基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢應(yīng)用研究

摘要：《5G應(yīng)用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》明確列出“5G+智慧電力”行動計劃，基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢是“5G+智慧電力”行動計劃的重要組成部分。相比于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢在效率、精準度、安全性和經(jīng)濟性等方面具有明顯優(yōu)勢。本文提出了一個具體的5G無人機電力巡檢方案，包括無人機的選擇與配置、飛行控制系統(tǒng)的構(gòu)建、數(shù)據(jù)處理與分析、任務(wù)規(guī)劃與管理、安全保障措施以及人員培訓(xùn)與支持。未來，基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢將向無人化、智能化和規(guī)模化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；無人機；電力巡檢

一、引言

2021年7月，工業(yè)和信息化部等十部門聯(lián)合發(fā)布《5G應(yīng)用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》，明確列出“5G+智慧電力”行動計劃，指出：“推廣發(fā)電設(shè)備運維、配電自動化、輸電線/變電站巡檢、用電信息采集等場景應(yīng)用，實現(xiàn)發(fā)電環(huán)節(jié)生產(chǎn)的可視化、配電環(huán)節(jié)控制的智能化、輸變電環(huán)節(jié)監(jiān)控的無人化、用電環(huán)節(jié)采集的實時化”?；?G技術(shù)的無人機電力巡檢應(yīng)用是“5G+智慧電力”行動計劃的重要組成部分，是實現(xiàn)智慧電力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；?G技術(shù)的無人機電力巡檢，經(jīng)過近3年的試點與推廣應(yīng)用，已逐步發(fā)展成為我國電力行業(yè)智慧運維的“必選項”，用于全國各城市的電力巡檢中。經(jīng)過近3年的發(fā)展，基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢不僅在技術(shù)層面得到了顯著的提升和完善，而且在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了巨大的潛力和價值[1]。

本文將重點探討基于5G的無人機電力巡檢的優(yōu)勢、方案與發(fā)展趨勢，為電力行業(yè)的智慧化轉(zhuǎn)型提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

二、5G無人機電力巡檢的主要優(yōu)勢

與4G、Wi-Fi、光纖等通信技術(shù)相比，5G技術(shù)具有高速率、低時延、大連接等特點。相較于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)下的無人機巡檢，基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢具有更高效、更精準、更安全、更經(jīng)濟等優(yōu)勢。

（一）更高效

基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸，大大提高了巡檢的效率。無人機可以在空中快速飛行，對電力設(shè)備進行全面的巡檢，而5G技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)的實時傳輸，使得巡檢人員可以及時獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，從而快速做出決策[2]。飛行半徑增大是高效性的另一種體現(xiàn)。5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的提升使得無人機可以在更遠的距離上進行操作，減少了前往現(xiàn)場的時間和成本。

（二）更精準

5G技術(shù)結(jié)合高精度定位系統(tǒng)（如GPS和北斗），可以提供更精確的飛行定位和路徑規(guī)劃，確保巡檢的準確性。無人機可以通過高清攝像頭和激光雷達等設(shè)備對電力設(shè)備進行精細化巡檢，從而提高了巡檢的精準度。5G技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)的高速傳輸，使得無人機可以實時獲取設(shè)備的高清圖像和三維模型。無人機可以搭載先進的圖像識別技術(shù)，對巡檢圖像進行即時分析，更精準地識別潛在問題。

（三）更安全

與4G技術(shù)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性降低了通信中斷的風(fēng)險，確保無人機在執(zhí)行任務(wù)過程中的安全性。而且，基于5G技術(shù)的無人機可以搭載更先進的避障系統(tǒng)，實時感知周圍環(huán)境，自動規(guī)避障礙物，降低事故發(fā)生的概率。在遇到緊急情況時，操作人員可以利用5G網(wǎng)絡(luò)快速遠程控制無人機，及時采取措施，保障人員和設(shè)備的安全。

（四）更經(jīng)濟

基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢通過自動化和智能化的巡檢流程，減少了對現(xiàn)場巡檢人員的依賴，降低了人力成本。5G無人機具有較強的巡檢能力，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，預(yù)防潛在的大規(guī)模故障，從而減少了長期的維護和修復(fù)成本。此外，5G技術(shù)使得無人機可以在更廣泛的區(qū)域內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，提高了設(shè)備的使用效率和投資回報率，降低了巡檢成本。

三、5G無人機電力巡檢的具體方案

上一章解決了“為什么”要用基于5G技術(shù)的無人機進行電力巡檢的問題，本章將重點解決“怎么用”5G無人機進行電力巡檢的問題，也就是5G無人機電力巡檢的具體方案。

（一）無人機的選擇和配置

在基于5G技術(shù)的無人機電力巡檢方案中，無人機的選擇和配置是至關(guān)重要的。首先，無人機的續(xù)航能力必須足夠強大，以確保能夠完成長時間的飛行任務(wù)，覆蓋廣闊的巡檢區(qū)域。這通常意味著需要選擇那些能夠攜帶大容量電池或采用高能量密度電池的無人機模型[3]。飛行穩(wěn)定性是另一個關(guān)鍵因素，尤其是在復(fù)雜的電力巡檢環(huán)境中，無人機需要在各種天氣條件下穩(wěn)定飛行。這要求無人機具備良好的氣動設(shè)計和先進的飛行控制系統(tǒng)。傳感器的選擇和集成對于巡檢效果至關(guān)重要。高清攝像頭可以提供清晰的可見光圖像，幫助檢測電力設(shè)施的外觀狀況，如絕緣子的破損、導(dǎo)線的斷裂等。5G通信模塊的集成是實現(xiàn)無人機電力巡檢數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵。

（二）飛行控制系統(tǒng)的建構(gòu)

飛行控制系統(tǒng)是無人機電力巡檢方案的大腦，它負責(zé)處理無人機的所有飛行操作和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。一個先進的飛行控制系統(tǒng)需要具備高度的自主性，這樣無人機才能在沒有人工干預(yù)的情況下，按照預(yù)設(shè)的航線自動執(zhí)行巡檢任務(wù)。這包括自動起飛、飛行路徑規(guī)劃、避障、數(shù)據(jù)采集和自動降落等功能。自主飛行能力的核心在于無人機能夠理解和執(zhí)行復(fù)雜的飛行任務(wù)。自主飛行能力通常需要無人機搭載多種傳感器，如GPS、IMU（慣性測量單元）、氣壓計等，以實現(xiàn)精確的定位和姿態(tài)控制。此外，無人機還需要具備強大的圖像處理和分析能力，以實時識別和響應(yīng)環(huán)境中的障礙物或其他潛在風(fēng)險。實時監(jiān)控與干預(yù)功能是飛行控制系統(tǒng)的另一個重要組成部分。通過5G網(wǎng)絡(luò)，操作人員可以實時查看無人機的飛行狀態(tài)和采集的數(shù)據(jù)，必要時進行遠程干預(yù)。這不僅提高了巡檢的安全性，還為操作人員提供了更多靈活控制的空間。

（三）數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析是無人機電力巡檢方案中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到巡檢結(jié)果的準確性和實用性。首先，無人機收集的大量圖像和視頻數(shù)據(jù)需要經(jīng)過高效的圖像識別技術(shù)進行處理。這通常涉及使用人工智能和機器學(xué)習(xí)算法，如深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，來自動識別和分類圖像中的各種特征和異常情況。例如，通過訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型來識別輸電線路的常見故障，如導(dǎo)線斷裂、絕緣子破損或塔架傾斜等，無人機可以在飛行過程中實時分析圖像，并迅速標(biāo)記出潛在的問題區(qū)域。這種方法不僅大大提高了巡檢的效率，也提高了故障檢測的準確性。數(shù)據(jù)融合是進一步提升巡檢質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。通過將無人機收集的數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)源相結(jié)合，可以獲得更全面的巡檢報告[4]。

（四）任務(wù)規(guī)劃與管理

任務(wù)規(guī)劃與管理是確保無人機電力巡檢方案高效執(zhí)行的基礎(chǔ)。一個詳細的巡檢計劃需要根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)的布局、巡檢需求和無人機的性能來制定。這包括航線規(guī)劃、巡檢頻次的設(shè)定、重點關(guān)注區(qū)域的選擇等。航線規(guī)劃需要考慮到電力設(shè)施的分布、地形特征、天氣條件等多種因素，以確保無人機能夠有效地覆蓋所有需要巡檢的區(qū)域。任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)則負責(zé)實時分配和調(diào)整無人機的巡檢任務(wù)。這個系統(tǒng)需要具備高度的靈活性和智能化，以應(yīng)對突發(fā)情況和巡檢需求的變化。例如，如果某個區(qū)域突然出現(xiàn)了緊急情況，任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)能夠迅速重新分配無人機，優(yōu)先對該區(qū)域進行巡檢。同時，系統(tǒng)還能夠根據(jù)無人機的實時狀態(tài)，如電量、天氣條件等，動態(tài)調(diào)整巡檢任務(wù)，以確保巡檢的連續(xù)性和效率。

（五）安全保障措施

安全保障措施是無人機電力巡檢方案中不可或缺的部分，它關(guān)系到無人機操作的安全和合規(guī)。飛行安全策略的制定需要考慮到各種可能的風(fēng)險因素，包括無人機的飛行高度限制、禁飛區(qū)域的設(shè)置以及應(yīng)急響應(yīng)程序的建立。這些措施旨在最大限度地減少無人機操作對公共安全和電力設(shè)施的影響。例如，飛行高度限制可以防止無人機與民航飛機發(fā)生沖突，禁飛區(qū)域的設(shè)置則可以避免無人機進入敏感或危險區(qū)域。應(yīng)急響應(yīng)程序則需要詳細規(guī)定在遇到緊急情況時的操作步驟，如無人機失控、碰撞或其他意外事件時的處理方法。數(shù)據(jù)安全同樣重要，確保無人機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密，防止數(shù)據(jù)泄露或被惡意篡改。這不僅涉及巡檢數(shù)據(jù)的保密，還關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行。因此，需要采取強有力的數(shù)據(jù)加密措施，如使用SSL/TLS加密協(xié)議，以及定期更新加密密鑰等，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

（六）人員培訓(xùn)與支持

人員培訓(xùn)與支持是無人機電力巡檢方案成功實施的關(guān)鍵。操作員（俗稱“飛手”）的專業(yè)培訓(xùn)確保他們能夠熟練掌握無人機的操作和維護技能，這對于保障無人機的正常運行和巡檢質(zhì)量至關(guān)重要。培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)包括無人機的基本操作、飛行控制系統(tǒng)的使用、傳感器的校準和維護、數(shù)據(jù)的采集和分析等。技術(shù)支持團隊的建立則為無人機巡檢提供必要的技術(shù)支持和故障排除服務(wù)，確保巡檢任務(wù)的連續(xù)和無人機系統(tǒng)的穩(wěn)定。技術(shù)支持團隊需要具備快速響應(yīng)能力，能夠在無人機出現(xiàn)技術(shù)問題時迅速提供解決方案。此外，團隊還需要定期對無人機系統(tǒng)進行維護和升級，以適應(yīng)不斷變化的巡檢需求和技術(shù)發(fā)展。

四、5G無人機電力巡檢的發(fā)展趨勢

（一）無人化

無人化并不是指未來的5G無人機電力巡檢完全不需要人來參與，而是指未來的5G無人機電力巡檢可以盡可能地減少人員參與[5]。隨著自主飛行技術(shù)的發(fā)展，無人機搭載先進的飛行控制系統(tǒng)，可以根據(jù)預(yù)先編程的航線，自主地在指定的區(qū)域進行巡檢，同時利用其搭載的傳感器和算法自動避障，確保安全飛行。此外，無人機還能夠根據(jù)巡檢任務(wù)的具體需求，自動規(guī)劃航線和執(zhí)行任務(wù)，大大降低了人力成本。無人機機巢是一種地面基礎(chǔ)設(shè)施，用于存放、管理和自動維護無人機。無人機機巢的使用極大地提高了無人機操作的自動化水平。當(dāng)無人機完成巡檢任務(wù)后，它可以自動返回機巢。機巢內(nèi)置的充電系統(tǒng)能夠為無人機自動充電，確保其隨時準備執(zhí)行下一次任務(wù)。同時，機巢還能夠自動上傳無人機收集的數(shù)據(jù)和圖像到云端或數(shù)據(jù)中心，供運維人員進行分析和處理。這種自動化的返回、充電和數(shù)據(jù)上傳功能，不僅減少了人工干預(yù)的需求，還提高了無人機的使用效率和數(shù)據(jù)的實時性。運維人員無需到現(xiàn)場手動更換電池或取回數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了大量的時間和資源。

（二）智能化

智能化是5G無人機電力巡檢發(fā)展的另一大趨勢。它涉及無人機的自主決策、數(shù)據(jù)分析和問題解決能力的提升。智能化巡檢不僅要求無人機能夠自主飛行，還要求它能夠智能識別巡檢中發(fā)現(xiàn)的問題，并進行初步的分析和判斷。在智能化的趨勢下，無人機搭載的傳感器和攝像頭將更加先進，能夠捕捉更高質(zhì)量的圖像和數(shù)據(jù)。同時，無人機將配備更強大的圖像識別和數(shù)據(jù)處理能力，利用人工智能和機器學(xué)習(xí)算法，對巡檢數(shù)據(jù)進行實時分析，自動識別出電力設(shè)施的異常和缺陷，如導(dǎo)線斷裂、絕緣子破損等。智能化巡檢還可以實現(xiàn)預(yù)測性維護，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測潛在的故障和風(fēng)險，提前采取措施，避免故障的發(fā)生。此外，智能化巡檢還可以實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)管理和信息共享，無人機收集的數(shù)據(jù)可以實時上傳到云端，供多個部門和專業(yè)人員共享和分析，提高決策的效率和準確性。

（三）規(guī)?；?/p>

規(guī)?；?G無人機電力巡檢發(fā)展的第三個重要趨勢。它指的是無人機巡檢能夠在更大規(guī)模上實施，覆蓋更廣泛的區(qū)域和更多的電力設(shè)施。規(guī)?；矙z的實現(xiàn)，得益于5G技術(shù)提供的大容量數(shù)據(jù)傳輸能力和無人機自主飛行技術(shù)的成熟。在規(guī)模化的趨勢下，無人機巡檢將不再局限于小范圍或特定類型的電力設(shè)施，而是能夠覆蓋整個電力網(wǎng)絡(luò)，包括輸電線路、變電站、配電線路等。通過部署多個無人機，可以實現(xiàn)對整個電網(wǎng)的全面監(jiān)控和管理，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。規(guī)?；矙z還可以實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，通過集中調(diào)度和任務(wù)分配，提高無人機的使用效率，降低運維成本。隨著5G技術(shù)的普及和無人機技術(shù)的不斷進步，未來無人機電力巡檢的規(guī)?；瘧?yīng)用將更加廣泛，成為電力系統(tǒng)運維的常態(tài)，為電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級提供強有力的支持。

五、結(jié)束語

5G技術(shù)的高速率、低時延和大連接特性，為無人機提供了強大的數(shù)據(jù)傳輸能力，使得實時、精準、安全、經(jīng)濟的電力巡檢成為可能。隨著5G技術(shù)的不斷成熟和無人機技術(shù)的進一步發(fā)展，未來的電力巡檢將向無人化、智能化和規(guī)?；较虬l(fā)展。但同時也應(yīng)意識到，技術(shù)的快速發(fā)展也帶來了數(shù)據(jù)安全與隱私保護等新的挑戰(zhàn)。未來的研究和實踐需要在發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的同時，加強對數(shù)據(jù)安全與隱私保護的關(guān)注和改進。

作者單位：潘銳祥 深圳市好盈科技股份有限公司

參考文獻

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