輸電架空線路的無人機(jī)巡檢技術(shù)應(yīng)用

張宏波 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司

架空輸電線路是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的主要設(shè)施，隨著社會(huì)人群對(duì)電能的需求越來越大，該線路數(shù)量大幅增長(zhǎng)，整體架構(gòu)也變得更加復(fù)雜，這時(shí)線路運(yùn)維、檢修工作的難度大幅增長(zhǎng)，以往普遍使用的人工巡檢模式已經(jīng)無法滿足工作要求。為此，架空輸電線路管理部門引進(jìn)了無人機(jī)巡檢技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)成功彌補(bǔ)了人工巡檢模式的不足，能夠幫助人工了解架空輸電線路情況，做好運(yùn)維、檢修工作。

我國(guó)在2008 年開始正式研究架空輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探索并得出了一些成果，顯示該項(xiàng)技術(shù)確實(shí)具有良好的應(yīng)用價(jià)值與可行性，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)技術(shù)水平有限，所以技術(shù)應(yīng)用還存在缺陷。由此大量研究人員投身于該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展性研究中，使得該項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展，逐步走向成熟，這時(shí)無人機(jī)巡檢技術(shù)成了執(zhí)行架空輸電線路相關(guān)工作的主要手段。而不可否認(rèn)的是，無人機(jī)巡檢技術(shù)在架空輸電線路相關(guān)工作中仍舊有很大的發(fā)展空間，因此為了解技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用現(xiàn)狀，有必要分析其研究進(jìn)展。

一、無人機(jī)的控制巡檢技術(shù)

無人機(jī)的飛控系統(tǒng)是相當(dāng)精密的，它所建立的無人機(jī)平臺(tái)擁有分系統(tǒng)，其中包含了大量的飛控計(jì)算機(jī)核心組件，其性能優(yōu)劣與整個(gè)飛控系統(tǒng)的性能關(guān)存在直接關(guān)聯(lián)關(guān)系。一般來說，無人機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)性能表現(xiàn)都十分強(qiáng)勁，如此才能保障無人機(jī)安全穩(wěn)定飛行。在這里，飛控系統(tǒng)就承擔(dān)了兩大重要責(zé)任：信息采集以及無人機(jī)飛行參數(shù)傳輸，它們合理有序控制了無人機(jī)的飛行速率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行路線的有針對(duì)性解算與控制，基于路線相關(guān)模塊發(fā)送指令，完成飛行任務(wù)管理與調(diào)度工作內(nèi)容。

在無人機(jī)進(jìn)行架空輸電線路巡檢過程中，它主要運(yùn)用到了多余度飛控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足無人機(jī)飛行需求，建立多部件與系統(tǒng)協(xié)調(diào)體系，確保在統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)制背景下完成同一任務(wù)內(nèi)容。在建立余度結(jié)構(gòu)過程中，還需要對(duì)架空輸電線路中的二余度、三余度內(nèi)容進(jìn)行分析，保證順利完成巡檢任務(wù)。而在架空輸電線路巡檢過程中，無人機(jī)主要利用飛控計(jì)算機(jī)建立雙余度結(jié)構(gòu)，如此可保證簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，實(shí)施針對(duì)監(jiān)控輸電線路巡檢過程中的主從機(jī)控制，降低系統(tǒng)故障覆蓋率。在設(shè)計(jì)這一雙余度結(jié)構(gòu)過程中還需要建立與架空輸電線路的交聯(lián)環(huán)境，調(diào)整無人機(jī)的飛控方式，檢測(cè)區(qū)域環(huán)境復(fù)雜程度，對(duì)巡檢過程進(jìn)行人工決策優(yōu)化調(diào)整，采用自主控制方式來盡量減少巡檢工作中的諸多不確定性因素。在巡檢技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)該利用無人機(jī)建立巡檢動(dòng)態(tài)建模與代理信息模式，提高無人機(jī)巡檢效率。

二、架空輸電線路無人機(jī)巡檢關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

（一）自主巡檢技術(shù)

自主巡檢技術(shù)是架空輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)研究中的重點(diǎn)課題，該項(xiàng)技術(shù)在理論上能夠讓無人機(jī)自主飛行、運(yùn)作，基本可以擺脫人工。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知，可以使用激光雷達(dá)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高精度定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢，其中激光雷達(dá)技術(shù)能夠自動(dòng)獲取飛行線路的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由此能對(duì)飛行線路進(jìn)行規(guī)劃，而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高精度定位技術(shù)能夠?qū)o人機(jī)實(shí)際飛行路線進(jìn)行控制，確保無人機(jī)飛行路線與規(guī)劃路線吻合。

現(xiàn)實(shí)情況中自主巡檢技術(shù)尚處于研究階段，因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)的實(shí)施涉及無人機(jī)飛行時(shí)的航高、坐標(biāo)、慣性等多種不確定的因素，所以該項(xiàng)技術(shù)在目前研究中的成本會(huì)比較高。同時(shí)，無人機(jī)在對(duì)架空輸電線路進(jìn)行巡檢時(shí)要考慮到桿塔巡檢的精細(xì)程度，而激光雷達(dá)技術(shù)在這方面還不夠成熟，無法投入實(shí)際運(yùn)用，這是該項(xiàng)技術(shù)未來的研究方向。此外，自主巡檢技術(shù)還有很多待研究的點(diǎn)，如無人機(jī)續(xù)航問題、地面工作站巡檢任務(wù)采集功能等，這些問題不但尚未解決，也沒有產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的技術(shù)，這也是后續(xù)需要研究的重點(diǎn)[2]。

（二）作業(yè)安全管控

無人機(jī)巡檢技術(shù)在任何應(yīng)用領(lǐng)域中都需要得到安全管控，這一點(diǎn)在架空輸電線路巡檢中更加重要，稍有不慎是可能損害電路的，甚至?xí)鹨恍?zāi)害。針對(duì)安全管控問題，現(xiàn)代無人機(jī)巡檢技術(shù)都是嚴(yán)格依照國(guó)家提出的安全作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施的，此舉確實(shí)大幅提升了技術(shù)實(shí)施的安全性，但也導(dǎo)致無人機(jī)巡檢技術(shù)的功效未能充分發(fā)揮。

這一條件下，為了同時(shí)兼顧作業(yè)安全管控與無人機(jī)應(yīng)用價(jià)值的充分發(fā)揮，國(guó)內(nèi)相關(guān)組織通過研發(fā)得出了無人機(jī)可視化綜合管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備無人機(jī)視頻實(shí)時(shí)回傳、無人機(jī)實(shí)時(shí)管理、遠(yuǎn)程操控等功能，能讓無人機(jī)在巡檢中保持良好的安全性。但該系統(tǒng)提出的時(shí)間比較短，只適用于型號(hào)特定的無人機(jī)上，且此類無人機(jī)一般不滿足架空輸電線路巡檢要求。同時(shí)，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)公司還在2017 年研發(fā)提出過無人機(jī)巡檢作業(yè)飛行數(shù)據(jù)記錄器、無人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)模塊，借助記錄器與業(yè)務(wù)模塊能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢作業(yè)全過程監(jiān)管、且沒有明顯的缺陷，因此記錄器與業(yè)務(wù)模塊至今仍在沿用，其主要研發(fā)方向是完善兩者功能。

（三）問題識(shí)別技術(shù)

在相對(duì)較早的無人機(jī)巡檢技術(shù)應(yīng)用中可知，架空輸電線路巡檢人員一般是操作無人機(jī)，利用無人機(jī)搭載的攝像設(shè)備對(duì)線路局部進(jìn)行拍攝，隨后人工對(duì)拍攝圖像進(jìn)行分析，最終得出判斷結(jié)果，確認(rèn)問題位置、類型、規(guī)模等。這種方式確實(shí)行之有效，但依舊依賴人工，在人工不穩(wěn)定性的影響下有可能作出錯(cuò)誤判斷，同時(shí)無人機(jī)拍攝圖像存在清晰度等方面的缺陷，人工不一定能作出判斷。因此，在現(xiàn)代無人機(jī)巡檢技術(shù)研發(fā)中提出了問題識(shí)別技術(shù)概念，該項(xiàng)技術(shù)主要就是讓無人機(jī)系統(tǒng)具備自主判斷問題的能力，根據(jù)當(dāng)前研究成果可知，該項(xiàng)技術(shù)已初具雛形，即近些年國(guó)家電網(wǎng)公司在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、大數(shù)據(jù)和圖像識(shí)別技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了問題識(shí)別技術(shù)，使得無人機(jī)系統(tǒng)能夠自動(dòng)分析架空輸電線路上的問題，并生成巡檢報(bào)告，免去了人工分析的環(huán)節(jié)。

該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)時(shí)間很短，目前還存在很多缺陷：?jiǎn)栴}識(shí)別中，有相當(dāng)一部分問題還無法被量化判定，現(xiàn)在使用的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在識(shí)別問題時(shí)容易受問題類型相似性干擾，最終出現(xiàn)誤判，如絕緣子問題識(shí)別中，假設(shè)絕緣子上有明顯污跡，算法就會(huì)根據(jù)污跡是否存在、污跡存在位置特征來進(jìn)行判斷，這時(shí)絕緣子附近的污跡也可能被列入算法范圍，受非絕緣子上的污跡影響，算法可能會(huì)認(rèn)為絕緣子上存在污跡，需要進(jìn)行清理，此類現(xiàn)象還有很多，說明該項(xiàng)技術(shù)有待完善；問題分類。即為了保障問題識(shí)別技術(shù)能順利實(shí)施，電科院對(duì)架空輸電線路的常見問題進(jìn)行了分類，大體包括桿塔、導(dǎo)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、附屬設(shè)施，這是問題識(shí)別技術(shù)的實(shí)施基礎(chǔ)，技術(shù)系統(tǒng)可借助缺陷算法來進(jìn)行分類判斷。但在相關(guān)實(shí)踐測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的缺陷算法還不夠完善，尤其在效率與準(zhǔn)確性上不達(dá)標(biāo)，這也說明問題識(shí)別技術(shù)還有待研究。

三、無人機(jī)避障巡檢技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

當(dāng)然，無人機(jī)還具備超聲波測(cè)距、雙目測(cè)距技術(shù)以及激光雷達(dá)測(cè)距三大測(cè)距技術(shù)，就以雙目視覺測(cè)距技術(shù)為例，它的主要測(cè)距原理是視差技術(shù)。無人機(jī)擁有自己的視覺系統(tǒng)，它其中設(shè)置了基于感應(yīng)器的雙目攝像機(jī)，合理利用雙目視覺技術(shù)從不同角度對(duì)同一景物進(jìn)行分析，瞬間動(dòng)態(tài)獲取兩幅數(shù)字圖像，構(gòu)成一套完整的單獨(dú)三角形體系，結(jié)合單攝與雙攝像機(jī)位置差距分析公共障礙物三維尺度，并深度了解其空間特征與三維坐標(biāo)，建立景物三維形狀體系，最終完成對(duì)障礙物三維模型的構(gòu)建。整個(gè)過程中，無人機(jī)的雙目攝像機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像信息的完整采集，準(zhǔn)確測(cè)量物體距離無人機(jī)攝像機(jī)雙目之間的直線距離，目前該技術(shù)已經(jīng)被靈活應(yīng)用于無人機(jī)架空輸電線路巡檢工作中，它的避障效率高，雙目視覺測(cè)距原理成熟，可為架空輸電線路日常巡檢提供安全保障。

四、無人機(jī)巢-巢巡檢技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

（一）巢-巢巡檢技術(shù)模式的實(shí)踐應(yīng)用

巢-巢巡檢技術(shù)模式屬于無人機(jī)巡檢工作中的新技術(shù)模式，它可在有條件背景下完成變電站架空輸電線路的遠(yuǎn)程巡檢工作，主要操作就是針對(duì)遠(yuǎn)程架空輸電線路發(fā)送管控指令，建立遠(yuǎn)程無人自主巡檢模式。該模式中除采用到無人機(jī)巡檢技術(shù)以外，還采用到人工智能AI 圖像識(shí)別技術(shù)、5G 通信技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)等等先進(jìn)技術(shù)內(nèi)容，是典型的無人機(jī)智慧巡檢模式。

巢-巢巡檢技術(shù)體系就建立了無人機(jī)機(jī)巢與后臺(tái)管控中心巢之間的相互連帶體系，而其中則利用無人機(jī)完成自動(dòng)化、智能化巡檢過程，所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容都通過無線數(shù)據(jù)傳輸完成，最后再采用深度學(xué)習(xí)人工智能圖像識(shí)別技術(shù)有效解決數(shù)據(jù)自動(dòng)智能分析相關(guān)問題。而多傳感器技術(shù)在巡檢工作過程中則起到了解決遠(yuǎn)程精準(zhǔn)起降等關(guān)鍵技術(shù)問題。

（二）巢 - 巢巡檢技術(shù)模式的創(chuàng)新要點(diǎn)

巢 - 巢巡檢技術(shù)模式中存在諸多創(chuàng)新技術(shù)要點(diǎn)，下文將展開逐一闡述。（1）建立無人機(jī)平臺(tái)，該平臺(tái)被稱之為無人機(jī)后臺(tái)，它能夠全方位長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人機(jī)值守機(jī)場(chǎng)，即監(jiān)控“機(jī)巢”，而同時(shí)它也能同步監(jiān)控中央控制系統(tǒng)與無人機(jī)本體。（2）建立了機(jī)巢配備充電樁，該充電樁可與氣象站、數(shù)據(jù)傳輸模塊等等之間形成聯(lián)動(dòng)，保證自動(dòng)充電、氣象監(jiān)控功能實(shí)施到位。同時(shí)它也建立了安全防護(hù)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可保證機(jī)巢與后臺(tái)控制中心隨時(shí)通信，建立數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸功能體系。（3）建立了中央控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是發(fā)射遠(yuǎn)程指令的關(guān)鍵系統(tǒng)。系統(tǒng)可控制無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開機(jī)、起飛、遵循已制定好航線完成自主飛行拍照，巡線完畢后自動(dòng)精準(zhǔn)降落。當(dāng)然，系統(tǒng)還可幫助無人機(jī)充電，控制云端數(shù)據(jù)智能化分析與處理過程，最終處理過成果會(huì)自動(dòng)上傳到后臺(tái)管控中心平臺(tái)上。（4）為無人機(jī)建立了保姆式的管理平臺(tái)，合理監(jiān)控每次無人機(jī)的充能充電過程，它為無人機(jī)內(nèi)置了微型PC 系統(tǒng)以及5G 通信模塊，可構(gòu)建5G 遠(yuǎn)程控制體系，確保無人機(jī)在傳輸數(shù)據(jù)過程中也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充能，隨時(shí)準(zhǔn)備投入到架空輸電線路巡線工作中。（5）為無人機(jī)建立了圖像識(shí)別模塊，該模塊主要基于深度人工智能AI 系統(tǒng)建立智能識(shí)別體系，有效解決無人機(jī)可能存在的數(shù)據(jù)自動(dòng)智能分析缺陷問題。這主要還是因?yàn)槟K中運(yùn)用到了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像自動(dòng)識(shí)別軟件的優(yōu)化調(diào)整，確保無人機(jī)在電力巡檢過程中有效處理圖像，快速識(shí)別圖像中的某些目標(biāo)內(nèi)容，建立目標(biāo)智能化識(shí)別計(jì)算體系。整體來講，圖像識(shí)別模塊是基于“端對(duì)端”特征展開的，它所處理的數(shù)據(jù)都是非線性數(shù)據(jù)，應(yīng)用非常靈活。

五、結(jié)語

針對(duì)架空輸電線路的巡檢工作需要采用到無人機(jī)巡檢安全技術(shù)，該技術(shù)所建立的系統(tǒng)規(guī)模龐大，技術(shù)內(nèi)容豐富，可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)過程，提高架空輸電線路整體巡檢工作效率。