無(wú)人機(jī)在風(fēng)電巡檢的應(yīng)用

（國(guó)華能源投資有限公司，北京 100007）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新與革新，風(fēng)電建設(shè)成本逐年降低，同時(shí)在國(guó)家的鼓勵(lì)下越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)建成并投入使用，同時(shí)也將伴隨著很多設(shè)備的老化，這使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的巡檢和運(yùn)維工作變得越來(lái)越復(fù)雜，給風(fēng)電場(chǎng)日常巡檢工作帶了極大困難。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展和滲透，能源行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐逐步加快，網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求迫切。風(fēng)電行業(yè)基于此大背景，迫切需要建立一個(gè)不依賴(lài)于人工長(zhǎng)期穩(wěn)定作業(yè)，及時(shí)響應(yīng)、智能巡檢系統(tǒng)，能對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況、故障數(shù)據(jù)及時(shí)采集和診斷，以促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展[1]。

1 智能化巡檢必要性

1.1 傳統(tǒng)的人工巡檢方式逐漸無(wú)法滿(mǎn)足需求

風(fēng)場(chǎng)一般處于人煙稀少、位置偏僻、環(huán)境惡劣的地區(qū)，而且隨著風(fēng)電規(guī)模不斷增加，巡檢人員不方便進(jìn)行頻繁、全面的檢查和維修工作，導(dǎo)致效率和質(zhì)量不能得到保證，如在偏遠(yuǎn)山區(qū)或者靠海的地區(qū)就更不方便操作，而且人工檢測(cè)成本較高。同時(shí)，因風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的老化，大部分風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入了設(shè)備故障多發(fā)期，傳統(tǒng)線(xiàn)路巡視存在安全風(fēng)險(xiǎn)高，易造成人員摔傷、扭傷，車(chē)輛事故；人工視角范圍窄、巡視存在死角。風(fēng)電場(chǎng)人員少、工作強(qiáng)度大，雨雪天氣過(guò)后，特殊地形人工巡視無(wú)法進(jìn)行等問(wèn)題，傳統(tǒng)的以人工為主的檢修模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)維需求。為了排除風(fēng)電機(jī)組故障和安全隱患，特別是風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)的故障，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般采用定期人工巡檢的方式，而巡檢人員在對(duì)機(jī)艙做定期巡檢及檢維修時(shí)須攀爬到近80米高的風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)，這對(duì)工作人員的體能提出了較大的要求，也存在較大的安全隱患[2]。

1.2 后期設(shè)備維護(hù)成本較高，智能化程度低

由于風(fēng)電行業(yè)前期跳躍式發(fā)展、參與方良莠不齊等原因，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)維中容易存在故障頻發(fā)等問(wèn)題，運(yùn)維成本無(wú)形增加。另一方面，由于風(fēng)電場(chǎng)所在環(huán)境大多氣候復(fù)雜多變，長(zhǎng)期工作在野外、暴曬和雷雨等惡劣環(huán)境中，易發(fā)生多種機(jī)械或電氣故障。而且隨著野外裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷成本也越來(lái)越高了。特別對(duì)海上風(fēng)電來(lái)說(shuō)，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用占到總成本的一半以上。

同時(shí)，目前巡檢作業(yè)主要是人工巡檢，統(tǒng)計(jì)數(shù)量大，信息傳輸慢，巡檢周期長(zhǎng)，問(wèn)題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng)、成本高、精度低，難以滿(mǎn)足風(fēng)場(chǎng)精細(xì)化運(yùn)營(yíng)需求，所以，風(fēng)電運(yùn)維智能化程度低，不得不仍以糾正型運(yùn)維為主。

2 無(wú)人機(jī)在風(fēng)電巡檢應(yīng)用

2.1 無(wú)人機(jī)在風(fēng)電巡檢的優(yōu)勢(shì)

2.1.1 無(wú)人機(jī)能滿(mǎn)足風(fēng)電行業(yè)巡檢環(huán)境復(fù)雜性需求，并大大提高巡檢的質(zhì)量和效率，巡檢成本相對(duì)較低，安全性較高

無(wú)人機(jī)可載有4K高清相機(jī)、紅外光相機(jī)、三維激光掃描儀、聲音感知、滅火彈等任務(wù)設(shè)備，對(duì)風(fēng)機(jī)和輸電線(xiàn)路進(jìn)行飛行巡檢。在無(wú)人機(jī)使用期間，風(fēng)電場(chǎng)團(tuán)隊(duì)在線(xiàn)路巡視基礎(chǔ)上，逐步探索拓展無(wú)人機(jī)多功能技術(shù)的應(yīng)用，如可利用風(fēng)電場(chǎng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)視頻圖像時(shí)時(shí)回傳集控中心，集控中心根據(jù)回傳圖像，進(jìn)行集中分析診斷，并制定方案?jìng)鬟f至檢修班，檢修班接受集控中心的信息，開(kāi)展檢修、消缺作業(yè)。當(dāng)架空線(xiàn)路纏繞異物時(shí)，無(wú)人機(jī)操控人員可遠(yuǎn)程啟動(dòng)噴火裝置，對(duì)纏繞在架空線(xiàn)路的異物進(jìn)行燒毀消除，實(shí)現(xiàn)了不停電作業(yè)，減少設(shè)備停電時(shí)長(zhǎng)，提高設(shè)備可利用率。對(duì)無(wú)人機(jī)加裝拓展模塊掛載消防滅火彈，在人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況下，進(jìn)行滅火撲救，使風(fēng)電場(chǎng)的安全管控得到有效提升。所以，無(wú)論是何種情況下，無(wú)人機(jī)都大大提高風(fēng)機(jī)行業(yè)巡檢的質(zhì)量和效率，降低巡檢成本，也可以比較安全地進(jìn)行巡檢作業(yè)。

2.1.2 無(wú)人機(jī)能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)、全面、精細(xì)要求，以及跨應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的需求

為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常安全運(yùn)行，避免因故障造成意外停電，減少設(shè)備停機(jī)維護(hù)帶來(lái)的損失，需要巡檢人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測(cè)、診斷故障。所以開(kāi)展對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的早期故障并進(jìn)行維修具有重大的實(shí)際意義。

隨著智能傳感器和通信技術(shù)的興起，無(wú)人機(jī)讓更加實(shí)時(shí)、全面、精細(xì)的數(shù)據(jù)采集成為可能，也讓對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的早期故障并進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)管理成為可能。

通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)主體和輸電線(xiàn)路巡檢，并實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況傳回地面服務(wù)器，然后對(duì)設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，能對(duì)故障的快速定位和根因分析，以便做出正確判斷，及時(shí)排除故障，提高運(yùn)維數(shù)字化、智能化水平。比如，無(wú)人機(jī)定期獲取的風(fēng)機(jī)葉片高清圖像，將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器進(jìn)行處理分析，檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中[4]。同時(shí)，結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的風(fēng)機(jī)葉片巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，甚至對(duì)設(shè)備隱患進(jìn)行量化分析和測(cè)量，高效了解風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)行狀態(tài)。

基于無(wú)人機(jī)的風(fēng)電巡檢對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程控制、設(shè)備協(xié)同、人工智能等帶來(lái)比原來(lái)更強(qiáng)的時(shí)效性，發(fā)生故障的幾率更低，控制的精度更高，將從整體上提升信息采集、收集的智慧化水平。

2.2 目前待創(chuàng)新點(diǎn)

由于風(fēng)電行業(yè)的巡檢自然環(huán)境非常復(fù)雜，有偏遠(yuǎn)山區(qū)又有海上，對(duì)安全要求也極高，而且隨著風(fēng)電市場(chǎng)的逐漸成熟，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相繼出現(xiàn)，風(fēng)電巡檢的工作環(huán)境也會(huì)變得更加復(fù)雜，所以，無(wú)人機(jī)要能適應(yīng)風(fēng)電巡檢復(fù)雜場(chǎng)景，需要更多的技術(shù)創(chuàng)新，現(xiàn)僅以下四點(diǎn)為例論述。

2.2.1 復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度定位技術(shù)

由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部布滿(mǎn)了電線(xiàn)，風(fēng)機(jī)發(fā)電過(guò)程中電線(xiàn)會(huì)有大電流流過(guò)從而產(chǎn)生了磁塊。同時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)部主要為鋼結(jié)構(gòu)件，對(duì)地磁信號(hào)產(chǎn)生了巨大的干擾，因此，傳統(tǒng)的基于指南針的航向在此環(huán)境下不被適用。必須借助視覺(jué)等其它傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)航向的估計(jì)，視覺(jué)傳感器在使用之前需要對(duì)其內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定，準(zhǔn)確的視覺(jué)傳感器內(nèi)參將對(duì)定位精度產(chǎn)生很高的影響。此外基于視覺(jué)-慣導(dǎo)等多傳感器融合的定位方案對(duì)傳感器之間的外參較為敏感，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，無(wú)人機(jī)支架可能發(fā)生形變，進(jìn)一步改變傳感器之間的外部參數(shù)。需要引入傳感器外參在線(xiàn)實(shí)時(shí)標(biāo)定機(jī)制，保障無(wú)人值守過(guò)程中，因碰撞等情況導(dǎo)致傳感器外參發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)影響到無(wú)人機(jī)的定位精度。除視覺(jué)傳感器以外，ToF、紅外、超聲波等其它傳感器也會(huì)用于融合定位，需要采用更精確的傳感器模型與更優(yōu)的融合算法，降低傳感器的噪聲，為無(wú)人機(jī)提供更加穩(wěn)定、精準(zhǔn)的定位結(jié)果。

2.2.2 全局軌跡規(guī)劃技術(shù)

為使無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢線(xiàn)路既能覆蓋風(fēng)機(jī)巡檢過(guò)程中工人期望的所有檢查點(diǎn)，又能提供最高效的規(guī)劃軌跡，需全局軌跡規(guī)劃技術(shù)。比如，可在離線(xiàn)地圖上通過(guò)遙控虛擬無(wú)人機(jī)的方式設(shè)置不同的巡檢軌跡，系統(tǒng)將根據(jù)不同的輸入生成不同的巡檢軌跡?？紤]到無(wú)人機(jī)在對(duì)風(fēng)機(jī)巡檢過(guò)程中，需要對(duì)特定的物體以特定的角度進(jìn)行停留拍照。所以需要考慮無(wú)人機(jī)的拍攝角度，而傳統(tǒng)的軌跡規(guī)劃多聚焦在巡檢目標(biāo)的位置、速度以及加速度狀態(tài)，而并沒(méi)有考慮角度，所以，應(yīng)優(yōu)化無(wú)人機(jī)偏航角，將偏航角作為一個(gè)變量加入到目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3 局部環(huán)境改變及碰撞下的軌跡重規(guī)劃技術(shù)

由于工作環(huán)境不是一成不變的，巡檢環(huán)境可能隨多種情況發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化之后，如果全局地圖尚未更新，那么將存在預(yù)先設(shè)置的軌跡與新障礙發(fā)生碰撞的情況，嚴(yán)重影響飛行安全。故采用軌跡重規(guī)劃技術(shù)，當(dāng)檢測(cè)到未來(lái)軌跡與實(shí)時(shí)檢測(cè)的環(huán)境將會(huì)發(fā)生碰撞時(shí)，將自動(dòng)對(duì)局部軌跡進(jìn)行重新規(guī)劃，躲避障礙，保證飛行安全[5]。同時(shí)為保障巡檢任務(wù)的順利進(jìn)行，避開(kāi)障礙物后，無(wú)人機(jī)還應(yīng)從局部軌跡過(guò)渡回全局軌跡，保證后續(xù)任務(wù)的完整性。當(dāng)巡檢過(guò)程中因?yàn)榕R時(shí)的設(shè)備添加及人員走動(dòng)，無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)避障與局部重規(guī)劃，可在模擬環(huán)境中臨時(shí)添加設(shè)備、障礙，無(wú)人機(jī)可以在沒(méi)有更新全局地圖的情況下自動(dòng)重新規(guī)劃軌跡，避開(kāi)障礙物，完成巡檢任務(wù)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)巡檢的第一要?jiǎng)?wù)是要保證風(fēng)機(jī)的絕度安全，正常情況下可以做到無(wú)人機(jī)與風(fēng)機(jī)不發(fā)生任何接觸。為了以防萬(wàn)一，需要對(duì)無(wú)人機(jī)的失效形式做好必要的應(yīng)急預(yù)案。比如因定位精度或其它異常問(wèn)題，導(dǎo)致在巡檢過(guò)程中發(fā)生了碰撞或剮蹭等問(wèn)題，無(wú)人機(jī)可以自動(dòng)識(shí)別此類(lèi)問(wèn)題，并完成控制策略的切換與局部的重規(guī)劃。

2.2.4 適應(yīng)狹長(zhǎng)通道及復(fù)雜地效的控制技術(shù)

對(duì)于風(fēng)機(jī)的巡檢，除了風(fēng)機(jī)葉片外，還有風(fēng)機(jī)塔筒。風(fēng)機(jī)塔筒是一個(gè)穿越狹長(zhǎng)通道，無(wú)人機(jī)會(huì)受到螺旋槳下洗氣流與機(jī)身的相互作用，此作用力被視為一種外界擾動(dòng)作用在無(wú)人機(jī)上，將嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)的位置精度控制，從而引起無(wú)人機(jī)偏離運(yùn)動(dòng)軌跡從而發(fā)生碰撞與剮蹭事故。針對(duì)外界擾動(dòng)，擾動(dòng)觀察器為一種有效的控制技術(shù)。無(wú)人機(jī)需要適應(yīng)狹長(zhǎng)通道及復(fù)雜地效的控制技術(shù)，提高無(wú)人機(jī)平臺(tái)的控制精度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了解決風(fēng)電行業(yè)的運(yùn)維痛點(diǎn)，提高風(fēng)機(jī)及風(fēng)場(chǎng)輸電線(xiàn)路運(yùn)行的安全性、可靠性、智能化，以及數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性與全面性，可通過(guò)在無(wú)人機(jī)上載相關(guān)的任務(wù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)及輸電線(xiàn)工作狀態(tài)的巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與排除安全隱患。采用無(wú)人機(jī)技術(shù)能有效彌補(bǔ)人工巡檢的不足，隨著技術(shù)人員對(duì)無(wú)人機(jī)高精度定位、軌跡規(guī)劃、控制等技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用，未來(lái)無(wú)人機(jī)將成為用于風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)輸電線(xiàn)路巡檢的主要手段。