無人機技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用研究

楊莉 周年榮 黃星 于輝 唐標(biāo) 尹春林

摘? 要： 隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，布設(shè)線路的規(guī)模不斷擴大，公里數(shù)持續(xù)增加，且由于這些線路絕大多數(shù)架設(shè)在野外，所處的地理環(huán)境復(fù)雜，周圍氣象條件多變，無疑給電力線路巡檢、線路規(guī)劃及線路架設(shè)作業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)與不便，考慮利用無人機來替代人工巡線等工作，可以減少作業(yè)難度、較好的提高工作效率、從而減輕作業(yè)人員的工作量并降低工作危險系數(shù)，具有重要的現(xiàn)實意義和價值。本文結(jié)合實際業(yè)務(wù)的開展，基于云大物移技術(shù)重點研究介紹了無人機的關(guān)鍵技術(shù)以及無人機技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用探索。

關(guān)鍵詞： 無人機;電力線路巡檢;云大物移;機巡數(shù)據(jù)中心

中圖分類號： TP99? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.027

本文著錄格式：楊莉，周年榮，黃星，等. 無人機技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用研究[J]. 軟件，2019，40（10）：121124+194

Research on the Application of UAV Technology in Electric Power Industry

YANG Li， ZHOU Nian-rong， HUANG Xing， YU Hui， TANG Biao， YIN Chun-lin

（Yunnan Electric Power Research Institute， Kunming 650217， China）

【Abstract】： With the development of China's power grid construction， the scale of laying out lines is expanding and the number of kilometers is increasing continuously. Because most of these lines are set up in the field， the geographical environment is complex， and the surrounding meteorological conditions are changeable， it undoubtedly brings great challenges and inconveniences to power line inspection， line planning and line erection. Considering the use of unmanned aerial vehicles to replace manual patrol lines， etc. Work can reduce the difficulty of work， improve work efficiency， reduce the workload of workers and reduce the work risk factor， which has important practical significance and value. In this paper， the key technologies of UAV and the application of UAV technology in electric power industry are introduced based on the research of CBIM Technology.

【Key words】： UAV; Power line inspection; CBIM; Machine patrol data center

0? 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展速度的不斷加快，無人機作為全球新一輪科技產(chǎn)業(yè)革命的核心與熱點，將成為中國經(jīng)濟增長的新動力。我國加大對無人機的研究與應(yīng)用，推動無人機產(chǎn)業(yè)走向了國際市場，并以產(chǎn)品的形式在市場上創(chuàng)造了新的奇跡，目前，我國絕大部分無人機廠商實現(xiàn)了從制造到創(chuàng)造的升級轉(zhuǎn)型，自主創(chuàng)造的無人機也逐步應(yīng)用于各行各業(yè)中。在電網(wǎng)方面，我國電網(wǎng)布設(shè)線路的規(guī)模不斷擴大，架設(shè)線路的公里數(shù)持續(xù)增加，且由于這些線路絕大多數(shù)架設(shè)在野外，所處的地理環(huán)境復(fù)雜，周圍氣象條件多

變，鐵塔、導(dǎo)線、絕緣子和避雷器等電力設(shè)備在各種環(huán)境、外力的長期作用下，不可避免地會出現(xiàn)損壞、腐蝕或斷股等問題，較傳統(tǒng)的方式是采用人工巡線模式，但這種方式應(yīng)用于電網(wǎng)架空線比較危險，需要大量的人力和物力，且巡檢工作質(zhì)量和效率均相對較差[1]。因此，采用無人機技術(shù)開展對電網(wǎng)架空線更加高效準(zhǔn)確的巡檢應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義和價值。

1? 無人機技術(shù)研究現(xiàn)狀

無人機是無人駕駛飛機的簡稱（英文全稱為Unmanned Aerial Vehicle，縮減為UAV），是一種由動力驅(qū)動、可操控、無人駕駛卻能攜帶多設(shè)備、執(zhí)行多任務(wù)，并可重復(fù)使用的無人駕駛航空飛行器[2]，也被稱為“空中機器人”[3]。廣義地看臨近空間飛行器（從20公里至100公里空域）也屬于無人機，如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。

1.1? 國外無人機技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外無人機的研究特別是美國無人機主要聚焦在軍用領(lǐng)域，民用無人機相比于軍用無人機發(fā)展較晚。隨著現(xiàn)實需求的快速增長，美國始終堅持自主創(chuàng)新，掌控了無人機行業(yè)核心技術(shù)，始終處于全球無人機行業(yè)的龍頭地位。

在無人機設(shè)計制造技術(shù)方面，以色列是全球范圍最為先進(jìn)的國家之一，主要是在中東戰(zhàn)爭的炮火催生下發(fā)展起來的，其軍用無人機領(lǐng)域覆蓋了通信技術(shù)、反輻射技術(shù)和偵察及干擾等多個方面，形成了長航時無人機發(fā)展到戰(zhàn)術(shù)無人機再到攻擊無人機的完整過渡體系。從無人機作戰(zhàn)性能來說，部分以色列無人機甚至趕超美國。

另外，歐洲各大國在無人機的研制上主要采用聯(lián)合研制方式，目前在航空技術(shù)領(lǐng)域方面處于領(lǐng)先的地位。

1.2? 國內(nèi)無人機技術(shù)研究現(xiàn)狀

為滿足軍用和民用的現(xiàn)實需求，近幾年我國多措并舉推進(jìn)無人機領(lǐng)域研發(fā)，目前無人機領(lǐng)域的發(fā)展呈現(xiàn)出蓬勃之勢。但由于起步晚，基礎(chǔ)薄，經(jīng)驗少，在軍用無人機領(lǐng)域我國尚未推出國家層面的戰(zhàn)略規(guī)劃，需進(jìn)一步對軍用無人機的需求方向、研制技術(shù)和發(fā)展規(guī)模進(jìn)行探索研究與明確定位。在民用無人機領(lǐng)域，我國進(jìn)步較快。隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展和我國配套工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用成熟，中國制造應(yīng)運而生，并從純生產(chǎn)加工制造轉(zhuǎn)型為自主研發(fā)與創(chuàng)新，在民用無人機制造技術(shù)方面，我國目前已進(jìn)入世界前列。

目前我國無人機主要應(yīng)用于電力線路巡檢、石油管道巡檢、農(nóng)林植物保護(hù)、國土地形測繪和航空遙感巡邏等諸多實用場景。引用宇辰網(wǎng)則的預(yù)計數(shù)據(jù)，我國民用無人機行業(yè)應(yīng)用將繼續(xù)保持快速發(fā)展態(tài)勢，到2020年，我國民用無人機產(chǎn)品銷售量將達(dá)到265億元[3]。

進(jìn)而分析國內(nèi)無人機在電力系統(tǒng)方面的現(xiàn)狀。為充分利用現(xiàn)有資源，解決電力線路巡檢和運維人員工作量大、工作難度大且人員嚴(yán)重不足等問題，近幾年，無人機在電力系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，為電力系統(tǒng)巡檢和更好的保障電力系統(tǒng)的運行提供新技術(shù)支撐。在電網(wǎng)應(yīng)用方面，國家電網(wǎng)公司于2009年開始試點應(yīng)用無人機巡檢，2016年在十個省份推廣新興巡檢模式。南方電網(wǎng)公司于2011年也開始試點運用無人機代替人工巡線，2013年在整個南網(wǎng)全面推廣輸電線路機巡作業(yè)[4]。中國電力企業(yè)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)化中心首次建立了電力行業(yè)無人機作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，于2015年7月對外發(fā)布了《架空輸電線路無人機巡檢作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》[5]，為無人機在電力行業(yè)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2? 無人機類型及分類

無人機分類方法多樣，較常見的是按照技術(shù)特征分類，主要分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機和復(fù)合翼無人機四類[6]。固定翼無人機顧名思義是機翼固定的一類無人機，其位于機翼外端處的后掠角可隨速度變化自動或手動進(jìn)行調(diào)整，擅長長距離航行且速度快，但是不能精準(zhǔn)懸停。多旋翼無人機和無人直升機統(tǒng)稱為旋翼無人機，具有垂直起降、精準(zhǔn)懸停、巡航和快速轉(zhuǎn)變航向等特性，但無法滿足長航時遠(yuǎn)距離需求。其中，多旋翼無人機就是一種多軸無人飛行器，具有三個及以上旋翼軸，其相比直升機具有機械結(jié)構(gòu)簡單、旋翼角度固定、使用成本低和安全穩(wěn)定性高等優(yōu)點。垂直起降的固定翼無人機又稱復(fù)合翼無人機，兼顧精準(zhǔn)懸停和長距離航飛等優(yōu)點，但是相比多旋翼無人機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。目前多旋翼無人機在電力行業(yè)應(yīng)用較多。

3? 無人機關(guān)鍵技術(shù)

3.1? 多旋翼無人機本體技術(shù)

（1）續(xù)航方面

多旋翼無人機電池主要分為模型電池和智能電池兩種，從電池材料上分主要有碳性電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池。目前大疆無人機電池即為智能鋰電池，飛行高度在500米，飛行時間大約在30分鐘以內(nèi)[7]。

（2）遠(yuǎn)距離通信方面

無人機上使用的通信方式主要為衛(wèi)星通信和無線電通信[8]，針對多旋翼無人機多使用無線電通信。目前在無人機巡線作業(yè)中應(yīng)用中繼通信系統(tǒng)以加強通信訊號，中繼通信方式主要有基于地面中繼節(jié)? 點的通信方式和基于空中中繼節(jié)點的無線通信方式兩類[9]。

（3）高精度定位方面

目前定位技術(shù)有以衛(wèi)星定位、視覺系統(tǒng)的定位、無線電加激光定位等?；跓o人機定位主要以衛(wèi)星定位為主，其定位精度大于等于1米，有50%的概率會出現(xiàn)信號誤差達(dá)到2米以上。高精度定位多采用RTK技術(shù)，經(jīng)緯度精度可以達(dá)到10厘米以下，高程精度在30里面以下[10]。

（4）避障方面

目前，無人機的避障技術(shù)主要有紅外避障、超聲波避障、激光避障及視覺避障。大疆無人機的前視避障首選了雙目視覺避障技術(shù)，采用該技術(shù)雙眼看到的場景略有不同，視覺效果猶如3D電影，能夠給人帶來更直接的真實感和更強烈的空間臨場感。

（5）飛控方面

無人機飛控主要體現(xiàn)在無人機平移飛行、旋轉(zhuǎn)飛行、爬升飛行、俯沖飛行。大疆無人機具有五種飛行模式：P模式（GPS模式）、A模式（姿態(tài)模式）、F模式（智能模式）、S模式（運動模式）[11]，根據(jù)不同實際需求進(jìn)行選擇切換。因GPS模式采用導(dǎo)航衛(wèi)星輔助定位，能穩(wěn)定懸停和飛行，是目前絕大多數(shù)人首選的飛行模式。

3.2? 多旋翼無人機數(shù)據(jù)采集及作業(yè)技術(shù)

多旋翼無人機數(shù)據(jù)采集及作業(yè)技術(shù)體現(xiàn)在云臺種類及掛載能力。目前云臺主要有紅外云臺、噴火云臺、樹障精準(zhǔn)噴灑云臺、起重導(dǎo)引云臺、照明云臺。

3.3? 多旋翼無人機采集可見光圖像分析處理技術(shù)

無人機掛載可見光或紅外探頭，可實現(xiàn)對象巡視、拍攝及分析[12-13]，大多為圖像信號。因此，基于圖像信號的應(yīng)用技術(shù)是關(guān)鍵，基于圖像處理技術(shù)主要分為兩個方向：基于特征工程的應(yīng)用技術(shù)和基于深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)。

3.4? 多旋翼無人機采集激光數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)

激光雷達(dá)技術(shù)（LiDAR）作為一種關(guān)鍵航空遙感技術(shù)，與成像光譜技術(shù)和成像雷達(dá)技術(shù)統(tǒng)稱為對地觀測三大核心技術(shù)。采用LiDAR獲取地形、電力線纜和周邊建筑、植被的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，形成高精度地形信息表或分布圖，從而可構(gòu)建輸電線路走廊，開展輸電線路樹障分析和輸電線路交叉跨越分析等工作[14-16]。

共享資源池構(gòu)建的基礎(chǔ)為感知層。通過安裝部署RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器、智能門禁、視頻監(jiān)控設(shè)備、智能管理終端和各種環(huán)境傳感器等硬件設(shè)備實現(xiàn)資產(chǎn)管理的閉環(huán)管控，打造資產(chǎn)管理共享硬件交互基礎(chǔ)。

共享資源池構(gòu)建的難點為二次開發(fā)及數(shù)據(jù)集成。通過二次開發(fā)實現(xiàn)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)聯(lián)動，保證設(shè)備出入庫及盤點操作。針對實驗室儀器設(shè)備通過理解設(shè)備的通信規(guī)約實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一自動化采集，針對不具備通信接口的儀器設(shè)備可采用圖像識別、數(shù)據(jù)庫抽取等技術(shù)實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化工作。通過基本的硬件改造（如：加裝智能硬件）實現(xiàn)實驗室檢測工作的半自動化，并逐步將重復(fù)類的工作實現(xiàn)自動化檢測。

共享資源池構(gòu)建的核心為資源分配[14-16]和實驗數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)模型及策略的綜合分析。通過數(shù)據(jù)分析后，能夠?qū)υO(shè)備健康狀態(tài)及企業(yè)樣品檢測指標(biāo)可視化展現(xiàn)。通過對指標(biāo)項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價，最終得出設(shè)備總體健康狀態(tài)等級，可實現(xiàn)自動觸發(fā)和人工觸發(fā)功能，對單個設(shè)備或多個設(shè)備，根據(jù)多種導(dǎo)則方法靈活配置及評估;通過梳理適合分析試驗項目、試驗作業(yè)流程，結(jié)合規(guī)約轉(zhuǎn)換和圖像識別技術(shù)，構(gòu)建智能試驗運維識別采集終端，實現(xiàn)對試驗運維數(shù)據(jù)的采集。建立試驗運維數(shù)據(jù)倉庫，對資產(chǎn)數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一存儲與管理。研究試驗測試與樣本運維的互動分析機制，結(jié)合運維、監(jiān)測、試驗等因素，分析樣本試驗測試與樣本歷史運維數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對同類設(shè)備進(jìn)行橫向縱向綜合分析后提出基于樣本全生命周期的試驗分析及評價方法。構(gòu)建基于實驗室及現(xiàn)場作業(yè)的試驗數(shù)據(jù)綜合分析應(yīng)用，實現(xiàn)包括設(shè)備損耗、健康狀態(tài)、成本、價值和自治、設(shè)備采購策略、設(shè)備狀態(tài)評價策略提供支持。

4? 無人機技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用研究

無人機在電力行業(yè)的應(yīng)用主要包括線路巡檢（絕緣子爆片、防震錘脫落、導(dǎo)地線泡股斷股、間隔棒斷角、桿塔傾斜、基礎(chǔ)滑坡、樹障巡視）、線路架設(shè)（導(dǎo)線牽引）和線路規(guī)劃（地質(zhì)勘測）等。

以無人機作為平臺進(jìn)行高分率可見圖像拍攝、紅外圖像、激光采集，涉及飛行控制技術(shù)、機體穩(wěn)定控制技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈通訊技術(shù)、現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)、機載遙測遙感技術(shù)、快速對焦攝像技術(shù)以及故障診斷等多個高尖技術(shù)領(lǐng)域取得突破[17-19]。

本文利用云大物移[20]等現(xiàn)代技術(shù)手段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)CPS架構(gòu)，設(shè)計機巡作業(yè)管控總體系和分層架構(gòu)，主要包括傳感器層、網(wǎng)絡(luò)層、云平臺和應(yīng)用層，最終構(gòu)建機巡大數(shù)據(jù)中心和管控中心。機巡作業(yè)管控體系設(shè)計圖如圖1所示。

機巡作業(yè)管控體系整體業(yè)務(wù)架構(gòu)采用了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，使用RFID、智能芯片、傳感器、智能終端等技術(shù)和設(shè)備建立基礎(chǔ)感知層，為機巡作業(yè)管控中心提供硬件支持。采用5G等通信技術(shù)建立傳輸層網(wǎng)絡(luò)，為傳感設(shè)備的互聯(lián)互通提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)通道。將全部數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在云數(shù)據(jù)平臺，作為數(shù)據(jù)的存儲加工層，對海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲分析和組織管理，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。應(yīng)用層包括PC端應(yīng)用和移動端應(yīng)用，對應(yīng)用功能進(jìn)行聚焦，建設(shè)定制化的移動APP應(yīng)用服務(wù)。

通過體系和中心的建設(shè)，著力推進(jìn)無人機建設(shè)和保障支撐體系的完善，不斷強化數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用，實施差異化、精益化管控，激光點云隱患識別，確保輸電設(shè)備、作業(yè)安全，實現(xiàn)無人機日常巡視、特殊巡視、災(zāi)情巡視的自動化與智能化。從而促進(jìn)輸配電設(shè)備全生命周期管理，不斷強化數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用，實施差異化、精益化管控，提高工作質(zhì)量、提升工作效率，降低勞動強度，確保輸配電設(shè)備、作業(yè)安全，為實現(xiàn)設(shè)備精益化管理和作業(yè)精細(xì)化管控奠定堅實基礎(chǔ)。以“資產(chǎn)全生命周期管理為主線，技術(shù)監(jiān)督和設(shè)備管理規(guī)范化達(dá)標(biāo)為抓手，著力提高設(shè)備精益化管理水平、著力做好信息系統(tǒng)推廣應(yīng)用、著力抓好可靠性提升管理、著力提升輸配電線路防災(zāi)能力，把好輸配電設(shè)備選型、入口、驗收、運維、檢修關(guān)”的工作思路，統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)作業(yè)過程全統(tǒng)一 ，多維數(shù)據(jù)全融合，建立響應(yīng)快速、高效、敏捷的輸配電運維管控工作模式。

機巡數(shù)據(jù)中心主要對無人機巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理和分析。在數(shù)據(jù)采集方面打通企業(yè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)巡視任務(wù)閉環(huán)管理;構(gòu)建無人機智能機庫，智能管理無人機、電池、配件;融合環(huán)境、氣象、三維GIS，保障飛行輔助決策;協(xié)調(diào)無人機生產(chǎn)廠家，提升無人機續(xù)航、遠(yuǎn)距離通信、抗風(fēng)、避障能力。

在數(shù)據(jù)處理方面實現(xiàn)巡視原始數(shù)據(jù)的自動命名和歸類整理、缺陷標(biāo)記、報告自動生成和激光、傾斜影像點云化等功能。

在數(shù)據(jù)分析方面主要基于激光和可見光巡視通道隱患（樹障、交叉跨越、基礎(chǔ)滑坡、桿塔傾斜、鳥害、覆冰等）自動分析、告警;基于可見光和紅外巡視對象缺陷（絕緣子爆片、防震錘脫落、導(dǎo)線泡股斷股、間隔棒斷角銹蝕等）自動分析、告警;巡視軌跡和飛行控制策略自動生成;三維走廊重現(xiàn)。

目前數(shù)據(jù)存儲方面的深層次研究還處于空白區(qū)，未來可匯聚無人機采集照片影像、巡視對象臺賬、樹障、在線監(jiān)測、生產(chǎn)GIS、自然災(zāi)害預(yù)測等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)按用戶、按時間、按位置存儲，同時具備數(shù)據(jù)加密、比對、加水印、自動銷毀、數(shù)據(jù)自動分析處理（傾斜影像、激光到點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、缺陷隱患分析）能力。

5? 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進(jìn)步，無人機技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，利用無人機在巡檢電力系統(tǒng)中巡檢線路，不僅可降低在人工巡檢過程中出現(xiàn)的故障率，也有效的降低了電力企業(yè)的成本預(yù)算，并且提高了電力巡檢工作的效率，具有非常廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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