巡線無(wú)人機(jī)

邢強(qiáng)

電力巡線是無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)重要組成部分，也是體現(xiàn)工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平并考驗(yàn)無(wú)人機(jī)使用者專業(yè)技能的一項(xiàng)應(yīng)用。本系列文章之前介紹的消防、農(nóng)業(yè)、航拍和警用領(lǐng)域中，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用大多帶有人在回路的特點(diǎn)，對(duì)操作人員的實(shí)時(shí)參與有一定的需求。而電力巡線無(wú)人機(jī)則對(duì)平時(shí)狀況下的自主決策與緊急情況下的自主決斷提出了更高的要求，這是由該類型無(wú)人機(jī)靠近高壓線路且通常在野外環(huán)境中的工作條件決定的。

空中巡線早有需求

毋庸置疑，電力是推動(dòng)整個(gè)人類文明發(fā)展的一種至關(guān)重要的力量。很難想象我們離開(kāi)電力該怎樣生活。不過(guò)，由于自然資源的地理分布與大城市的地理位置往往是不能重合的，發(fā)電廠與大城市之間通常相隔甚遠(yuǎn)，因此其發(fā)出的電能需要通過(guò)漫長(zhǎng)的輸電線路才能抵達(dá)渴求電力的大都市和小山村。

與世界其他國(guó)家相比，中國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)無(wú)論是在規(guī)模上還是在新建網(wǎng)絡(luò)的速度上都已處于較為領(lǐng)先的地位。大規(guī)模電網(wǎng)是與我國(guó)城市化進(jìn)程迅速推進(jìn)以及制造業(yè)大國(guó)定位相匹配的不可或缺的基礎(chǔ)建設(shè)。目前，我國(guó)已經(jīng)形成了華北、華東、華中、東北、西北和南方共6個(gè)跨越省份行政區(qū)的巨型電網(wǎng)。而我國(guó)優(yōu)質(zhì)的煤炭、石油、天然氣等火力發(fā)電資源和高落差、徑流量的水力發(fā)電資源的分布與沿海城市群規(guī)劃之間的距離大多較為遙遠(yuǎn)。為了減少電能在輸送過(guò)程中的損失，我國(guó)建設(shè)了規(guī)模龐大的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)。迄今，我國(guó)僅11萬(wàn)伏特電壓以上的輸電線路已達(dá)51.5萬(wàn)千米。

另外，特高壓直流輸電系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展使得輸電距離進(jìn)一步增加。與傳統(tǒng)交流輸電相比，特高壓直流輸電投資較少、電能損耗較低，在長(zhǎng)距離的電能輸送方面更有優(yōu)勢(shì)，電源點(diǎn)與負(fù)荷中心電輸送效率更高。輸出同樣的功率，直流架空線路可節(jié)省約三分之一的鋼芯鋁線、三分之一的鋼材、三分之一的線路造價(jià)與線路損耗。（直流輸電的電能損耗一般為每1000千米3%，隨電壓等級(jí)和結(jié)構(gòu)不同有所差異。）

如今，全球輸電距離最長(zhǎng)的高壓直流輸電系統(tǒng)位于巴西，從其西部韋柳港到南部阿拉拉夸拉的瑪代拉河，即在電力行業(yè)內(nèi)非常著名的Rio Madeira HVDC系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用±60萬(wàn)伏的直流電輸送電力，全長(zhǎng)2375千米，自2014年開(kāi)始正式啟用。

高壓輸電系統(tǒng)需要使用絕緣子進(jìn)行絕緣，漫長(zhǎng)的輸電線路無(wú)時(shí)無(wú)刻不經(jīng)受著自然的侵蝕。在升壓線路和降壓線路部分，有大量變電設(shè)備需要專業(yè)人員定期進(jìn)行巡檢和維護(hù)。按我國(guó)現(xiàn)狀，每年在電力行業(yè)的投資規(guī)模為1 000億元人民幣左右，其中有73%的資金直接投放到了硬件設(shè)-施的建設(shè)中。如何保證這些硬件設(shè)施的可靠性與安全性，是個(gè)很大的課題。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)依賴人工進(jìn)行電力線路的巡檢作業(yè)。通常，每100千米的輸電線路的巡檢需要耗費(fèi)160個(gè)工時(shí)。也就是說(shuō)，如果想要在1個(gè)工作日內(nèi)完成100千米的線路巡檢，需要20名巡線人員同時(shí)工作。而且，高壓輸電線路很多是在深山老林和崇山峻嶺中，電力巡線人員為了保障人民的生活用電與工業(yè)建設(shè)用電，常常要冒很大的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行作業(yè)。

如果能夠在空中進(jìn)行電力巡線作業(yè)，豈不是一件很好的事情？如今的高壓輸電鐵塔有十幾層樓高，用飛行器接近高壓電線鐵塔的頂端進(jìn)行巡視，可以距離絕緣子更近，能夠看得更清楚。而且飛行器不懼山河阻隔、不怕路途險(xiǎn)遠(yuǎn)，能夠更快地完成巡視作業(yè)。歷史上，電力巡線和電力作業(yè)與直升機(jī)之間的淵源可以追溯到很早之前。1939年春，美國(guó)的伊戈?duì)枴ひ寥f(wàn)諾維奇·西科爾斯基完成了VS-300直升機(jī)的全部設(shè)計(jì)工作，同年夏天制造出一架原型機(jī)。這種單旋翼帶尾槳的直升機(jī)構(gòu)型成為現(xiàn)在最常見(jiàn)的直升機(jī)構(gòu)型。10年后，在直升機(jī)還算是新鮮“玩意兒”時(shí)，美國(guó)和歐洲就有人對(duì)使用它進(jìn)行電力巡檢進(jìn)行了探索。

反應(yīng)快速深入山林

后來(lái)，英國(guó)EA電力咨詢公司與英國(guó)威爾士大學(xué)合作，實(shí)施了世界上最早利用無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行電力巡線的正式應(yīng)用。1979年，美國(guó)的邁克爾·寇蒂斯率先進(jìn)行了直升機(jī)等電位帶電作業(yè)的嘗試。到了20世紀(jì)80年代，美國(guó)、加拿大和澳大利亞都逐漸從直升機(jī)輸電線路巡線、檢修等作業(yè)內(nèi)容發(fā)展到了直升機(jī)等電位帶電作業(yè)，使直升機(jī)電力作業(yè)技術(shù)又向前邁進(jìn)了—大步。

相對(duì)于傳統(tǒng)的電力線路巡視流程，直升機(jī)巡視線路能夠更快地實(shí)施作業(yè)。但實(shí)際上，這樣的作業(yè)形式依然存在一些問(wèn)題。工作人員對(duì)電線桿、刀閘、鐵塔、高壓導(dǎo)線、變壓器、絕緣子等設(shè)備進(jìn)行巡檢時(shí)，主要還是以紙質(zhì)形式保存巡檢記錄。因此手工錄入人員的工作強(qiáng)度大、出錯(cuò)概率較高。

借助現(xiàn)代的光學(xué)吊艙，直升機(jī)能夠完成一些自動(dòng)化巡檢作業(yè)。但是，再好的吊艙也需要用飛行員駕駛的直升機(jī)升上天空。雇傭飛行員和對(duì)其培訓(xùn)是一項(xiàng)較大的費(fèi)用。對(duì)于電力巡檢常用的Bell-206和MD-500直升機(jī)的飛行員來(lái)說(shuō)，在山林之間穿梭飛行，而且要盡量靠近高壓鐵塔和高壓電線，存在太多不安全因素。直升機(jī)電力巡檢工作人員出現(xiàn)傷亡的事故時(shí)有報(bào)道。另外，有人駕駛直升機(jī)的巡航距離通常約500千米，如果往返巡檢，直升機(jī)的巡檢距離大多要控制在200千米左右。這對(duì)于動(dòng)輒就數(shù)百千米的高壓線路來(lái)說(shuō)，仍顯不足。為此，需在直升機(jī)巡檢線路附近，每隔幾百千米就設(shè)立直升機(jī)起降和前線維護(hù)保養(yǎng)的簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)，無(wú)疑大幅增加了電力巡檢的投入。

于是，電力巡線無(wú)人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。采用多旋翼架構(gòu)的無(wú)人機(jī)可以定點(diǎn)懸停，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和故障多發(fā)部位進(jìn)行凝視監(jiān)測(cè)；而采用固定翼架構(gòu)的無(wú)人機(jī)可以在被監(jiān)測(cè)區(qū)域上空進(jìn)行盤(pán)旋飛行，對(duì)鐵塔、線路的整體情況進(jìn)行判斷，對(duì)特定時(shí)朗的電線結(jié)冰情況及時(shí)提出預(yù)警（這在我國(guó)南方部分地區(qū)尤其重要）。日本關(guān)西電力公司總結(jié)了幾年來(lái)使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力巡檢的經(jīng)驗(yàn)后，認(rèn)為采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力巡檢比采用有人駕駛直升機(jī)進(jìn)行巡檢要節(jié)省50%的支出。同時(shí)，無(wú)人機(jī)特有的靈活性能夠大幅降低人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。而無(wú)人機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)較有人駕駛的直升機(jī)來(lái)說(shuō)，要簡(jiǎn)單得多。只需一塊不大的空地，無(wú)人機(jī)就可垂直起降，只需一輛帶有地面站的保障車輛，就能讓無(wú)人機(jī)連續(xù)作業(yè)。

按照國(guó)際電力巡檢領(lǐng)域幾十年來(lái)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行精細(xì)化巡檢的作業(yè)速度應(yīng)當(dāng)保持在15-25千米/小時(shí)，進(jìn)行快速高效巡檢的作業(yè)速度則在30-40千米/小時(shí)。這樣的速度范圍尤其適合無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)。采用高效巡檢模式工作的無(wú)人機(jī)，如果其續(xù)航時(shí)間為1小時(shí)，那么它4個(gè)架次的起降作業(yè)便相當(dāng)于30名巡檢工作人員一天工作量的總和。

技術(shù)引領(lǐng)服務(wù)民生

我國(guó)對(duì)能源的需求很大，對(duì)電力能源持續(xù)可靠的供應(yīng)有較高的要求，全國(guó)各地超高壓電力線路在不斷搭建。當(dāng)高壓線路跨越大面積的湖區(qū)上空時(shí)，當(dāng)其飛躍崇山峻嶺時(shí)，都會(huì)對(duì)巡檢人員提出更多的挑戰(zhàn)。幸而有電力巡線無(wú)人機(jī)，讓人們不再受地形地貌的限制，實(shí)現(xiàn)了巡線的自動(dòng)化和全地形化。

當(dāng)然，就像無(wú)人機(jī)在其他行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用一樣，在電力巡線中使用的無(wú)人機(jī)也需要這個(gè)行業(yè)獨(dú)特的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行支撐。

電力巡線無(wú)人機(jī)的核心技術(shù)體現(xiàn)在飛行器本身與載荷兩個(gè)方面。因?yàn)殡娏ρ簿€無(wú)人機(jī)經(jīng)常要在深山或湖區(qū)上空飛行，并且要靠近危險(xiǎn)的高壓輸電線路，因此須對(duì)其可靠性提出較高的要求。同時(shí)，飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈要具備長(zhǎng)距離、抗干擾性并適合野外作業(yè)。在載荷方面，電力巡線無(wú)人機(jī)需要裝備可見(jiàn)光高清拍攝裝置，且要有功能強(qiáng)大的陀螺儀增穩(wěn)系統(tǒng)輔助。另外，還需要裝備紅外熱成像設(shè)備，以便對(duì)導(dǎo)線連接點(diǎn)的過(guò)熱情況、絕緣子的工作狀態(tài)等進(jìn)行檢測(cè)。按照重點(diǎn)線路每年至少巡檢12次的規(guī)范，電力巡線無(wú)人機(jī)還應(yīng)具有能在野外環(huán)境中長(zhǎng)期工作并保持較好狀態(tài)的能力。這些都是對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)和制造單位提出的挑戰(zhàn)。

電力巡線無(wú)人機(jī)將許多巡檢員從深山老林中解救出來(lái)，使他們免受山體滑坡、泥石流和蟲(chóng)害的侵?jǐn)_，將很多電力作業(yè)直升機(jī)飛行員的工作強(qiáng)度和危險(xiǎn)程度降低，使他們不再因?yàn)橐N近觀察絕緣子情況而冒著旋翼碰觸高壓電線的風(fēng)險(xiǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，更多更加智能的電力巡線無(wú)人機(jī)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路的問(wèn)題，幫助人們抵御冰災(zāi)等各種災(zāi)害，為保障人們生產(chǎn)生活的電力供應(yīng)貢獻(xiàn)更多力量。