基于輸電線路三維信息的無人機智能巡檢技術(shù)

班革革 張 雷 沙 鑫 袁曉東 王又祥 姬俊國

(國網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司)

0 引言

我國幅員遼闊, 為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的用電需求, 建設(shè)了很多的輸電線路。為了使電網(wǎng)長期安全穩(wěn)定運行, 需要做好日常的線路巡檢工作。傳統(tǒng)人工巡檢方式存在著巡檢周期長、作業(yè)強度大以及部分檢修點人力不可達的缺點, 隨著科技的不斷進步, 電力企業(yè)逐漸將無人機智能巡檢技術(shù)運用到巡檢工作中, 改進了巡檢工作模式[1], 使輸電線路巡檢向著經(jīng)濟化、自動化和智能化方向發(fā)展。

1 輸電線路三維信息無人機智能巡檢現(xiàn)狀

無人機智能巡檢技術(shù)是人工遠程操控無人機, 對架空輸電線路巡視并通過機載傳感設(shè)備傳遞信息的巡查和檢修的技術(shù)。根據(jù)無人機機體結(jié)構(gòu)劃分, 無人機可分為多旋翼無人機、無人直升機、復合翼無人機和固定翼無人機等幾種。目前, 多旋翼無人機憑借可垂直升降、小巧靈活、操作簡單、精準懸停的優(yōu)點廣泛應用于高壓架空輸電線路的巡查和檢修中。

無人機智能巡檢技術(shù)的原理是利用遙感設(shè)備檢測輸電線路運行狀態(tài)[2]。其中常用的遙感手段有紅外線成像、紫外線成像、可見光成像以及激光雷達電能等。其中, 可見光遙感檢測用于檢測輸電線路及附屬電力設(shè)備的變化和特性, 在巡檢工作中應用廣泛; 紫外線遙感檢測由于成本高, 尚未廣泛應用, 主要檢測電力設(shè)備和輸電線路有無發(fā)生閃絡(luò)和電暈現(xiàn)象; 紅外遙感檢測主要用于檢測是否出現(xiàn)過熱缺陷現(xiàn)象; 激光雷達檢測主要用于定位和測繪地理信息。

在輸電線路的巡檢過程中, 無人機會拍攝大量的圖片信息, 并傳遞給相關(guān)技術(shù)人員, 由人工判斷和處理, 現(xiàn)有的輸電線路無人機還不能做到自動化自主巡檢, 還需要一定的人工參與, 而無人機圖片智能處理技術(shù)已處于研究階段, 相信不遠的將來,無人機可以做到完全自主巡檢, 大大提高巡檢的效率。

目前, 輸電線路三維信息無人機智能巡檢的智能化和自動化程度仍不足以滿足大規(guī)模巡檢要求, 相關(guān)的技術(shù)人員還要對輸電線路設(shè)計的電力設(shè)備、附屬配件異常發(fā)熱檢測、線路距離測量等相關(guān)技術(shù)進行更深入的研究, 不斷為實現(xiàn)輸電線路三維信息無人機全自主智能巡檢的目標提供高效、準確的智能化手段和方式。

2 基于部件的輸電線路三維建模技術(shù)

2.1 輸電線路部件屬性信息構(gòu)建

輸電線路的主要組成部分有導線、桿塔和附屬部件, 由于建設(shè)輸電線路會嚴格遵守一定的標準和規(guī)范, 同時大部分塔基、塔頭具有相似的結(jié)構(gòu)[3], 因此, 對輸電線路基于非參數(shù)部件方法進行抽象建模時, 只需參照建設(shè)標準分解出輸電線路的各部分部件, 后在對其靈活組合, 降低了三維建模的難度和工作量。

對接國家電網(wǎng)系統(tǒng), 可快速獲取到輸電線路各部件的屬性信息, 根據(jù)相關(guān)規(guī)范和施工標準, 可獲取輸電線路部件的基本屬性信息, 形成屬性信息的.xml文件, 并根據(jù)屬性信息表, 對輸電線路建立三維抽象模型, 方法流程如圖1 所示。

圖1 輸電線路三維建模流程

2.2 輸電線路部件庫與三維建模

輸電線路部件庫主要是提供現(xiàn)成的模型, 輸電線路的三維模型主要分為塔基、塔頭、導線以及附屬部件四部分。塔頭有貓頭型、酒杯型和干字型等。輸電線路的塔基通常有相似結(jié)構(gòu)[4], 其形態(tài)見圖2。塔基的高度和電壓等級有密切關(guān)系, 如表1 所示。

表1 輸電線路塔基高度與電壓等級對應表

圖2 塔桿塔基形態(tài)

2.3 基于功能關(guān)系的桿塔三維重建

塔桿各部件均有各自的用途, 塔頭主要懸掛金具、絕緣子部件, 塔基與大地連接用來支撐塔頭。基于此,對接國網(wǎng)GIS 系統(tǒng), 獲取相關(guān)的部件, 首先先拼接出桿塔主體結(jié)構(gòu), 其次, 向桿塔主體上放置絕緣子等部件。

2.4 輸電線路精細參數(shù)調(diào)整

在構(gòu)建了輸電線路本體的幾何模型后, 還要對精細參數(shù)做調(diào)整, 在電壓等級作為調(diào)整基數(shù)條件下, 分別調(diào)整塔基、附屬部件以及塔頭的尺寸。

3 基于輸電線路三維信息的無人機智能巡檢技術(shù)

3.1 無人機智能巡檢懸停點制定

無人機巡檢對象主要是塔桿上的金具部件, 可制定巡檢規(guī)范對安全距離進行規(guī)定, 以保證巡檢過程中無人機平臺和輸電線路的安全, 其中安全距離是根據(jù)線路的電壓等級來決定的。

3.2 無人機智能巡檢路徑規(guī)劃

智能巡檢的無人機要具有懸停的功能, 可根據(jù)懸停信息以及輸電線路走向, 制定智能巡檢路徑。智能巡檢路徑的制定可參照國家GIS 系統(tǒng)中的基本信息[5]、作業(yè)的安全距離及每個懸停點依據(jù)前進、水平和垂直方向排序, 進而綜合制定出無人機巡檢的基準航跡路線、全局航跡以及局部航跡等。

3.3 基于輸電線路三維信息智能采集

無人機可按照已制定的智能巡檢路徑完成巡檢,利用智能采集系統(tǒng)對巡檢數(shù)據(jù)進行采集。

4 輸電線路三維信息的無人機智能巡檢應用

4.1 輸電線路巡檢無人機安全距離參數(shù)估計

在無人機智能巡檢過程中, 傳輸線數(shù)據(jù)可能會向輸電線路無人機發(fā)送錯誤的信號指令, 可在處理數(shù)據(jù)的芯片中添加響應程序來避免這種情況的發(fā)生。同時及時啟動對輸電線路巡檢無人機的控制, 檢測輸電線路中電流情況, 讓無人機保護裝置啟動元件, 開啟無人機保護裝置電源。

在處理輸電線路信號時, 如果遇到高頻信號,DSP 模塊有著信號極值分類問題, 對于最大值的信號頻率值, 要確保輸電線路三維信息的無人機保護裝置的故障檢測可以逐個分解高頻信號, 對于最小值的信號頻率, 可通過設(shè)置波形故障檢測閾值的方式來實現(xiàn)識別干擾信號的目的, 同時在自檢是在輸電線路三維信息的無人機保護裝置內(nèi)部進行完成的, 自檢符合標準后, 保護動作程序開始啟動, 如果自檢信號的質(zhì)量不符合標準, 斷開外部信號輸出, 多次在輸電線路三維信息無人機保護裝置內(nèi)部進行巡檢, 當自檢結(jié)果符合標準后再啟動保護動作程序。

4.2 自主巡檢技術(shù)

自主巡檢技術(shù)可分為建模與定位和人工示教兩種, 是實現(xiàn)輸電線路三維信息無人機自主巡測和檢修的核心技術(shù)[6]。人工示教航線學習技術(shù)主要是巡檢的姿態(tài)信息和精準的位置信息是由相關(guān)技術(shù)或是巡檢人員來設(shè)定的, 無人機對這些基礎(chǔ)信息進行存儲, 在根據(jù)預先設(shè)定的信息完成自主巡檢過程。同時GPS 定位和北斗技術(shù)為該技術(shù)提供有力支撐, 民用的無人機存在2 ～10m 的誤差。

在電力巡檢過程中, 面臨的航道環(huán)境是非常復雜且處在不斷變化之中的, 按照電網(wǎng)巡檢規(guī)范, 無人機智能巡檢的安全距離在10m 以上。目前, 現(xiàn)階段采用的主流手段是PTK 動態(tài)載波實時相位差分定位技術(shù),通過利用激光雷達掃描, 獲得激光點云, 有著掃描精度高、數(shù)據(jù)采集多樣以及數(shù)據(jù)處理速度快的優(yōu)勢, 于此同時, 在采集的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建三維地圖, 同時無人機內(nèi)部配合有人工智能深度學習算法, 從而達到無人機智能自主巡航的目的。

近年來, 隨著5G 技術(shù)、AI 技術(shù)以及邊緣計算的迅速發(fā)展, 現(xiàn)階段有將高精度定位技術(shù)和人工示教相結(jié)合, 在智能巡檢過程中, 無人機有著更好的智能識別, 同時可根據(jù)實際環(huán)境和設(shè)備結(jié)構(gòu)計算合適的拍攝角度和拍攝距離, 完成智能自主巡航, 實現(xiàn)了無人機智能的“一鍵巡航”。

4.3 移動式機巢無人機智能巡檢方案

當巡檢區(qū)域是地勢平坦或者是城市環(huán)境, 可以采用移動式機巢無人機完成機動性輸電線路三維信息巡檢。移動式機巢無人機可以根據(jù)實際的輸電線路前面邊緣計算和現(xiàn)有塔桿的情況, 采集裝備信息并進行反饋[7], 輸電線路總監(jiān)控平臺通過對多源信息進行綜合分析下達合適的巡檢指令。相關(guān)巡檢人員根據(jù)特定風險排查巡檢任務和常規(guī)性巡檢任務對巡檢線路進行規(guī)劃, 后按照規(guī)劃路線實施巡檢任務。

相關(guān)巡檢人員操作移動式機巢無人機前往指定位置, 達到后開始正常巡檢工作, 移動式機巢無人機根據(jù)接到的指令開展巡視和檢測工作, 并實時拍攝巡檢圖像, 將巡檢圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕d服務器, 通過邊緣計算算法實時處理數(shù)據(jù), 并將處理的初始結(jié)果上傳到巡檢監(jiān)控平臺, 以便平臺對巡檢數(shù)據(jù)的綜合分析。巡檢監(jiān)控平臺的分析結(jié)果會經(jīng)有移動作業(yè)APP 下傳消缺信息, 一旦接收到消缺信息, 相關(guān)作業(yè)人員就開展消缺作業(yè), 作業(yè)完成后的消息和結(jié)果在經(jīng)由作業(yè)APP回傳到巡檢監(jiān)控平臺, 最終完成移動式機巢無人機巡檢和隱患、故障信息確認, 而后消缺指令下達、完成消缺作業(yè)的工作閉環(huán)流程。

4.4 5G 技術(shù)在無人機巡檢中的應用

智能化巡檢集控飛行系統(tǒng)是一套綜合應用解決方案, 其核心功能是多臺無人機可超視距集控飛行。該系統(tǒng)有七個子系統(tǒng)組成, 分別是一體化航飛信服子系統(tǒng)、集控無人機子系統(tǒng)、通信與輔助網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、機載任務系統(tǒng)、智能航空站子系統(tǒng)、智能化巡檢綜合管控平臺以及集控中心子系統(tǒng)。該解決方案包括著多智能航空站無人值守作業(yè)、多無人機超視距集控飛行、集中式飛行信息服務等核心功能, 其中還包含飛行控制、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)管理和傳輸、充換電和電源管理, 航飛管理、視頻管理等功能模塊, 它可以根據(jù)用戶自定義需求配置, 制定適合用戶的具體實施方案,搭建實戰(zhàn)化集控飛行作業(yè)系統(tǒng)。

其采用前后端分離的模式, 前段可以單獨使用,也可以和其他模塊組合使用, 通過模塊化的設(shè)計方式, 可以靈活組合使用, 不僅滿足了電力行業(yè)輸電線路的各種需求, 還滿足了不同行業(yè)無人機集控飛行系統(tǒng)的問題。無人機集控飛行巡檢模式利用5G 技術(shù),大大節(jié)省了人力、財力成本, 提高了輸電線路的巡檢效率, 有效解了數(shù)據(jù)回傳和分析、統(tǒng)一調(diào)度等技術(shù)問題, 有力保障了輸電線路電力設(shè)備和配線電路以及無人機的安全。

4.5 基于強化學習的無人機全自主巡檢

目前, 電力行業(yè)的巡檢模式是人員巡檢和無人機輔助巡檢相結(jié)合的方式[8], 這種模式節(jié)約了大量的人力成本, 同時可以擴大巡檢范圍以及巡檢效率, 使得輸電線路的巡檢更加安全、高效。無人機操作人員要時刻關(guān)注無人機飛行狀態(tài), 尤其是對于比較繁瑣的巡檢任務, 在執(zhí)行過程中, 相關(guān)技術(shù)人員要集中注意力, 正確操作無人機。同時, 利用智能聯(lián)調(diào)充電樁和無人機, 通過強化學習技術(shù), 無人機可以做到自主決策是否繼續(xù)巡檢還是需要充電;應用深度學習技術(shù)和視覺技術(shù), 無人機可以較為精準的識別充電樁并懸停在充電樁上; 應用無線充電技術(shù), 無人機自主完成充電后, 自主決策并繼續(xù)開始工作, 直至任務完成。

受到地形和天氣因素的影響, 無人機的巡檢環(huán)境比價復雜, 該項技術(shù)在多區(qū)段或是較遠距離的巡檢中存在很多的困難。而未來, 輸電線路三維信息無人機智能巡檢技術(shù)也將不斷提升無人機飛行適用性, 不斷解決在實際的巡檢過程中存在的各種問題, 讓基于強化學習的無人機全自主巡檢有更強的適用性、較大的使用范圍、讓其得以使用于多種情況和環(huán)境中。

5 結(jié)束語

綜上所述, 在未來無人機智能巡檢越來越會代替人工巡檢并廣泛應用于各供電企業(yè)。無人機智能巡檢降低了相關(guān)技術(shù)人員的檢修難度和強度, 大大提升了巡檢的效率, 為電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定正常運行提供有利保障。本文對無人機智能巡檢現(xiàn)狀進行了闡述, 分析了基于部件的輸電線路三維建模技術(shù)和基于輸電線路三維信息的無人機智能巡檢技術(shù), 梳理了輸電線路三維信息的無人機智能巡檢應用, 以期為輸電線路無人機智能巡檢技術(shù)的快速發(fā)展以及相關(guān)研究提供一定參考。