輸電線路無人機(jī)巡檢過程實(shí)時通信傳輸方法

摘要： 在輸電線路無人機(jī)巡檢中，為解決由通信距離變化引起的信息丟失問題，文章提出一種實(shí)時通信傳輸方法。該方法涵蓋資源信息采集、數(shù)據(jù)包壓縮、波束切換調(diào)整信號相位和幅度以及地面控制中心信號處理。仿真測試表明，該方法的信息丟失率僅為0.3%，具有可行性和有效性，為無人機(jī)巡檢實(shí)時通信提供了理論與實(shí)踐指導(dǎo)，確保了輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：輸電線路；無人機(jī)；巡檢；實(shí)時通信；傳輸技術(shù)

中圖分類號：TM75" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，無人機(jī)巡檢以其高效、靈活、成本效益高等特點(diǎn)，成為輸電線路巡檢領(lǐng)域的新技術(shù)^［1］。當(dāng)前，已有多位學(xué)者對無人機(jī)巡檢實(shí)時通信傳輸技術(shù)展開了研究，田世坤等^［2］在隨機(jī)衰減信道條件下，研究了具有嚴(yán)格時延的P2P實(shí)時通信傳輸策略。該方法證明了系統(tǒng)的可索引性，給出了傳輸策略的Whittle索引封閉解。李云松等^［3］對高壓輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)的運(yùn)維管理展開分析，通過構(gòu)建科學(xué)的運(yùn)維管理體系，有效提高巡檢效率和質(zhì)量。但上述無人機(jī)巡檢實(shí)時通信傳輸技術(shù)仍存在通信延遲較大、數(shù)據(jù)傳輸效率不高等不足。因此，本文針對輸電線路無人機(jī)巡檢實(shí)時通信傳輸技術(shù)展開研究，為無人機(jī)在電力巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用提供更為可靠的技術(shù)支持。

1 輸電線路無人機(jī)巡檢實(shí)時通信傳輸方法設(shè)計(jì)

1.1 采集處理輸電線路無人機(jī)巡檢資源信息

在接收到基于變電站和輸配電線路信息分析得出的起飛指令后，無人機(jī)將配備傳感器和紅外攝像頭，在低空區(qū)域執(zhí)行巡檢任務(wù)。無人機(jī)通過智能算法選定單桿塔作為巡檢目標(biāo)物并根據(jù)特殊地形自動生成最優(yōu)航線，同時記錄飛行軌跡^［4-5］。在執(zhí)行任務(wù)過程中，無人機(jī)將實(shí)時記錄溫度、振動、電流等信息并拍攝設(shè)施圖像。之后，預(yù)處理程序?qū)Ρ冉翟?，刪除冗余數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

1.2 實(shí)時通信信息數(shù)據(jù)包壓縮

無人機(jī)巡檢產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，直接傳輸這些數(shù)據(jù)會消耗大量帶寬和能源，同時影響傳輸效率。壓縮數(shù)據(jù)包能提高數(shù)據(jù)傳輸效率、減少能耗，增強(qiáng)信號的抗干擾能力。此外，數(shù)據(jù)壓縮還能降低存儲和處理成本，確保地面控制中心能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取巡檢信息，滿足實(shí)時性需求。

在無人機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)多區(qū)群配置，將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個獨(dú)立區(qū)群，每個區(qū)群由x個傳輸節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽分別為a=1，2，...，x。在每個區(qū)群內(nèi)部，對各個節(jié)點(diǎn)采集的實(shí)時通信信息數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。壓縮完成后，這些壓縮后的數(shù)據(jù)將被傳送至該區(qū)群內(nèi)的首位節(jié)點(diǎn)（即標(biāo)簽為a=1的節(jié)點(diǎn)），以便無人機(jī)巡檢傳感器能夠高效地收集和分析這些處理過的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)壓縮過程可表示為：

Ba=ia（1）

其中，Ba為壓縮的數(shù)據(jù)包；ia為傳輸節(jié)點(diǎn)采集的全部數(shù)據(jù)；為傳輸數(shù)據(jù)的壓縮系數(shù)。為防止信息流失，須優(yōu)化壓縮過程，根據(jù)約束條件對優(yōu)化系數(shù)ra進(jìn)行運(yùn)算：

ea=‖ia-∑mi=1raia‖22（2）

其中，ea為處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)值之間的偏差。

ra=∑xn=1en+αea/∑xm=1∑xn=1en+αem（3）

其中，m和n分別為2個不同無人機(jī)巡檢網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)；α為壓縮包的優(yōu)化結(jié)果。引入優(yōu)化系數(shù)ra對不同區(qū)群的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)化，得到最終數(shù)據(jù)包G，計(jì)算公式如下：

G=raBa-∑mi=1raia2（4）

對實(shí)時通信數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的能耗。為了進(jìn)一步降低能耗，本文結(jié)合各傳輸節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況，引入一個優(yōu)化系數(shù)來動態(tài)控制數(shù)據(jù)的壓縮率。這不僅能確保各傳輸節(jié)點(diǎn)在能量消耗上達(dá)到平衡，還能保證它們能夠高效作業(yè)，顯著減少節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的工作量和能耗^［5］。

1.3 波束切換調(diào)整通信信號相位和幅度

壓縮數(shù)據(jù)通過波束切換技術(shù)調(diào)整信號，補(bǔ)償傳輸衰減，確保無人機(jī)巡檢實(shí)時通信穩(wěn)定。本文采用選擇式合并技術(shù)提升信噪比，選取最佳天線接收，實(shí)現(xiàn)波束加權(quán)處理。在進(jìn)行波束轉(zhuǎn)換前對波長η進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

η=ωL70°（5）

其中，ω和L分別為天線的半功率角和天線直徑，根據(jù)實(shí)際輸電線路走向進(jìn)行波束切換。寬窄波束無線覆蓋如圖1所示。在輸電線路無人機(jī)巡檢過程中，當(dāng)無人機(jī)遠(yuǎn)離接入點(diǎn)時，其通信連接主要依賴波束3的覆蓋。此時，波束2和波束1由于保持狹窄的覆蓋范圍，無法為無人機(jī)提供主要的信號接收支持。因此，無人機(jī)在遠(yuǎn)離接入點(diǎn)的狀態(tài)下，主要依賴波束3的旁瓣來接收信號，以確保通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

無人機(jī)傳輸時，波束3弱化則切換至波束2維持通信。波束2用于覆蓋飛行區(qū)域，但當(dāng)無人機(jī)遠(yuǎn)離時，信號減弱。此時切換至波束1確保穩(wěn)定連接。通過反復(fù)切換波束1和波束2，系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整信號覆蓋，確保無人機(jī)穩(wěn)定巡檢通信。

1.4 地面控制中心處理實(shí)時通信信號

經(jīng)過波束切換傳播的實(shí)時通信信號會發(fā)送到地面控制中心，經(jīng)過地面控制中心第二數(shù)傳設(shè)備和圖像接收設(shè)備的接收、解碼、分析和處理過程，完成輸電線路無人機(jī)巡檢的實(shí)時通信傳輸。傳輸過程如圖2所示。

根據(jù)圖2所示，無人機(jī)在巡檢過程中首先采集圖像數(shù)據(jù)，通過壓縮設(shè)備減小數(shù)據(jù)量以便于傳輸。其次，利用微波光子技術(shù)，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)第一數(shù)傳設(shè)備高效傳輸。最后，圖像發(fā)射設(shè)備運(yùn)用波束轉(zhuǎn)換技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至地面控制中心。在地面控制中心，第二數(shù)傳設(shè)備負(fù)責(zé)處理來自無人機(jī)的圖像數(shù)據(jù)。此外，為確保數(shù)據(jù)安全，采用統(tǒng)一密鑰進(jìn)行加密解密并設(shè)立數(shù)據(jù)管理和訪問控制機(jī)制，以防止數(shù)據(jù)被非法獲取。

2 仿真測試與分析

2.1 搭建測試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)測試選擇空曠無障礙物且信號傳輸良好的區(qū)域，確保實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸和雙向通信。在這個區(qū)域中，利用無人機(jī)信號資源與電力公司進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，以建立穩(wěn)定的架空地網(wǎng)通信線路。為了確保通信覆蓋的廣泛性和穩(wěn)定性，建設(shè)多個耐張塔，確保接入點(diǎn)得到全面覆蓋。

在耐張塔兩側(cè)，部署2條全向天線，用于近距離覆蓋。兩側(cè)天線的增益相差為6.0 dB，以優(yōu)化信號覆蓋范圍和通信質(zhì)量，表1列出了各天線的參數(shù)。

在輸電線上安裝電壓傳感器，以便實(shí)時監(jiān)測并傳輸電壓數(shù)據(jù)。本文選擇DJI Mavic 3 Enterprise無人機(jī)，配備FLIR Vue Pro R巡檢設(shè)備，用于捕捉和傳輸高質(zhì)量的巡檢圖像和視頻。同時，配置通信設(shè)備及地面控制站，以確保無人機(jī)與地面控制中心之間的穩(wěn)定通信。在部署完所有設(shè)備后，進(jìn)行詳細(xì)的配置和調(diào)試工作，以確保所有設(shè)備能夠正常工作且與通信系統(tǒng)兼容。

2.2 測試結(jié)果分析

分別用本文方法、田世坤等^［2］提出的基于P2P的輸電線路無人機(jī)巡檢實(shí)時通信傳輸方法和黃逸霄^［4］提出的基于光纖通信技術(shù)輸電線路無人機(jī)巡檢實(shí)時通信傳輸方法進(jìn)行測試，統(tǒng)計(jì)100 kbit字節(jié)和100 GB 數(shù)據(jù)量的信息發(fā)送傳輸時間、接收傳輸時間和節(jié)點(diǎn)能耗，對傳輸信息的丟失程度進(jìn)行對比。

3種方法測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由表2看出，本文方法與其他2種方法相比，信息傳輸時間更短，丟失程度更低，保證信息完整性。證明本文方法在測試范圍內(nèi)，無人機(jī)與地面控制站的通信效果良好，傳輸速率滿足要求。

3 結(jié)語

本文研究的輸電線路無人機(jī)巡檢實(shí)時通信傳輸技術(shù)為電力行業(yè)提供了一種高效且安全的巡檢手段。通過優(yōu)化通信傳輸方法，該技術(shù)有效提升了無人機(jī)巡檢的實(shí)時性和通信效率，對保障輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。未來，隨著無人機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員將對這一領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的研究，進(jìn)而推動電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬編輯）

Realtime communication transmission method for UAV inspection process of transmission lines

MA" Xiaowei1， YUAN" Jinxia2

（1.Yantai Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Yantai 264000，

China; 2.Yantai Fushan Region Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Yantai 264000， China）

Abstract：" In the unmanned aerial vehicle inspection of transmission lines， this article proposes a realtime communication transmission method to solve the information loss caused by changes in communication distance. This method covers resource information collection， packet compression， beam switching to adjust signal phase and amplitude， as well as ground control center signal process. Through simulation testing， the information loss rate is only 0.3%， which verifies its feasibility and effectiveness. The method provides theoretical and practical guidance for realtime communication of unmanned aerial vehicle inspections， and ensures the safe and stable operation of transmission lines.

Key words： transmission line; UAV; patrol inspection; realtime communication; transmission technology