錄四大模塊，具體功能如下。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于精細(xì)化巡檢作業(yè)的顯示，內(nèi)置Google地圖和高德地圖兩種互聯(lián)網(wǎng)主流地圖，每種地圖均包含常用路網(wǎng)地圖或衛(wèi)星影像地圖，可通過(guò)地圖切換完成轉(zhuǎn)換顯示。提供快速定位功能，當(dāng)設(shè)備連接時(shí)，定位功能進(jìn)行的是無(wú)人機(jī)定位;當(dāng)設(shè)備未連接時(shí)，定位功能進(jìn)行的是手機(jī)定位。在無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中，可實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的位置、視頻以及各種姿態(tài)參數(shù)等信息，并提供GPS信號(hào)強(qiáng)度、衛(wèi)星數(shù)量、圖傳信號(hào)強(qiáng)度、遙控器信號(hào)強(qiáng)度、電量、云臺(tái)角度、飛行高度、飛行距離、飛行速度、垂直速度、飛行時(shí)長(zhǎng)、曝光數(shù)量、曝光補(bǔ)償、相機(jī)模式等參數(shù)的顯示功能。此外，還提供實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)功能和禁飛區(qū)提示功能（圖1）。

3.2 精細(xì)巡視模塊

精細(xì)巡視模塊分為學(xué)習(xí)模式和巡檢模式。學(xué)習(xí)模式可以記錄飛行的軌跡和拍攝位置，記錄下來(lái)的信息將會(huì)在巡檢模式中作為飛行依據(jù)，而巡檢模式可以按照學(xué)習(xí)模式記錄下來(lái)的信息進(jìn)行自動(dòng)飛行。該模塊具備KML或者Excel格式的桿塔坐標(biāo)位置導(dǎo)入功能，可以新增桿塔、追加桿塔、刪除桿塔、保存單點(diǎn)桿塔的飛行路徑，還可同時(shí)保存多個(gè)桿塔的飛行路徑，并將其保存為KML文件。為確保每個(gè)巡視人員能夠安全操作無(wú)人機(jī)進(jìn)行精細(xì)化巡視，可以在學(xué)習(xí)模式下由有經(jīng)驗(yàn)的巡視人員先控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡視，完成之后由其他的非專業(yè)巡視人員在巡檢模式下按照學(xué)習(xí)模式記錄的軌跡和拍照位置進(jìn)行自動(dòng)化巡檢（圖2）。

3.3 任務(wù)管理模塊

任務(wù)管理模塊用于記錄所有飛行任務(wù)的名稱、日期、高度、重疊度、航線規(guī)劃以及完成狀態(tài)，支持任務(wù)的預(yù)覽、刪除、編輯、上傳、斷點(diǎn)續(xù)飛等功能。提供影像預(yù)覽、上傳圖像、拼接圖像、刪除任務(wù)等功能，可以通過(guò)藍(lán)牙將任務(wù)的信息同步到其他移動(dòng)端，也可以將影像數(shù)據(jù)上傳到云端或者傳輸?shù)缴疃扔跋裉幚硐到y(tǒng)中進(jìn)行處理（圖3）。

3.4 飛行記錄模塊

飛行記錄模塊具有飛行記錄預(yù)覽、飛行信息統(tǒng)計(jì)、飛行記錄查看、飛行記錄刪除等功能，可查看每次飛行任務(wù)的日期、經(jīng)度、緯度、里程、飛行時(shí)長(zhǎng)等基本信息，提供該架無(wú)人機(jī)的總飛行時(shí)間、里程、次數(shù)等統(tǒng)計(jì)信息，并可瀏覽、刪除飛行記錄（圖4）。

4.輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)用

基于多旋翼無(wú)人機(jī)，利用研發(fā)的輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，在廣東省廣州市黃浦區(qū)沖坑尾對(duì)某220KV的輸電線路進(jìn)行精細(xì)化自動(dòng)巡檢測(cè)試應(yīng)用，獲取的精細(xì)化巡檢影像如圖5所示。輸電線路精細(xì)巡檢數(shù)據(jù)的獲取是進(jìn)行桿塔缺陷隱患分析的前提和基礎(chǔ)，將本文獲取的精細(xì)化巡檢數(shù)據(jù)應(yīng)用于桿塔的缺陷隱患分析中，可實(shí)現(xiàn)缺陷隱患的自動(dòng)識(shí)別與分類，缺陷自動(dòng)識(shí)別的結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明，輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具有高精度定位、航線自動(dòng)規(guī)劃、一鍵起飛、自主作業(yè)、自動(dòng)返航、斷點(diǎn)續(xù)飛、智能避障等特點(diǎn)，可有效地完成精細(xì)化的輸電線路無(wú)人機(jī)巡視作業(yè)，保證作業(yè)安全。利用無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采集得到的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量好，距離桿塔近，能夠清楚的展示桿塔的部件信息，將其應(yīng)用于缺陷隱患識(shí)別軟件中，可實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別，具有較高的效率。由此可知，本文研發(fā)的輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)于無(wú)人機(jī)輸電線路的精細(xì)化巡視作業(yè)具有良好的適用性。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)具有高精度定位、航線自動(dòng)規(guī)劃、一鍵起飛、自主作業(yè)、自動(dòng)返航、斷點(diǎn)續(xù)飛、智能避障等特點(diǎn)，可有效地解決受無(wú)人機(jī)飛手水平影響而造成的拍攝位置、高度、質(zhì)量、順序等不一致的問(wèn)題，保障作業(yè)安全。輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、模式切換、任務(wù)管理和飛行記錄四大模塊，可自動(dòng)記錄人工操控?zé)o人機(jī)巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過(guò)程信息，詳細(xì)記錄巡視路徑節(jié)點(diǎn)，形成每個(gè)點(diǎn)位的最佳采集方案，并存貯在系統(tǒng)中，形成機(jī)器學(xué)習(xí)的全自動(dòng)化桿塔精細(xì)化空中飛行巡視采集作業(yè)流程。利用輸電線路無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)在廣東省廣州市黃浦區(qū)沖坑尾某220KV的輸電線路進(jìn)行精細(xì)化自動(dòng)巡檢測(cè)試應(yīng)用。結(jié)果表明，利用無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采集得到的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量好，距離桿塔近，能夠清楚的展示桿塔的部件信息，將其應(yīng)用于缺陷隱患識(shí)別軟件中，可實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別，具有較高的效率。

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作者簡(jiǎn)介：

陶雄?。?983-），男，漢族，湖北孝感市人，學(xué)士學(xué)歷，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局輸電管理所班長(zhǎng)，主要研究方向：特高壓直流輸電線路運(yùn)行與維護(hù)工作。

（作者單位：1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局;2.廣州地理研究所）