無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

李 巖，彭玉金，時海剛

（國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟南 250002）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定增大，對電網(wǎng)的供電可靠性提出了更高的要求。輸電運檢人員結(jié)構(gòu)性缺員嚴(yán)重，并且以人工巡檢為主的模式存在著巡視不立體、質(zhì)量和效率不高的問題，山區(qū)、高海拔等特殊區(qū)段和惡劣氣象條件下巡視困難，難以滿足線路高可靠性運行的要求[1-3]。2009年起，國網(wǎng)公司開展了無人機巡檢應(yīng)用的研究，山東、福建、遼寧、四川等公司進(jìn)行無人機和巡檢系統(tǒng)研發(fā)并試用；2013—2015年，國網(wǎng)公司組織10家單位開展直升機、無人機和人工協(xié)同巡檢試點；2015年，無人機巡檢在公司內(nèi)推廣應(yīng)用[4]。5年來，無人機巡檢在日常巡檢中的應(yīng)用規(guī)模越來越大，取得成效的同時也遇到了一些壁壘。本文針對無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用進(jìn)行研究，著重研究無人機巡檢的現(xiàn)狀、解決壁壘的技術(shù)手段，拓展無人機應(yīng)用場景，這對于提升無人機巡檢智能化水平具有重要意義。

1 無人機巡檢現(xiàn)狀

無人機巡檢是通過無人機搭載可見光、紅外熱像儀等設(shè)備對輸電線路進(jìn)行巡視檢查，與人工巡檢相比，無人機巡檢具有質(zhì)量高、效率高、安全性好、受地域影響小、成本低等顯著優(yōu)勢。輸電線路巡檢用的無人機主要有多旋翼和固定翼兩類機型，多旋翼無人機常用于桿塔級精細(xì)化巡檢，固定翼無人機主要應(yīng)用于通道巡檢和災(zāi)害評估。無人機作為巡檢利器，在國網(wǎng)公司各單位得到迅速推廣與應(yīng)用，截至2020年9月，國網(wǎng)公司系統(tǒng)共有無人機8 048架，無人機巡檢作業(yè)平臺218個，無人機智能庫房74個。2020年1—9月，公司各單位累計巡檢里程達(dá)230 533.47 km，完成定位拍攝桿塔695 332基，累計發(fā)現(xiàn)缺陷222 015處。缺陷以桿塔瓶口及以上位置線路本體及附屬設(shè)施缺陷為主，其中金具類缺陷、桿塔類缺陷和通道環(huán)境類缺陷較為突出，占75%以上。通過無人機巡檢，線路本體及通道巡檢的質(zhì)量和效率得到較大提高。

無人機巡檢遇到一些技術(shù)壁壘。無人機巡檢（特別是多旋翼）主要方式為飛手操縱無人機巡查，該方式非常依賴飛手的經(jīng)驗和技能水平，操作不當(dāng)易引起無人機損壞，巡檢質(zhì)量受人員技術(shù)水平和外界環(huán)境影響較大。另外，后期圖像處理與數(shù)據(jù)分析智能化程度不高，部分單位依靠人工識別，較為繁瑣，不好辨別且容易遺漏，影像缺陷識別可靠性和準(zhǔn)確率尚難滿足實用化要求。無人機巡檢作業(yè)雖效率和質(zhì)量提高較大，但自主化和智能化程度較低，作業(yè)優(yōu)勢并未充分發(fā)揮，人員“生產(chǎn)力”也未得到充分解放，難以滿足智能運檢發(fā)展要求。

2 無人機智能巡檢

激光雷達(dá)掃描技術(shù)逐漸成熟[5-6]，通過機載Li-DAR快速獲取點云數(shù)據(jù)，精確建模，能提供三維模型；RTK（Real-Time Kinematic，簡稱RTK）技術(shù)，即實時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)，能實時提供達(dá)厘米級精度的定位信息；基于大數(shù)據(jù)和人工智能的深度學(xué)習(xí)算法，提供了定位及圖像識別的技術(shù)條件。無人機巡檢融合高精度定位、5G、機器學(xué)習(xí)、邊緣計算等相關(guān)技術(shù)，必將逐步實現(xiàn)無人機自主巡檢和缺陷智能識別，巡檢模式向以無人機為主的協(xié)同自主巡檢模式轉(zhuǎn)變，更安全、更智能、更高效。

2.1 自主巡檢技術(shù)

與人工操控?zé)o人機相比，無人機自主巡檢技術(shù)能實現(xiàn)無人機自動飛行、自動定點、精準(zhǔn)拍攝等功能，減少了人員參與度，進(jìn)一步提高巡檢的質(zhì)量和效率。常規(guī)技術(shù)路線主要有兩種：示教航線學(xué)習(xí)和建模與定位技術(shù)。

示教航線學(xué)習(xí)由熟悉輸電線路的無人機巡檢作業(yè)人員操控?zé)o人機對輸電線路進(jìn)行巡檢。在巡檢過程中，無人機會記錄作業(yè)的精準(zhǔn)航點位置信息和相應(yīng)姿態(tài)，儲存于任務(wù)列表中。下次巡檢調(diào)取并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)時，無人機根據(jù)儲存的信息，自動完成巡檢任務(wù)。

建模與定位技術(shù)基于RTK技術(shù)，通過三維點云航跡規(guī)劃，實現(xiàn)無人機自主巡檢。點云采集可由激光雷達(dá)掃描或傾斜攝影實現(xiàn)，激光雷達(dá)掃描技術(shù)具有精度高、全天候、數(shù)據(jù)處理快、采集方式多樣等優(yōu)勢。通過激光雷達(dá)掃描，得到高精度激光點云，構(gòu)建三維地圖模型，并提取關(guān)鍵特征的空間參數(shù)?；谌S地圖模型進(jìn)行航跡規(guī)劃，利用深度學(xué)習(xí)算法能自動選定精細(xì)化巡檢的精準(zhǔn)航點。無人機根據(jù)規(guī)劃航跡，在RTK定位技術(shù)下就可以實現(xiàn)自主巡檢。

此外，基于AI航線預(yù)測與AI目標(biāo)識別的輸電線路全自主飛行技術(shù)已研究并應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝有機載AI邊緣計算模塊，集成5G模塊，實現(xiàn)前端AI目標(biāo)識別與跟蹤、高清圖像及視頻實時傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能，能夠基于航線預(yù)測，實現(xiàn)自主跟蹤巡檢。

隨著無人機自主巡檢技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，采用人工示教、點云規(guī)劃等方式逐步組建自主巡檢航線庫，并逐步推進(jìn)航線自動生成與調(diào)用、“一鍵作業(yè)”及標(biāo)準(zhǔn)化巡檢拍攝等功能實用化。結(jié)合前端智能識別模塊、5G、邊緣計算等技術(shù)，無人機能全自主規(guī)劃航線，根據(jù)識別構(gòu)件及環(huán)境自主選擇拍照的距離和角度，實現(xiàn)全自主巡檢，解放人員“生產(chǎn)力”，做到去人化甚至無人化，無人機自主作業(yè)質(zhì)量和效率將得到有效提升。

2.2 影像智能識別技術(shù)

線路設(shè)施較密集，大多具有多尺度三維結(jié)構(gòu)，并可能出現(xiàn)相互遮擋、背景干擾較強、缺陷難判別等因素，故人工智能處理算法中的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較復(fù)雜、技術(shù)路線分支較多，致使缺陷識別標(biāo)注難度大，需大量樣本積累訓(xùn)練、驗證。2018年5月和2019年12月，國網(wǎng)公司組織開展了兩次智能算法驗證工作，修正了算法評價指標(biāo)，采用發(fā)現(xiàn)率、誤報率、錯誤輸出率、識別效率4項指標(biāo)進(jìn)行驗證，組建無人機巡檢影像樣本庫并不斷豐富，預(yù)計2021年樣本數(shù)量將達(dá)到百萬級。

輸電線路樣本缺陷歸納為桿塔、導(dǎo)線和地線、絕緣子、大尺寸金具、小尺寸金具、基礎(chǔ)、通道環(huán)境、接地裝置和附屬設(shè)施9類。2020年3—7月，公司各單位共識別缺陷85 728個，缺陷發(fā)現(xiàn)率呈上升趨勢，整體發(fā)現(xiàn)率為62.49%，桿塔和小尺寸金具類缺陷發(fā)現(xiàn)率較高，達(dá)80%以上。但是，算法錯誤輸出率較高，輸出框數(shù)過多，對正常部件頻繁誤報。例如當(dāng)銷釘、墊片、螺栓等小尺寸金具出現(xiàn)缺陷時，由于目標(biāo)占比很小，需先檢測其他連接件再檢測目標(biāo)，如先檢測到桿塔上很多部位有螺栓、螺帽等再檢測目標(biāo)，這樣就容易造成誤檢。

無人機巡檢影像質(zhì)量對缺陷智能識別非常重要，因此應(yīng)推廣定位拍攝技術(shù)。豐富樣本數(shù)量和質(zhì)量，增加樣本積累和集中標(biāo)注，樣本涵蓋不同電壓等級、不同設(shè)備種類和各種缺陷類型。開展算法集中培育和優(yōu)化，提升缺陷發(fā)現(xiàn)率，降低誤報率。如針對銷釘缺失類的小目標(biāo)缺陷，應(yīng)形成細(xì)粒度分類，先檢測大致部位，再詳細(xì)分類，來應(yīng)對圖像差異性小的特點。逐步構(gòu)建算法“推廣應(yīng)用、滾動提升、效益共享”的應(yīng)用生態(tài)鏈，提高實用化水平，滿足應(yīng)用要求。

3 無人機巡檢深化應(yīng)用

無人機除用于日常巡檢外，還可以應(yīng)用在故障巡檢、特殊巡檢、檢測及輔助檢修作業(yè)、線路勘察驗收等方面。

3.1 故障巡檢

線路故障跳閘時，一些故障點在高處，地面巡查角度有限，常有桿塔、金具等遮擋，登桿檢查也難快速精準(zhǔn)找到故障點。利用無人機多角度重點檢查導(dǎo)線、絕緣子、金具等本體設(shè)施和通道狀況，能更快找到故障點，既可提高效率，也可提高安全性，減少觸電及高空墜落風(fēng)險。

3.2 特殊巡檢

針對復(fù)雜地形及規(guī)模林區(qū)，特別是樹竹快速增長區(qū)域，開展無人機可見光通道檢測和激光雷達(dá)掃描，提升通道管理和特殊點距離管控的精細(xì)化水平。利用無人機進(jìn)行線路缺陷隱患排查，加強無人機對重點防汛、滑坡區(qū)段的巡視力度，提高應(yīng)急響應(yīng)能力。特殊地形、區(qū)段和惡劣氣象條件下災(zāi)后評估，可開展固定翼無人機巡檢，快速獲取災(zāi)害情況，及時為后續(xù)抗災(zāi)救災(zāi)提供重要基礎(chǔ)信息。

3.3 檢測及輔助檢修作業(yè)

無人機攜帶噴水裝置檢測復(fù)合絕緣子憎水性，無人機檢測低零值絕緣子等智能檢測技術(shù)試應(yīng)用，無人機攜帶噴火或熔斷裝置清除異物較成熟，無人機驗電、噴涂防污閃涂料、傳遞工具及協(xié)同檢修作業(yè)示范應(yīng)用，特別是無人機結(jié)合電動升降裝置進(jìn)出等電位方式在國網(wǎng)公司多個超高壓和特高壓線路應(yīng)用，取得了顯著效益。

3.4 線路勘察驗收

無人機搭載激光雷達(dá)、可見光、紅外等設(shè)備，獲取線路本體和通道點云和影像，可以復(fù)現(xiàn)線路本體及通道地形地貌、地物信息，實現(xiàn)三維可視化管理。另外，RTK無人機也可以通過中點高度法實現(xiàn)對導(dǎo)線弧垂的測量，便捷高效，遼寧公司已完成相關(guān)研究并在葫蘆島地區(qū)驗證應(yīng)用，與經(jīng)緯儀測量結(jié)果差異很小，僅幾厘米。

4 結(jié)語

無人機巡檢發(fā)展迅速，在提質(zhì)、增效、減員的同時，也遇到一些問題。自主化和智能化是無人機巡檢的核心特征，全自主飛行和影像缺陷智能識別是無人機巡檢發(fā)展的關(guān)鍵和必然趨勢。未來，將推進(jìn)無人機巡檢業(yè)務(wù)規(guī)范化、作業(yè)智能化、管控信息化和管理精益化，健全管理和技術(shù)支撐體系，作業(yè)實現(xiàn)遠(yuǎn)程、自主、多斷面協(xié)同，數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)智能、實時、精準(zhǔn)可靠，適應(yīng)電網(wǎng)精細(xì)化和智能化的需求。