配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)分析

廣東電網(wǎng)公司廣州天河供電局 任 杰

近幾年來(lái)伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)以及相應(yīng)的機(jī)器視覺技術(shù)都得到了突破性的研發(fā)和推廣，這些技術(shù)設(shè)備可以模仿人類視覺功能，對(duì)各類事務(wù)進(jìn)行分辨和數(shù)據(jù)收集。無(wú)人機(jī)設(shè)備中運(yùn)用了光學(xué)裝置和傳感器，可以獲得客觀環(huán)境中的各類具體圖像，進(jìn)而感知事物變化。傳感器可以將所收集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)這些客觀事物進(jìn)行智能化的理解與辨析。

配電網(wǎng)架空線路會(huì)因故障而導(dǎo)致一定規(guī)模停電，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、用戶投訴壓力大，所以需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)架空線路安全隱患和技術(shù)缺陷，并采取有效的處理措施，防患于未然。應(yīng)用無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)，對(duì)配電網(wǎng)架空線路進(jìn)行定期巡檢有著十分重要的意義。

1 無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)工作原理及功能

配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、圖像采集技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及光源于一身的視覺巡檢系統(tǒng)。攝像機(jī)和圖像采集系統(tǒng)能夠在光源的支持下進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的收集與拍攝，而圖像處理技術(shù)則需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)所收集到的圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能化的處理。無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)實(shí)際上就是將各類成像設(shè)備人工智能技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀事物數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取、收集、傳輸、分析、處理和存儲(chǔ)，整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)會(huì)通過檢測(cè)配電網(wǎng)架空線路典型特征信息，對(duì)配電網(wǎng)架空線路位置、狀態(tài)、形狀、物理屬性等各類信息進(jìn)行分辨識(shí)別。該技術(shù)是以數(shù)據(jù)處理為核心，包含數(shù)據(jù)采集、圖像處理以及智能處理等工作模塊[1]。

由無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)所組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為四個(gè)功能部分，分別為數(shù)據(jù)收取功能、地面控制功能、通信功能、數(shù)據(jù)處理功能。

數(shù)據(jù)收取功能。需根據(jù)配電網(wǎng)架空線路巡檢任務(wù)要求選擇不同類型的技術(shù)與設(shè)備。如，在日間開展快速巡檢工作，可以選擇使用小型固定翼無(wú)人機(jī)；而針對(duì)配電網(wǎng)架空桿塔進(jìn)行紫外線和紅外線巡檢時(shí)，為了保證巡檢結(jié)果的高精度性，需要選擇使用技術(shù)層次更高的、能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定飛行姿態(tài)的大型多旋翼無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)上攜帶數(shù)碼相機(jī)、紫外線成像儀和紅外線成像儀能夠更好的滿足巡檢任務(wù)要求。

地面控制功能。主要是指工作人員所依賴的功能系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行控制，包括領(lǐng)航、數(shù)據(jù)收取、飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等，同時(shí)該系統(tǒng)也能夠?qū)o(wú)人機(jī)在巡檢過程中所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。

通信功能。是指構(gòu)建無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)通信聯(lián)系的系統(tǒng)體系，包括監(jiān)控站、信號(hào)接收和發(fā)送設(shè)備通信中繼設(shè)備等，它連接的是無(wú)人機(jī)與人之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，可以保障無(wú)人機(jī)維持可靠的通信。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)必須能夠保障無(wú)人機(jī)服從命令、準(zhǔn)確到達(dá)定點(diǎn)位置，并且可以支持無(wú)人機(jī)各項(xiàng)工作狀態(tài)。為了保障無(wú)人機(jī)巡檢過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率，通信系統(tǒng)會(huì)有一定的指標(biāo)要求，目前普遍認(rèn)為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的速率至少能夠達(dá)到4到8Mbps 之間，而且這一速率越快越好，以此來(lái)保證實(shí)時(shí)拍攝效果，使工作人員可以及時(shí)的了解到無(wú)人機(jī)的飛行狀況和巡檢現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況[2]。

數(shù)據(jù)處理功能。是指當(dāng)無(wú)人機(jī)完成巡檢任務(wù)后會(huì)獲得大量的數(shù)據(jù)信息，該系統(tǒng)將對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行后期的處理與存儲(chǔ)，處理的方式是預(yù)處理和幾何處理，將結(jié)合光學(xué)原理，紫外線、紅外線等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)架空線路在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的三維可視化。在三維可視化圖上，可以展現(xiàn)出配電網(wǎng)架空線路的特點(diǎn)以及實(shí)際的運(yùn)行情況。在地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，會(huì)有人工智能功能和模糊辨識(shí)功能，可以對(duì)配電網(wǎng)架空線路所出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行快速的辨識(shí)，以此來(lái)幫助工作人員精準(zhǔn)、高效率的定位配電網(wǎng)架空線路的安全隱患，能夠?qū)€路所存在的風(fēng)險(xiǎn)故障進(jìn)行自動(dòng)排查。

2 配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)自主巡檢路徑設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)總設(shè)計(jì)，首先是利用無(wú)人機(jī)圖像拍攝功能和數(shù)據(jù)傳輸功能等方式來(lái)獲取配電網(wǎng)架空線路圖像信息，然后對(duì)這些圖像信息進(jìn)行一系列的處理。具體功能模塊包括圖像采集、圖像預(yù)處理、缺陷分割、缺陷存儲(chǔ)、缺陷圖像分類識(shí)別。具體的工作流程包括：地面控制中心獲得由無(wú)人機(jī)傳送的圖像數(shù)據(jù)后會(huì)對(duì)這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分類識(shí)別和缺陷判別之后，對(duì)所發(fā)現(xiàn)的缺陷問題進(jìn)行定位，同時(shí)也會(huì)將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)端將對(duì)缺陷圖像進(jìn)行進(jìn)一步的讀取，并將其展現(xiàn)給工作人員。

2.1 配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)總設(shè)計(jì)

為了發(fā)揮出無(wú)人機(jī)所具備的精細(xì)化巡檢優(yōu)勢(shì)，需要在無(wú)人機(jī)上搭載高精度的定位裝置，目前廣州地區(qū)普遍應(yīng)用的為RTK 或北斗定位裝置，輔助無(wú)人機(jī)可以在復(fù)雜的地理環(huán)境或氣候環(huán)境下，仍然保持較為精準(zhǔn)的定位能力，必要時(shí)補(bǔ)充手持基站，這也將保障無(wú)人機(jī)自主航行時(shí)的線路準(zhǔn)確性，同時(shí)高精度定位裝置也將配合云平臺(tái)控制保障無(wú)人機(jī)的拍攝可以維持最佳的朝向精度。巡檢路徑規(guī)劃上要求無(wú)人機(jī)需要對(duì)配電網(wǎng)架空線路每一個(gè)基桿塔進(jìn)行逐一的巡檢，會(huì)自動(dòng)記錄自己的飛行路線，以此來(lái)幫助云臺(tái)控制系統(tǒng)以及相關(guān)的工作人員獲取無(wú)人機(jī)飛行路徑[3]。

這項(xiàng)工作會(huì)與配電網(wǎng)架空線路基桿塔巡檢數(shù)據(jù)記錄同步進(jìn)行。根據(jù)以往的飛行數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)人機(jī)自主巡檢路徑進(jìn)行規(guī)劃一般包括五個(gè)流程：關(guān)鍵位置點(diǎn)的獲取（點(diǎn)云采集）、路徑的整理、點(diǎn)位的核查、多基點(diǎn)規(guī)劃和定點(diǎn)重拍。路徑整理要求對(duì)路徑點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理記錄，刪除位置不恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)位，按照空間距離和角度要求對(duì)路徑點(diǎn)科學(xué)性進(jìn)行判斷，如果水平距離小于半米而高度相等則應(yīng)將該點(diǎn)位刪除。點(diǎn)位的核查將采取部分測(cè)點(diǎn)校對(duì)的方式，通過進(jìn)行實(shí)地測(cè)飛來(lái)保障所收集到的路徑點(diǎn)位置，準(zhǔn)確計(jì)算點(diǎn)與點(diǎn)的位置關(guān)系，確保路徑點(diǎn)位置關(guān)系恰當(dāng)。多基點(diǎn)規(guī)劃要求將多基桿塔的連接設(shè)置出一定的算法邏輯，每一個(gè)連接點(diǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)互相通訊，連接點(diǎn)可以將單機(jī)桿塔的巡檢路徑連起來(lái)，并且構(gòu)建器整體巡檢路線。

2.2 配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)自主巡檢路徑分析

2.2.1 利用北斗定位系統(tǒng)的巡檢路徑分析

為了能夠發(fā)揮出無(wú)人機(jī)的精細(xì)化巡檢功能，進(jìn)而獲得更為精準(zhǔn)的路徑點(diǎn)，可以在無(wú)人機(jī)上加裝RTK 差分技術(shù)功能，配合使用高精度定位設(shè)備，這樣就可以使無(wú)人機(jī)巡檢平臺(tái)在復(fù)雜的環(huán)境下也能夠保持較為穩(wěn)定的定位能力和高可靠度的航向，同時(shí)在高精度云臺(tái)的控制引導(dǎo)下，無(wú)人機(jī)相機(jī)將可以拍攝到質(zhì)量較高的圖像，進(jìn)而幫助工作人員獲得高精度朝向數(shù)據(jù)。利用無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)，在逐塔采集架空線路中，每一個(gè)基塔所獲得的信息都將在一定范圍內(nèi)記錄下無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，以及無(wú)人機(jī)的飛行路徑，此時(shí)系統(tǒng)也將自動(dòng)填寫好單基桿塔所獲得的采集信息和相應(yīng)的拍攝信息。利用這些飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，需要從五個(gè)流程中開始逐步落實(shí)：路徑點(diǎn)的收集、路徑點(diǎn)位的整理、路徑點(diǎn)的檢查、多基點(diǎn)分類、定點(diǎn)重復(fù)拍攝。

路徑點(diǎn)的收集：利用我國(guó)北斗衛(wèi)星高精度定位系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人機(jī)的行動(dòng)路徑進(jìn)行精細(xì)規(guī)劃，遇到明顯的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)時(shí)，可以將其視為路徑點(diǎn)的補(bǔ)充，收集各個(gè)點(diǎn)位之間的連接點(diǎn)、降落點(diǎn)、起飛點(diǎn)等位置，并以此作為多基路徑點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

路徑點(diǎn)位的整理：該環(huán)節(jié)主要是整理已經(jīng)記錄好的路徑點(diǎn)數(shù)據(jù)，此時(shí)需要將距離過近，點(diǎn)位不恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行刪除，同時(shí)也要關(guān)注偏離度過高的點(diǎn)位，必要的情況下也可以刪除。根據(jù)立體空間距離和角度關(guān)系，來(lái)科學(xué)判斷該點(diǎn)位是否值得保留。如，如果水平距離低于半米、高度一致且夾角大于25度小于45度時(shí)，這個(gè)點(diǎn)位便可以刪除。總而言之，需要堅(jiān)持的點(diǎn)位規(guī)劃原則是保證距離的恰當(dāng)性和夾角偏離度較低性。

路徑點(diǎn)的檢查：對(duì)各個(gè)路徑點(diǎn)進(jìn)行抽樣校驗(yàn)核對(duì)，通過實(shí)地飛行的方式進(jìn)行測(cè)量核準(zhǔn)，以這種方式來(lái)確保路徑點(diǎn)位的科學(xué)合理。計(jì)算各個(gè)點(diǎn)位之間的相對(duì)關(guān)系和位置距離，要確定路徑點(diǎn)位的相對(duì)關(guān)系準(zhǔn)確，添加路徑點(diǎn)的詳細(xì)說(shuō)明，以此來(lái)為后續(xù)工作中對(duì)于點(diǎn)位識(shí)別的精細(xì)度要求提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

多基點(diǎn)分類：該項(xiàng)工作流程需要設(shè)置出科學(xué)的計(jì)算方式，將各個(gè)基桿塔的連接方式以順次的方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，連接點(diǎn)主要是指單基塔在巡檢路徑中的各個(gè)能夠互相通視的點(diǎn)位，這樣各個(gè)連接點(diǎn)就可以將單基桿塔的巡檢路徑以點(diǎn)和線的方式連接起來(lái)，形成多基桿塔的整體性的巡檢路線圖，將無(wú)人機(jī)所有的起飛點(diǎn)和降落點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，并形成統(tǒng)一管理的路線圖。

2.2.2 關(guān)于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃算法分析

在以上的路徑規(guī)劃過程中，為了提高無(wú)人機(jī)智能巡檢路徑規(guī)劃的自由度和靈活性，可以采取基于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)配電線路巡檢路徑規(guī)劃算法，以及自主巡檢方法中的路徑規(guī)劃算法，以此來(lái)確定需要進(jìn)行路徑規(guī)劃的基桿塔，并對(duì)用戶所選擇使用的桿塔進(jìn)行整合分類。如，將連續(xù)的桿塔命名為A，將跨度較小的桿塔命名為B，將跨度較大的桿塔命名為C，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)按照各自的邏輯進(jìn)行編碼和計(jì)算。

3 配電網(wǎng)架空線路無(wú)人機(jī)自主巡檢工作程序

3.1 執(zhí)行任務(wù)

當(dāng)無(wú)人機(jī)開始執(zhí)行自主巡檢任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)的控制需要遵循自主巡檢控制方案和安全保障策略，工作人員需要攜帶無(wú)人機(jī)到達(dá)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，并以云端下載的方式自動(dòng)生成巡檢路線。工作人員確保巡檢路線已完全加載之后，便可點(diǎn)擊起飛按鍵開始，針對(duì)目標(biāo)區(qū)域的巡檢工作，無(wú)人機(jī)將在預(yù)制好的機(jī)場(chǎng)位置自動(dòng)起飛，并按照自主巡檢控制方案所設(shè)定的周期和對(duì)象，開始進(jìn)行逐一的自主巡檢拍照工作，所采集到的數(shù)據(jù)信息會(huì)回傳給控制平臺(tái)，以此來(lái)完成無(wú)人機(jī)在高壓配電網(wǎng)架空線路中的自主巡檢工作任務(wù)[4]。

3.2 結(jié)果處理

一般而言，針對(duì)配電網(wǎng)架空線路所開展的巡檢工作重要的信息包括線路名稱、桿塔編號(hào)等。無(wú)人機(jī)在巡檢的過程中會(huì)生成高精度差分坐標(biāo)、被巡檢設(shè)備的ID 信息以及檔案信息屬性，這樣便可以幫助無(wú)人機(jī)在開展自主巡檢工作時(shí)，能夠?qū)⑺l(fā)現(xiàn)的缺陷問題與具體設(shè)備進(jìn)行匹配。構(gòu)建起按照配電網(wǎng)架空線路空間信息內(nèi)容要求的巡檢任務(wù)體系，將保障所獲得的缺陷內(nèi)容是準(zhǔn)確和可靠的。

對(duì)于結(jié)果的處理，無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行整理。工作人員可通過權(quán)限對(duì)這些信息進(jìn)行讀取，并結(jié)合信息中所生成的被檢設(shè)施參數(shù)，與實(shí)際配電網(wǎng)架空線路中的設(shè)備進(jìn)行定位對(duì)比，進(jìn)而可以對(duì)對(duì)比結(jié)果進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)操作，如進(jìn)行維修方案建議的調(diào)取等。系統(tǒng)也將對(duì)這一系列數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)，整個(gè)結(jié)果處理過程都將是準(zhǔn)確和高效率的[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的持續(xù)研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的逐步積累，利用無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)架空線路進(jìn)行巡檢，已在諸多地區(qū)內(nèi)獲得了顯著的成果，既可以維護(hù)電網(wǎng)日常供電的安全穩(wěn)定，也可以對(duì)重大活動(dòng)保電工作給予支持。廣州地區(qū)在2021年完成配電網(wǎng)無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃4830.8km，計(jì)劃在2022年實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)機(jī)巢覆蓋。

利用無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)替代人工巡檢，每千米的巡檢時(shí)間不到五分鐘，相較于人工操作效率至少提高了十倍以上，而且無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)能從空中對(duì)配電網(wǎng)架空線路進(jìn)行觀察，這也比地面人工巡檢工作更加精準(zhǔn)和有效率，能夠全方位觀察線路，進(jìn)而使所發(fā)現(xiàn)的問題更加全面和準(zhǔn)確。無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)所獲得的新建資料可以隨時(shí)查看，這將為配電網(wǎng)架空線路的可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。