輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)概述

祝一帆，王強，項興堯，袁雪珺

(國網(wǎng)湖北省電力有限公司十堰供電公司，湖北 十堰 442000)

1 引言

我國幅員遼闊，為保證全國各地的可靠供電，需建設(shè)較多的高壓輸電線路。而線路巡檢是保證高壓輸電線路正常運行的重要手段，對我國電力的可持續(xù)供應(yīng)和經(jīng)濟的安全、快速發(fā)展具有重要意義。最近十幾年，隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，架設(shè)的高壓輸電線路越來越多。在這種背景下，如果采用傳統(tǒng)的人工巡檢模式巡檢數(shù)量如此之多的高壓輸電線路，將會不可避免地存在著作業(yè)強度大、巡檢周期長、部分線路檢修危險等問題。近年來，國家電網(wǎng)公司積極引進無人機智能巡檢技術(shù)，提升高壓輸電線路巡檢工作的自動化程度，改進巡檢工作模式，以期實現(xiàn)高壓輸電線路的精確、高效、經(jīng)濟巡檢。

目前，無人機智能巡檢技術(shù)已應(yīng)用于國家電網(wǎng)公司日常的高壓輸電線路巡檢工作中。通常采用的巡檢工作模式是人工巡檢和無人機巡檢的結(jié)合體[1-3]。隨著無人機巡檢技術(shù)的逐步推廣，隨之也產(chǎn)生了一些新的問題，阻礙了該項技術(shù)在高壓輸電線路巡檢領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。這些問題主要分為:(1)巡檢產(chǎn)生的海量圖像需要后期人工處理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的處理效率較低；(2)巡檢工作人員需要較高的無人機相關(guān)技能，而現(xiàn)階段的專業(yè)無人機巡檢人員較少，且其培訓(xùn)成本較高、培養(yǎng)周期較長；(3)無人機持續(xù)巡航的時間較短，其難以完成持續(xù)周期較長的輸電線路巡檢任務(wù)；(4)還沒有成熟、標(biāo)準的無人機巡檢方法和規(guī)程，因而當(dāng)前的輸電線路無人機巡檢工作的安全性和可靠性難以有效的保障。

針對上述問題，本文首先介紹了現(xiàn)有輸電線路智能巡檢無人機的基本結(jié)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了無人機的工作模式和特點；其次，指出了現(xiàn)有輸電線路無人機巡檢技術(shù)尚存在的智能化需求，繼而引出了其存在的四個尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題:巡檢數(shù)據(jù)智能處理、無人機自主巡航、無人機續(xù)航和無人機智能巡檢方法與規(guī)程。為此，探討了其潛在的解決方案，可為輸電線路無人機巡檢技術(shù)的相關(guān)研究提供一些有益參考。

2 輸電線路無人機智能巡檢現(xiàn)狀

無人機智能巡檢技術(shù)是一種由飛手遠程操控?zé)o人機，通過機載傳感設(shè)備對架空高壓輸電線路進行巡查和檢修的技術(shù)[1]。根據(jù)無人機機體結(jié)構(gòu)的不同，可將無人機分為無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機和復(fù)合翼無人機[2]。其中，無人直升機體積較大，控制難度和使用成本較高，已很少應(yīng)用于輸電線路巡檢中；多旋翼無人機小巧靈活，可垂直起降、精準懸停，但它可承受的負載較小，機動性和飛行高度較低，且續(xù)航時間較短；固定翼無人機巡航速度較快，且續(xù)航時間長，但需要跑道起降，也無法懸停[3]；結(jié)合了多旋翼和固定翼的復(fù)合翼無人機兼具多旋翼和固定翼無人機的優(yōu)勢，但其成本較高，尚未在高壓輸電線路巡檢中使用。

在輸電線路無人機巡檢中，無人機是承載監(jiān)測輸電線路運行狀態(tài)遙感設(shè)備的平臺。常用的遙感檢測手段包括可見光成像、紫外成像、紅外熱成像、激光雷達電能等[4]。其中，可見光遙感檢測利用相機等可見光采集設(shè)備，檢查肉見可見的輸電線路及其附屬電力設(shè)備的特性和性質(zhì)變化，已被廣泛應(yīng)用輸電線路無人機巡檢工作中；紫外遙感檢測主要利用紫外遙感設(shè)備，檢測輸電線路和電力設(shè)備是否發(fā)生電暈放電或局部閃絡(luò)的現(xiàn)象。由于成本較高，紫外遙感檢測尚未在輸電線路無人機巡檢中被廣泛使用；紅外遙感檢測主要利用紅外熱像儀等設(shè)備，檢測運行中的電力設(shè)備是否出現(xiàn)過熱缺陷的現(xiàn)象；激光雷達檢測主要用于輸電線路的地理信息測繪和定位導(dǎo)航中[5]。

無人機在巡檢輸電線路的過程中，會拍攝大量的輸電線路和附屬電力設(shè)備的圖片數(shù)據(jù)。由于這些圖片的智能處理還處于研究階段，后期還是需要人工處理。此外，現(xiàn)有輸電線路巡檢無人機還不能做到完全自主巡檢，巡檢質(zhì)量嚴重依賴的無人機巡檢人員專業(yè)水平。

3 輸電線路無人機智能巡檢存在的關(guān)鍵問題

從上述分析可知，要實現(xiàn)輸電線路無人機的智能巡檢，還需要解決巡檢數(shù)據(jù)智能處理、無人機自主巡航、無人機續(xù)航和無人機智能巡檢方法與規(guī)程等四個核心問題。

3.1 圖像數(shù)據(jù)處理

無人機巡檢圖像數(shù)據(jù)主要來源于光學(xué)影像數(shù)據(jù)和激光雷達點云數(shù)據(jù)。其中，激光雷達點云數(shù)據(jù)的處理已具有較高的智能自動化處理水平，應(yīng)用商業(yè)軟件再加上少量的人工干預(yù)即可。而光學(xué)影像數(shù)據(jù)，包括可見光影像、紅外影像等數(shù)據(jù)的智能化處理尚不成熟，還在處在初步研究階段。

目前，可將光影像數(shù)據(jù)智能化處理是輸電線路無人機巡檢圖像處理領(lǐng)域的熱門研究方向。傳統(tǒng)的電力設(shè)備圖像數(shù)據(jù)處理方法是基于人工設(shè)計特征提取的機器學(xué)習(xí)圖像目標(biāo)檢測方法[6]。然而，該方法存在檢測對象單一的問題，且存在漏檢、錯檢的風(fēng)險。在輸電線路巡檢中，有將近900多種常規(guī)缺陷，并且電力設(shè)備的型號眾多，設(shè)備之間外形差異較大，基于上述傳統(tǒng)圖像處理方法僅能檢測單一或少數(shù)幾種電力設(shè)備，缺乏基本的通用性和較高的可靠性，因而實際工程應(yīng)用價值較低[7]。隨著計算機性能的不斷提升和智能算法的不斷發(fā)展，有學(xué)者提出可建立大型的數(shù)據(jù)集，將深度學(xué)習(xí)算法引入輸電線路無人機巡檢圖像的數(shù)據(jù)處理中。從現(xiàn)有研究來看，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在該領(lǐng)域中確實具有更大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿8]。但是，目前還難以建立起比較完善的數(shù)據(jù)集，制約了深度學(xué)習(xí)技術(shù)在輸電線路無人機巡檢圖像數(shù)據(jù)智能處理中的發(fā)展。未來可通過不同單位和公司的合作方式，建立完善的電力設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)集，將深度學(xué)習(xí)技術(shù)的優(yōu)勢在無人機巡檢圖像數(shù)據(jù)智能處理中的優(yōu)勢發(fā)揮出來。

3.2 無人機自主巡航

無人機自主巡航是輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)的核心組成部分。其巡航的區(qū)域主要分為塔間區(qū)域和近塔區(qū)域。目前，輸電線路無人機巡檢并不具備自主或自動巡檢能力，通常采用的方式是:人工預(yù)先設(shè)定運行的軌跡，然后基于GPS按預(yù)定軌跡飛行。該方法存在明顯的不足:(1)無法適應(yīng)檢測目標(biāo)或者周圍環(huán)境隨時間可能發(fā)生的變化，容易發(fā)生安全事故。例如，當(dāng)樹木生長至輸電線路附近時，無人機有較大可能撞上樹木，造成無人機墜毀。(2)該方法對無人機定位的精度有著較高的要求。然而，常用的民用無人機 GPS的定位誤差可高達10m。雖然利用載波相位差分技術(shù)能克服這一問題，但是該技術(shù)需要建立較多的基站，以覆蓋輸電線路所處的較為廣闊的范圍，因而將該項技術(shù)應(yīng)用于輸電線路無人機自主巡航的成本太高，并不切合工程實際[6]。

目前，機器視覺技術(shù)是解決上述問題的潛在解決方式，也成為了該領(lǐng)域的研究熱點。此外，采用GPS和機器視覺輔助技術(shù)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是輸電線路無人機智能巡檢的未來發(fā)展趨勢。

3.3 無人機續(xù)航

無人機續(xù)航能力不足是輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)中存在的另一關(guān)鍵問題，已嚴重制約了輸電線路巡檢的效率。目前，無人機續(xù)航時間通常為30min左右。為解決無人機的續(xù)航問題，部分地區(qū)已開始采用了設(shè)置無人機機巢的方法。無人機機巢主要有巡檢車改裝而成的移動式機巢和固定于桿塔頂部的固定式機巢。其中，移動式機巢可在一定程度上提高無人機巡檢的續(xù)航時間，但并不適應(yīng)無人機自主巡航的發(fā)展趨勢，并且人工、維護等成本較高；而固定式機巢僅需少量的人工干預(yù)，更加契合無人機自主巡檢的要求，因而具有較好的應(yīng)用前景。然而，如何將固定式機巢完備地融合于輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)中，還有諸多技術(shù)難點需要攻克。

此外，對無人機進行動態(tài)充能是一種更加理想的解決方案。通常這種方式，可直接提高無人機的續(xù)航能力，但也存在著一些需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。例如，供能端如何獲取能量問題、供能的穩(wěn)定性如何保證問題、供能存在的其他風(fēng)險如何避免問題等。利用輸電線路電磁場為無人機動態(tài)充能也是一種潛在方案，但目前還處于探索階段。

3.4 無人機巡檢方法和規(guī)程

當(dāng)前，輸電線路無人機巡檢作業(yè)仍處于試驗階段，相關(guān)方法和技術(shù)并不成熟，整個巡檢作業(yè)流程尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范。根據(jù)傳統(tǒng)的巡檢方法和現(xiàn)有的巡檢經(jīng)驗，可將輸電線路無人機巡檢作業(yè)按照巡檢內(nèi)容主要分為線路本體、附屬設(shè)施、通道及電力保護區(qū)三大部分。在無人機巡檢作業(yè)中，涉及人員配備、作業(yè)前準備、無人機準備、巡線工作、圖像視頻傳輸、圖像處理等多個步驟。提出一種標(biāo)準、規(guī)范的輸電線路無人機智能巡檢方法和規(guī)程是應(yīng)用輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)的關(guān)鍵一步，其相關(guān)研究可與上述其他三個關(guān)鍵問題的研究同步進行。

4 結(jié)論

本文概述了輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了這項技術(shù)的工作模式和特點，分析了輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)的技術(shù)需求，引出了其存在的四個尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，并針對這些關(guān)鍵問題，探討了潛在的解決方案，也對未來輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)發(fā)展進行了展望，可為輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)的快速發(fā)展和相關(guān)研究一定的有益參考。