基于人工智能的輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)分析

魯 杰 陳 建 寧 巖 席海闊

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行大面積電力輸電線路巡查，利用其搭載的高精度可見(jiàn)光和紅外設(shè)備對(duì)輸電線路進(jìn)行可見(jiàn)光和紅外熱成像觀測(cè)，通過(guò)人工智能程序進(jìn)行缺陷隱患的識(shí)別和數(shù)據(jù)對(duì)比，精確找出電力設(shè)備隱患發(fā)生點(diǎn)，輔助人工進(jìn)行線路巡視，能夠有力保障輸電設(shè)備設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行，極大地降低了巡檢成本，提高了巡檢效率，保障了巡檢人員的生命安全。

1 無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢的規(guī)模和現(xiàn)狀

近年來(lái)，電網(wǎng)的規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，截至2021年底，220kV及以上輸電線路回路長(zhǎng)度843390km，220kV及以上公用變?cè)O(shè)備容量493921萬(wàn)kVA。據(jù)悉“十四五”期間，電網(wǎng)規(guī)模將繼續(xù)以每年5%左右的規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。但是，由于輸電線路地理分布廣袤，隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，以及周圍地理環(huán)境的變化和天氣的影響，輸電線路會(huì)出現(xiàn)各類隱患和缺陷，不斷威脅著輸電線路的安全運(yùn)行。國(guó)家電網(wǎng)積極開(kāi)展“架空輸電線路直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工協(xié)同巡檢”等相關(guān)技術(shù)研究和應(yīng)用，大力推廣電力無(wú)人機(jī)巡檢，逐步建立起了巡檢管理和技術(shù)支撐體系。截至2021年，無(wú)人機(jī)巡檢已覆蓋各電壓等級(jí)輸電線路，巡檢模式向以無(wú)人機(jī)為主的協(xié)同自主巡檢模式轉(zhuǎn)變，輸電線路巡檢效益得到明顯提升。

2 無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡檢的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 降低人工風(fēng)險(xiǎn)，提升巡檢效率

傳統(tǒng)的電力巡檢主要依托人力來(lái)進(jìn)行巡檢作業(yè)，巡檢人員需要克服各類環(huán)境限制，跋山涉水，并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大，通過(guò)利用無(wú)人機(jī)巡檢，可以有效降低對(duì)人工的依賴，減少巡檢人員以身涉險(xiǎn)的狀況發(fā)生。同時(shí)，有數(shù)據(jù)表明無(wú)人機(jī)巡檢較人工巡檢能提高6~10倍的效率。

2.2 獲取影像便捷，輔助檢修作業(yè)

通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡檢，可以近距離獲得可見(jiàn)光和紅外、紫外影像數(shù)據(jù)，而基于人工智能的無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)可對(duì)拍攝的可見(jiàn)光和紅外、紫外影像進(jìn)行自主智能識(shí)別和檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)包括絕緣部分及導(dǎo)線接頭異常等各類缺陷，從而為檢修工作提供決策支持。

2.3 人工智能加成，巡檢精準(zhǔn)高效

通過(guò)人工智能技術(shù)的結(jié)合，綜合利用激光雷達(dá)、RTK高精度定位可使無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)定位，迅速到達(dá)指定位置開(kāi)展巡檢作業(yè)，同時(shí)在飛行過(guò)程中做到有效避障，避免無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)時(shí)對(duì)輸電線路及無(wú)人機(jī)自身造成損傷。

3 基于人工智能的輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)組成

基于人工智能的輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)包括應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行高精度定位飛行避障，數(shù)據(jù)采集、線路巡檢、數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

承德電網(wǎng)在電網(wǎng)運(yùn)行中加強(qiáng)了無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)的項(xiàng)目研究，并已于2019年開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，目前已完成全域2000km輸電線路高精度絕對(duì)坐標(biāo)系的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，無(wú)人機(jī)自主巡檢航線覆蓋約80%的220kV電壓等級(jí)的輸電鐵塔。任務(wù)載荷設(shè)備與無(wú)人機(jī)裝置高度集成、一體化控制，可掛載可見(jiàn)光、紅外、紫外、激光雷達(dá)等任務(wù)載荷，系統(tǒng)同時(shí)集成有GNSS高精度定位、慣性導(dǎo)航、高速數(shù)采、時(shí)間同步等多功能部件，整機(jī)緊湊、集成度高，采用全頻 RTK+IMU 融合技術(shù)與激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)，數(shù)據(jù)采集和測(cè)量精度高。

3.2 巡檢系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)根據(jù)巡檢作業(yè)要求，可搭載各種任務(wù)載荷設(shè)備，如表1所示。一般含有5個(gè)類型：可見(jiàn)光相機(jī)、紅外熱成像儀、紫外成像儀、激光雷達(dá)、傾斜攝影相機(jī)。

表1 各種任務(wù)載荷設(shè)備及特點(diǎn)

3.3 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用系統(tǒng)

利用無(wú)人機(jī)可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用，承德電網(wǎng)采集了9000余km的輸電線路本體和線路通道影像數(shù)據(jù)，獲得了幾萬(wàn)張輸電線路缺陷圖像，針對(duì)輸電線路采集的信息，特定缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%以上。

3.4 無(wú)人機(jī)與巡線機(jī)器人的復(fù)合搭載系統(tǒng)的應(yīng)用

承德電網(wǎng)正在研發(fā)無(wú)人機(jī)與巡線機(jī)器人的搭載技術(shù)，主要是研究機(jī)器人自動(dòng)對(duì)接與自動(dòng)放置，同時(shí)利用了無(wú)人機(jī)良好的機(jī)動(dòng)性和巡線機(jī)器人的近距離工作高效的優(yōu)越性，極大地拓寬無(wú)人機(jī)和機(jī)器人巡檢的應(yīng)用場(chǎng)景。無(wú)人機(jī)與巡線機(jī)器人復(fù)合系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)與巡線機(jī)器人復(fù)合系統(tǒng)工作流程圖

4 人工智能技術(shù)在無(wú)人機(jī)巡檢中的應(yīng)用

4.1 巡檢影像的智能識(shí)別與分析

通過(guò)無(wú)人機(jī)上搭載的不同任務(wù)載荷獲取電網(wǎng)巡檢需要的數(shù)據(jù)，并通過(guò)人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輔助電網(wǎng)運(yùn)行和檢修。可見(jiàn)光影像主要針對(duì)輸電線路本體缺陷和輸電通道環(huán)境情況，例如導(dǎo)地線斷股、螺栓松脫、放電點(diǎn)查找、通道內(nèi)導(dǎo)線和樹(shù)木距離等。紅外影像通常可以診斷輸電線路設(shè)備的發(fā)熱缺陷，包括絕緣子內(nèi)部缺陷、導(dǎo)線接頭接觸不良、金具缺陷等引起的發(fā)熱現(xiàn)象。紫外影像主要用于結(jié)合可見(jiàn)光影像，快速識(shí)別異常放電部位。對(duì)于常規(guī)任務(wù)載荷的控制、數(shù)據(jù)獲取和智能分析，以及研發(fā)適合與電力線路巡檢的新型任務(wù)載荷設(shè)備，是利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力線路巡檢的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

依托云端具備強(qiáng)大算力的GPU服務(wù)器或具備一定算力的邊緣計(jì)算設(shè)備，通過(guò)深度學(xué)習(xí)與云計(jì)算相結(jié)合的方式，利用人工智能視覺(jué)處理與分析算法對(duì)可見(jiàn)光圖像進(jìn)行智能識(shí)別，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路本體缺陷的智能自動(dòng)識(shí)別，如圖2所示。

圖2 輸電線路缺陷的可見(jiàn)光影像智能自動(dòng)識(shí)別

通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的激光雷達(dá)，對(duì)輸電線路所處的空間環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪，可以獲取完整的輸電線路及通道走廊的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出輸電線路導(dǎo)地線及桿塔的空間數(shù)據(jù)，同步獲取其相應(yīng)的周邊地理信息，使輸電線路及周邊環(huán)境變成了可任意測(cè)量分析的精準(zhǔn)立體三維模型，如圖3所示。通過(guò)激光點(diǎn)云形成的三維模型，巡檢人員可以觀察到線路通道走廊內(nèi)目標(biāo)物的空間位置和輪廓，并且可以通過(guò)軟件系統(tǒng)提供測(cè)量工具確定導(dǎo)地線、桿塔等與地面、建筑、植被等目標(biāo)物之間的空間距離，距離測(cè)量精度可以到厘米級(jí)別，可用于輸電線路交跨距離測(cè)量、弧垂測(cè)量、導(dǎo)線風(fēng)偏計(jì)算等。

圖3 輸電線路及通道走廊的激光點(diǎn)云三維模型

4.2 無(wú)人機(jī)自主巡檢導(dǎo)航和巡線機(jī)器人的投放與回收

承德電網(wǎng)正在研發(fā)的無(wú)人機(jī)巡線機(jī)器人復(fù)合系統(tǒng)，依據(jù)激光點(diǎn)云空間數(shù)據(jù)或測(cè)繪的精確輸電線路坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)人工智能算法對(duì)輸電線路所處的空間位置進(jìn)行識(shí)別與定位。根據(jù)輸電線路相對(duì)于無(wú)人機(jī)的位置，利用制導(dǎo)算法自動(dòng)生成無(wú)人機(jī)巡檢所需的航點(diǎn)和航線，生成飛航指令并通過(guò)地面站發(fā)送給無(wú)人機(jī)，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)自主航行至架空輸電線路導(dǎo)地線的正上方。利用無(wú)人機(jī)搭載的激光測(cè)距模塊得到架空輸電線路導(dǎo)地線相對(duì)于無(wú)人機(jī)的空間距離信息，根據(jù)空間信息以及實(shí)時(shí)測(cè)距數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)生成無(wú)人機(jī)自主飛行所需的控制數(shù)據(jù)參量，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)到達(dá)巡線機(jī)器人的投放或回收位置，實(shí)現(xiàn)巡線機(jī)器人的精準(zhǔn)投放和回收。同時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的導(dǎo)地線檢測(cè)系統(tǒng)，包括機(jī)器視覺(jué)模塊、圖像處理模塊和導(dǎo)地線方位矯正模塊等，用于導(dǎo)地線可見(jiàn)光影像拍攝、智能識(shí)別和位置定位，輔助無(wú)人機(jī)自主飛行，以及巡線機(jī)器人的投放或回收。

5 結(jié)語(yǔ)

基于人工智能的輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)，整合了數(shù)字成像技術(shù)、自動(dòng)避障技術(shù)、高精度定位技術(shù)、人工智能自主學(xué)習(xí)及分析技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)，搭載可見(jiàn)光、紅外、紫外、激光雷達(dá)，以及巡線機(jī)器人等任務(wù)載荷，通過(guò)多種任務(wù)設(shè)備結(jié)合，對(duì)輸電線路進(jìn)行自主巡視，具有機(jī)動(dòng)靈活、功能多樣、展開(kāi)迅速、快捷高效，以及超視距自動(dòng)駕駛等優(yōu)勢(shì)，極大地提高了輸電線路的無(wú)人機(jī)自主巡檢水平，使輸電線路巡檢質(zhì)效得到了巨大的提升和飛躍。