電力線路無(wú)人機(jī)巡檢方案研究

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

隨著中國(guó)現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)電能輸送的需求越來(lái)越多，架空輸電線路工程的規(guī)模也越來(lái)越大。在架空電力線路工程實(shí)施完成后，往往需要穿過(guò)復(fù)雜的地形和險(xiǎn)惡的自然環(huán)境與生態(tài)環(huán)境，借助無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的巡檢，以確保架空線路的運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢的自動(dòng)化。

1 無(wú)人機(jī)巡視檢修現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)輸電線路的檢測(cè)一般依靠人力巡視。在巡視過(guò)程中，使用電桿等輔助裝置來(lái)完成對(duì)電力設(shè)施的檢查。當(dāng)線路位于野外場(chǎng)景時(shí)，作業(yè)人員的巡視難度大大升高，特別是在惡劣環(huán)境的場(chǎng)景下。而當(dāng)電力建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大時(shí)，運(yùn)行維護(hù)的勞動(dòng)量和強(qiáng)度也隨之增大，結(jié)果導(dǎo)致作業(yè)人員工作強(qiáng)度成倍增加，但是作業(yè)效率反而不盡人意。所以，常規(guī)的巡檢方式對(duì)人力資源是一種極大的浪費(fèi)[1]。同時(shí)，常規(guī)巡檢方式對(duì)作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)也很大，特別是在懸崖、山體等嚴(yán)酷地形，在雨雪冰凍等極端天氣下，經(jīng)常會(huì)發(fā)生威脅人身安全的情況。

無(wú)人機(jī)用于電力巡檢，融合了航天、通信、視頻處理技術(shù)等最新科學(xué)技術(shù)，作為傳統(tǒng)巡檢方式的替代，這種新型作業(yè)形式安全高效，不需要人員爬塔進(jìn)行檢測(cè)，操作成本低。目前它已被一些電力企業(yè)開(kāi)始使用并逐步發(fā)展，開(kāi)始展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)作業(yè)方式的趨勢(shì)[2]。

有了無(wú)人機(jī)的助力，就可以在電力巡檢作業(yè)時(shí)遠(yuǎn)程完成沿線路通道的巡視，并同步完成多種電力設(shè)施無(wú)人型的維護(hù)和定位。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)不但能夠用于線路巡檢的作業(yè)，也可以創(chuàng)造性地運(yùn)用于電力設(shè)施的施工、監(jiān)理等。而且在電力部門，除了故障排查的緊急情況、線路建設(shè)施工尾期的投運(yùn)驗(yàn)收工作以及不停電作業(yè)等情況外，可利用無(wú)人機(jī)在人力無(wú)法或難以到達(dá)的地理區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)或作業(yè)，并能在不爬塔的情況下完成檢查工作，人工逐步替代人力巡視，減少電工人身安全威脅[3]。

2 無(wú)人機(jī)選型

2.1 線路巡視特點(diǎn)

將無(wú)人機(jī)設(shè)備應(yīng)用到架空線路巡視檢查中，可以有效地改變大量人力資源的利用效率低和浪費(fèi)的現(xiàn)象。在目前的價(jià)格核算中，無(wú)人機(jī)巡更還處于初級(jí)發(fā)展階段，在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多不足，如：①無(wú)人機(jī)設(shè)備體積小、容量小、檢測(cè)時(shí)間短，無(wú)法進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的傳輸和識(shí)別；②無(wú)人機(jī)設(shè)備的遙控范圍小，存在距離限制，因此有必要進(jìn)一步研究拍攝線路缺陷的自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題[4]。

然而，與傳統(tǒng)的人工巡檢相比，無(wú)人機(jī)在架空線路巡檢中有一些優(yōu)勢(shì)：首先，使用懸停和自動(dòng)導(dǎo)航的無(wú)人駕駛設(shè)備可以防止電力線的沖擊，并提高巡邏和監(jiān)測(cè)的安全性；其次，在惡劣的天氣條件下，可以有效發(fā)現(xiàn)、分析現(xiàn)有的輸電線路問(wèn)題。

此外，無(wú)人駕駛設(shè)備分為兩類類別：手動(dòng)和自動(dòng)。根據(jù)自己的需要，可以選擇合適的機(jī)器類型，在兩個(gè)特定的應(yīng)用模式，可以減少需要使用的員工，提高公司輸電線路服務(wù)的速度和效率。

2.2 無(wú)人機(jī)參數(shù)對(duì)比

無(wú)人機(jī)是人們娛樂(lè)中的物品，但一旦無(wú)人飛行器有了線路巡檢的要求，它的性能和參數(shù)就發(fā)生了巨大的變化。無(wú)人機(jī)應(yīng)具有良好的耐久性、抗風(fēng)性，并能裝配光學(xué)裝置系統(tǒng)。中型無(wú)人機(jī)與固定翼飛機(jī)的參數(shù)比較如表1 所示。

2.3 無(wú)人機(jī)選擇

中型無(wú)人機(jī)可自動(dòng)起落，起落模式為自動(dòng)控制和自動(dòng)飛行，不需要人工來(lái)控制，降低了空間作業(yè)事故頻率。綜合以上因素，中型無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)大于固定翼無(wú)人機(jī)。如果地勢(shì)和氣候存在差異，應(yīng)根據(jù)差異的巡視需求采用不同的無(wú)人機(jī)選型方案[5]。

表1 中型無(wú)人機(jī)和固定翼機(jī)參數(shù)對(duì)比

3 無(wú)人機(jī)控制方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及構(gòu)成部分

無(wú)人機(jī)巡視控制系統(tǒng)包括3部分，分別是無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)定位信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)巡視控制系統(tǒng)構(gòu)成

其中，數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括圖像采集模塊、空地通信模塊、設(shè)備供電模塊和云臺(tái)及控制模塊。圖像采集模塊對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝采集的圖像進(jìn)行雜波濾除、噪聲去除、信息提取等一系列圖像處理；空地通信模塊主要將采集到的數(shù)據(jù)輸送到監(jiān)控單元進(jìn)行進(jìn)一步的分析和判斷；設(shè)備供電模塊為采集模塊和通信裝置；云臺(tái)及控制模塊為準(zhǔn)備好采集的攝像機(jī)提供拍攝角度和各種設(shè)置。圖像采集模塊存在圖像去噪的優(yōu)化問(wèn)題，傳統(tǒng)去噪算法的不一定適用與無(wú)人機(jī)巡線，但采用基于感知的矩陣恢復(fù)方案去除成像噪聲，可以得到滿足實(shí)際工作要求的結(jié)果。

3.2 飛行航線的生成方法

當(dāng)無(wú)人機(jī)接近架空線路時(shí)，通常采用兩種飛行方式：①定高飛行方式。用這種方法，首先選擇合適的著陸位置，然后無(wú)人機(jī)精確定位起點(diǎn)，設(shè)定起點(diǎn)高度。通過(guò)這種控制方法，當(dāng)相應(yīng)的性能參數(shù)為定值時(shí)，可以顯著降低故障率。②斜飛方式。特別是在仔細(xì)部署了無(wú)人機(jī)設(shè)備后，直接從起飛站出發(fā)，向不同的方向移動(dòng)，通過(guò)這種飛行模式，可以快速接近控制目標(biāo)，提高測(cè)試速度，但同時(shí)，因?yàn)楸仨氹p手同時(shí)行動(dòng)，因此會(huì)增加控制難度，提高工作失誤率[6]。

在使用無(wú)人機(jī)巡邏設(shè)備之前，必須先規(guī)劃航線，通常是三角和線性航線。如果設(shè)計(jì)水平三角路線的起點(diǎn)和范圍，則無(wú)人駕駛器可以進(jìn)入傳輸線保護(hù)區(qū)而不影響架空線路，但如果采用這種路由規(guī)劃方法，則很難檢查操作者所需的設(shè)備并掌握設(shè)備控制技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和控制。與三角形線路不同，直線線路更適合地形平坦、跨度較小的線路。在拍攝無(wú)人機(jī)設(shè)備時(shí)，要求路線通暢，以保證拍攝效果。

3.3 飛行速度及飛行姿勢(shì)控制

在無(wú)人機(jī)巡視過(guò)程中，由于天氣環(huán)境變化，無(wú)人機(jī)的前進(jìn)角度經(jīng)常出現(xiàn)偏差。為了保證無(wú)人機(jī)和電力線路的穩(wěn)定，控制無(wú)人機(jī)的前進(jìn)姿態(tài)顯得非常重要。無(wú)人機(jī)測(cè)控的原理是利用LQG 控制器控制無(wú)人機(jī)仰俯和方向變換時(shí)的姿態(tài)。當(dāng)無(wú)人機(jī)懸停于空中，可以通過(guò)繩子施加外力，保證無(wú)人機(jī)的飛行的穩(wěn)定性。

獲得關(guān)于小無(wú)人機(jī)飛行方向、加速和其他飛行地點(diǎn)的信息，應(yīng)以下列條件為基礎(chǔ)：①鑒于無(wú)人機(jī)有效載荷的限制，位置信息不應(yīng)過(guò)于煩瑣，總費(fèi)用也不應(yīng)過(guò)高；②該系統(tǒng)具有良好的聲學(xué)角、旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量和控制精度，這些精度目前被定義為聲學(xué)角小于0.75°，旋轉(zhuǎn)角小于1.5°；③鑒于無(wú)人機(jī)的蓄電池容量減少，整個(gè)設(shè)施系統(tǒng)需要低能耗運(yùn)行，以降低長(zhǎng)期的工作量；④由于遠(yuǎn)離某些子電站或高壓塔，系統(tǒng)還必須能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以避免由于移動(dòng)電話信號(hào)不足而造成數(shù)據(jù)丟失；⑤定位算法應(yīng)足夠穩(wěn)定，以避免無(wú)人駕駛航空器飛行位置計(jì)算結(jié)果的突變和分散。

無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)信息采集子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)信息采集子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

硬件部分包括系統(tǒng)控制的微處理器模塊和全球定位系統(tǒng)的接收模塊、用于檢測(cè)異常機(jī)器寬度信息的數(shù)據(jù)記錄模塊和MIMU 慣性模塊。處理位置信息后，無(wú)人機(jī)飛行控制子系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行飛行控制跟蹤。

4 圖像處理方案

4.1 圖像數(shù)據(jù)的傳輸

影響無(wú)人駕駛航空器數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的兩個(gè)主要因素，一是組合和空間通信的各種阻尼因素嚴(yán)重影響信號(hào)的正常接收，二是飛行結(jié)構(gòu)的改變也影響信號(hào)的接收。選擇性的頻率阻尼信道和多相陸地和空中緩沖信道可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

4.1.1 空間分集接收平衡

為了應(yīng)對(duì)陸地空間中的各種阻塞因素，在無(wú)人機(jī)的不同部分引入了一個(gè)雙天線系統(tǒng)，以便在降低傳輸阻尼時(shí)提高傳輸效率[7]。為了消除無(wú)人駕駛航空器不同配置下傳輸誤差，則無(wú)法同時(shí)覆蓋兩個(gè)天線的主波束，以補(bǔ)償?shù)貙?duì)空通道上多個(gè)信道的阻尼，在另外一個(gè)接收器中增加了一個(gè)均衡器，以減小多維緩沖的影響。在這種情況下，場(chǎng)均衡器和頻率均衡器可以減小航空軌道的多維緩沖的影響：徑信號(hào)寬度為σ時(shí)，信息寬度為t，擴(kuò)展寬度為2σ/t<10 時(shí)，采用時(shí)域均衡器。因?yàn)闀r(shí)域均衡器通過(guò)提高提取系數(shù)來(lái)提高其抗多徑能力。當(dāng)抗多徑能力達(dá)到2σ/T>10 時(shí)，分裂數(shù)至少達(dá)到10 個(gè)數(shù)量級(jí)。如果使用T/2 間隔的均衡器，抽頭次數(shù)應(yīng)大于20 步。一方面，增加均衡器線路級(jí)的數(shù)量將增加算法的復(fù)雜性；另一方面，穩(wěn)定性的波動(dòng)較小。當(dāng)兩個(gè)Si/T>10 時(shí)，頻域均衡更為合適。信道估計(jì)用于實(shí)現(xiàn)信道均衡，其抗多徑能力取決于調(diào)制器幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，適用于2σ/T>10 的情況[8]。

圖3 顯示的無(wú)線電結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)不同的接收信道，其中均衡器的信號(hào)被發(fā)送到組合器的組合件以使組合最大化，結(jié)果被傳輸?shù)藉e(cuò)誤發(fā)生器的決策過(guò)程中，其他信道計(jì)算決定前后的差值，從而產(chǎn)生用于向前和反饋的調(diào)節(jié)信號(hào)。

圖3 均衡接收機(jī)結(jié)構(gòu)

4.1.2 LDPC 編碼技術(shù)

有效的糾錯(cuò)編碼是保證降低空信道和在頻率有選擇衰減情況下分組錯(cuò)誤率的關(guān)鍵。同時(shí)，前所未有的編碼技術(shù)可以降低記錄閾值，改善連接性，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。無(wú)差錯(cuò)編碼技術(shù)對(duì)強(qiáng)多徑干擾下形成的不可恢復(fù)的差錯(cuò)碼也有很好的抑制效果[9]。

LDPC 具有高的成本效益、高速和并行解碼結(jié)構(gòu)，其并行解碼結(jié)構(gòu)更適合于設(shè)備的快速部署，更適合用戶的需要。2 KB/S 是QPSK-LDPC 代碼誤差曲線和QPSK 代碼誤差曲線。在下一個(gè)圖形中，如果信號(hào)噪聲比大于2.4 dB，則由LDPC-QPSK 編碼的比特率低于LDPC 編碼，因此LDPC 具有在真空通道中使用小變化參數(shù)的良好前景。特別是，由于LDPC 與通信平臺(tái)的鏈接，LDPC 代碼可以在向FPGA/ASIC傳輸?shù)膹?fù)雜條件下同時(shí)編譯。誤碼性能如圖4 所示。

目前，中國(guó)航測(cè)圖像的攝影校正主要是利用CPU 串行方式對(duì)采集到的圖像進(jìn)行變換和修正。隨著傳感科技的快速進(jìn)步，需要實(shí)現(xiàn)的圖像處理量更大。傳統(tǒng)的CPU 串行已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)攝影影像采集的需求。在架空線路巡視系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)可以通過(guò)自身的遙感系統(tǒng)獲取大量攝影影像，并基于GPGPU 模型，通過(guò)一定的信號(hào)處理，將其映射到GPU 支持的圖形成像系統(tǒng)上，從而實(shí)現(xiàn)航測(cè)成像的快速修改，大大提高攝影影像的成像速度。

圖4 誤碼性能圖

4.2 圖像的缺陷識(shí)別與處理

圖像缺陷識(shí)別主要是指地面信號(hào)處理中心通過(guò)紅外、紫外成像系統(tǒng)，POS 系統(tǒng)等傳感器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行精度較高的幾何處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)架空線路安全風(fēng)險(xiǎn)的判斷和異常架空線的識(shí)別，確定架空線路存在的隱患，及時(shí)排除故障。其中，多類傳感器信息的立體過(guò)濾技術(shù)要求過(guò)濾和輸入大量的數(shù)據(jù)信息，這就需要采用遙感信號(hào)過(guò)濾計(jì)算方案和現(xiàn)代信號(hào)過(guò)濾方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)較大數(shù)據(jù)量的精度高的立體處理。

圖像誤差檢測(cè)必須在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集之后進(jìn)行，以便獲得高壓線路圖形轉(zhuǎn)換，使用深分組神經(jīng)算法過(guò)濾和整理數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)提交給修復(fù)和糾正缺陷的決策系統(tǒng)，并將結(jié)果檢測(cè)和原始圖像數(shù)據(jù)也通過(guò)4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)保存在控制中心，由專家人工確認(rèn)。

深度學(xué)習(xí)模型利用分層特性圖像來(lái)描述數(shù)據(jù)，包括一個(gè)有限的鉆探傳播機(jī)制、深度信念網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)編譯、自動(dòng)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物刺激模型[10]。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度凝縮算法預(yù)測(cè)通過(guò)性能識(shí)別裝置來(lái)獲得海量圖像或視頻數(shù)據(jù)，最后，測(cè)試結(jié)果恢復(fù)到維護(hù)和消除缺陷的決策系統(tǒng)。通過(guò)專家反饋優(yōu)化了測(cè)試模式有效性和精度檢測(cè)缺陷。通過(guò)建立深入學(xué)習(xí)和監(jiān)督培訓(xùn)，智能識(shí)別鳥(niǎo)巢、絕緣子自爆、銷脫落、螺栓松動(dòng)、均壓環(huán)傾斜塔材丟失、異物、地線損壞等。

圖像處理在電力檢測(cè)應(yīng)用中會(huì)遇到很多干擾因素，給電力線路的維護(hù)帶來(lái)很多問(wèn)題。在信號(hào)處理時(shí)，遠(yuǎn)軸區(qū)域存在成像差錯(cuò)，大大降低成像的效果，讓巡檢過(guò)程中裝置和元件的詳細(xì)維護(hù)效果較差。輻射失真是遙感成像的失真，利用傳感技術(shù)對(duì)物體的反射，干擾對(duì)成像的判斷和分析。無(wú)人機(jī)在懸空時(shí)受運(yùn)行姿勢(shì)、方向差異和物理振動(dòng)的干擾很大，運(yùn)行姿勢(shì)對(duì)無(wú)人機(jī)電氣測(cè)控的影響特別嚴(yán)重。電力線路周圍的自然和生態(tài)環(huán)境、鏡像變化較快，圖像分析和成像使得傳輸線及其組成部分的圖像背景非常復(fù)雜，內(nèi)容識(shí)別更困難。

5 結(jié)論

使用無(wú)人機(jī)設(shè)備來(lái)檢修架空線路，不僅滿足了新時(shí)期的電網(wǎng)維修需求，而且在某種程度上提高了電力公司的業(yè)務(wù)效率，保證了架空線路的高效安全的狀態(tài)。因此，在架空線路巡視檢修過(guò)程時(shí)，架空線路所屬企業(yè)應(yīng)重視無(wú)人機(jī)的使用，以提高架空線路所屬企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。