無人機蜂巢綜合系統(tǒng)設計及應用*

楊啟帆，李志茹,馬宏忠，辛俊韋

(國網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

近年來，高壓輸電線路的運行管理模式趨向于標準化、精益化、智能化，傳統(tǒng)巡線方式面臨的困難是勞動強度大、工作條件艱苦、勞動效率低，遇到電網(wǎng)緊急故障和異常氣候條件下，線路維護人員不具備良好的作業(yè)環(huán)境。無人機智能巡檢系統(tǒng)應用于電力線路巡檢，不受地形地貌限制，尤其適用于險峻山區(qū)、多河流地貌下的巡線工作，可對輸電線路產(chǎn)生的故障進行實時在線定位和監(jiān)控，地面控制人員可根據(jù)地面站回傳實況及時發(fā)現(xiàn)排除線路缺陷及重大隱患，巡查效率得以大大提高，節(jié)省了大量人力、物力，提高了巡檢人員工作安全系數(shù)[1]。

目前電力巡檢已經(jīng)開始使用無人機代替人工巡檢，但是使用的無人機設備還需要人工使用遙控器來控制無人機的飛行路徑，并且每個無人機設備可攜帶的電池容量有限，只能在有限的范圍內(nèi)飛行，如果人工操作不當，還可能發(fā)生無人機設備失控，電量耗盡等情況。

筆者針對目前無人機巡檢效率低、續(xù)航短的現(xiàn)狀，設計了一套軟硬件綜合系統(tǒng)平臺，用于控制無人機巡檢行為和對無人機巡檢過程中的數(shù)據(jù)進行處理。利用該系統(tǒng)平臺用戶可以在任務區(qū)域就近部署蜂巢平臺(無人機機場)和無人機，同時無人機可以以機場為中心自動規(guī)劃飛行巡檢路線，從而實現(xiàn)有效飛行，高效飛行，解放勞動力。

1 無人機蜂巢綜合系統(tǒng)平臺設計概述

1.1 無人機蜂巢平臺

無人機蜂巢平臺是協(xié)助無人機全流程作業(yè)的地面自動化設施，可以取代傳統(tǒng)人工操作，極大提高無人機的全自動作業(yè)能力。

無人機蜂巢平臺可以部署在特定區(qū)域。無人機存放于機場內(nèi)，當有飛行需求時無人機自主從機場起飛，完成任務后無人機自動降落于機場內(nèi)。在機場中，無人機可進行充電或制動更換電池，為下一次任務做好準備。有了機場的依托，無人機就可以在無人干預的情況下自行起飛和降落，更換電池，實現(xiàn)全自動化作業(yè)。

機場負責無人機的存儲，更換電池以及地空通信?？梢詫崿F(xiàn)對無人機的自動回收、能源補給，方便無人機在無人值守的情況下自行完成日常巡檢、三維測繪、精細化巡檢等各項作業(yè)，是實現(xiàn)無人機全自動連續(xù)電力巡檢作業(yè)運行的關鍵[2]。

無人機蜂巢整套系統(tǒng)是從無人機安裝電池起飛到無人機自動回收降落的完整流程。圖1是無人機蜂巢平臺系統(tǒng)設計圖示。圖2是人機在蜂巢平臺起降流程示意圖。

圖1 無人機蜂巢平臺設計

具體無人機蜂巢平臺設計流程如下：

(1) 當無人機任務執(zhí)行結束，按給定的導航路線飛到無人機蜂巢平臺上方時，平臺艙門自動打開，無人機降落在蜂巢車內(nèi)的停機坪上。

(2) 停機坪自動緩緩降落，蜂巢平臺頂部艙門關閉。

(3) 蜂巢平臺內(nèi)部機械臂通過傳動裝置自動更換無人機電池，并進行數(shù)據(jù)交互

(4) 更換完新電池后，停機坪自動上升至安全位置，艙門打開。

(5) 停機坪繼續(xù)上升至蜂巢車頂部位置。

(6) 無人機起飛，進行二次巡檢，艙門關閉。

圖2 無人機在蜂巢平臺起降流程示意圖

1.2 基于無人機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過無人機的攜帶可見光相機、紅外相機、三維掃描設備以及喊話器、探照燈等，可以全天候快速采集巡檢目標的圖像數(shù)據(jù)，并將計算機視覺算法應用到對的目標識別中。

無人機攜帶巡檢載荷，以無人機自動機場為中心，可以實現(xiàn)一定半徑范圍的區(qū)域巡檢覆蓋。巡檢數(shù)據(jù)可以實時回傳至數(shù)據(jù)中心，進行分析處理。圖3為無人機數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場與蜂巢平臺圖示。

圖3 無人機數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場與蜂巢平臺圖示

1.3 遠程控制平臺

控制平臺是無人機自動機場以及無人機的管理平臺，可以實現(xiàn)對無人機自動機場或無人機的遠程控制，同時該平臺也是數(shù)據(jù)智能運營平臺。

該控制系統(tǒng)部署在客戶本地或者云端，可隨時登陸并控制設備。平臺可針對不同應用場景制定巡飛任務，針對業(yè)務場景實現(xiàn)的不同飛行方式和采集方式，通過控制系統(tǒng)下達任務，調(diào)配指揮無人機、自動機場等，連續(xù)飛行作業(yè)，并獲取實時視頻數(shù)據(jù)。

2 無人機電力巡檢技術路線

2.1 現(xiàn)狀介紹

隨著無人機在輸電線路巡檢應用逐漸普及，無人機在電網(wǎng)輸電線路的巡檢場景常常處于山高林遠的偏遠無信號區(qū)域，無法通過穩(wěn)定的通信手段實現(xiàn)無人機數(shù)據(jù)與云端深度學習服務器相連，需要無人機本地邊緣端具備相關人工智能算法能力，而邊緣端的深度學習算法的壓縮和優(yōu)化，制約著無人機人工智能在輸電巡檢中的應用[3]。

2.2 模型壓縮與模型優(yōu)化

隨著輸電線路無人機設備數(shù)量的快速增長、作業(yè)規(guī)模的逐年擴大[4]，對網(wǎng)絡延遲、抖動、數(shù)據(jù)安全等提出了更高的要求，傳統(tǒng)云計算在以上方面表現(xiàn)乏力，于是邊緣計算應運而生，邊緣計算能夠在網(wǎng)絡的邊緣提供輕量級的云計算和存儲能力。最終采用基于能量效率、稀疏化、腐蝕卷積等多種模型裁剪壓縮的優(yōu)化算法，實現(xiàn)原來僅能部署于大型高計算能力服務器的模型可移植應用部署于低功耗低計算能力的邊緣計算模塊之中。

設備整體在保持小體積長續(xù)航實用化的基礎上，集成了邊緣智能算法、邊緣計算平臺、高清視頻推流模組、自組網(wǎng)通信模塊、電源管理系統(tǒng)、高清電容觸摸屏等多種功能模塊，整機設備在行業(yè)內(nèi)率先實現(xiàn)了無人機線路巡檢邊緣智能實時診斷的研究及應用[5]。

為訓練設備嵌入的邊緣智能算法模型，深度學習算法模型采用了基于學術界最新的YOLO-V4-Tiny[6](YOLOv4[7]網(wǎng)絡的輕量版)算法的改進模型，并且根據(jù)輸電線路無人機智能巡檢的場景需求進行了算法模型的裁剪、注意力優(yōu)化、算法架構優(yōu)化等方式，使其具備了無人機線路巡檢過程中的“實時”智能缺陷診斷的功能，利用圖像融合、特征金字塔、多尺度檢測、注意力模型與目標識別相融合等增強模型適用性方法，提升深度學習識別目標模型對缺陷目標識別的準確率和檢測速率。采用基于FPGA架構的最新的邊緣智能計算平臺，部署優(yōu)化后智能實時診斷模型可以實現(xiàn)每秒20幀以上的視頻流分析診斷速率。

3 無人機蜂巢平臺應用

3.1 輸電線路巡查

圖4是無人機在輸電線路巡查的現(xiàn)場應用場景，在輸電線路巡檢作業(yè)中，無人機蜂巢平臺攜帶無人機設備，具有超強的續(xù)航能力，利用自動避障算法可實現(xiàn)自主飛行拍攝；其次該平臺結合邊緣計算技術和目標檢測算法自主檢測出電塔中需要進行精細檢視相關區(qū)域，如絕緣子、桿塔頂部等等。根據(jù)圖像控制算法控制無人機云臺將機載高清相機對準上述區(qū)域，自動調(diào)整焦距放大該區(qū)域，同時始終鎖定目標處于畫幅中央，然后使用深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡算法對該區(qū)域經(jīng)行缺陷檢測，以此進行詳細巡視和有針對性的診斷故障[8]，達到實時檢測的效果，極大的提高了工作效率。

圖4 無人機在輸電線路巡查的應用

圖5為無人機三維航線和拍攝模式規(guī)劃現(xiàn)場應用場景，基于三維地圖進行復雜航跡規(guī)劃，無人機飛控還可以借助深度學習算法幫助實現(xiàn)桿塔本體精細化巡檢的拍照點自動化精準選定，形成平滑連接各拍照點的飛行航跡；根據(jù)桿塔關鍵特征(桿塔、導線、絕緣子等)的空間參數(shù)，推算并規(guī)劃好每個拍照點無人機位置、朝向、相機云臺角度，并上傳至無人機飛控系統(tǒng)中。

圖5 無人機三維航線和拍攝模式規(guī)劃

3.2 變電站巡檢

全系統(tǒng)可以滿足變電站高、中、低層巡視點多且密集的飛行需求，覆蓋了戶外設備例行巡視范圍和常規(guī)人工巡視盲點，高層點位包括設備支架、避雷針、母線及附屬設備、線夾、絕緣子；中層點位包括設備頂部、支柱瓷瓶、本體外觀點；低層點位包括表計、開關分合指示。

4 結 語

智能電網(wǎng)是電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動通訊等新一代技術信息的不斷迭代演進、融合創(chuàng)新，將為電力行業(yè)智能化發(fā)展提供強大驅動，重塑電力巡檢新的產(chǎn)業(yè)時代。

通過面向無人機電力巡檢全業(yè)務流程，從飛行平臺智能化、巡檢智能化、數(shù)據(jù)應用智能化等方面的研發(fā)實踐，闡述了新一代信息技術在無人機電力巡檢中的應用，展望了電力巡檢的智能化趨勢。未來將攻克一系列無人機智能巡檢相關技術瓶頸，通過部署網(wǎng)絡化移動，利用5G網(wǎng)聯(lián)無人機，超遠程低時延控制無人機或多機協(xié)同開展全天候、全自主、無人智能化巡檢，并同步開展缺陷的智能分析。通過全局一體化管控平臺，實現(xiàn)無人機的集中管控、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、深度挖掘、智能分析和綜合應用，對輸電、變電、配電線路運行狀態(tài)開展多維度智能分析和預警。同時，推進業(yè)務規(guī)范化、管控信息化、作業(yè)智能化、管理精益化。改變傳統(tǒng)的運維方式，提高作業(yè)安全、巡檢效率和作業(yè)質量，持續(xù)提升輸電智能化運檢水平和輸電專業(yè)精益化管理水平，開創(chuàng)輸電運檢新局面。