固定翼無(wú)人機(jī)在電力巡檢應(yīng)用中的技術(shù)升級(jí)*

黃 婷，劉平原，林 韜，王 叢

（1．清華大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳 518055；2．廣東電網(wǎng)機(jī)巡中心，廣東廣州 510080）

0 引言

無(wú)人機(jī)是一種無(wú)人駕駛的、由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱、可搭載各種檢測(cè)設(shè)備、能夠重復(fù)利用并且?guī)в邪l(fā)動(dòng)機(jī)的空中飛行器。作為20世紀(jì)從戰(zhàn)爭(zhēng)中興起的新型技術(shù)，無(wú)人機(jī)已廣泛應(yīng)用于軍事、消防、救災(zāi)、測(cè)繪、航拍、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中[1]。

在我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模蓬勃發(fā)展的今天，無(wú)人機(jī)在電力巡檢中扮演了重要角色。無(wú)人機(jī)巡線具有部署方便靈活、遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)性好、人工成本低、續(xù)航能力長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，巡檢方式簡(jiǎn)單可靠、穩(wěn)定靈活，尤其在地勢(shì)條件嚴(yán)酷的線路，無(wú)人機(jī)可以方便快速地進(jìn)行檢測(cè)，且受惡劣天氣的影響較小，是一種高效智能的電力巡線模式[2]。

電力巡線無(wú)人機(jī)主要分為固定翼無(wú)人機(jī)與多旋翼無(wú)人機(jī)兩種。相比于多旋翼無(wú)人機(jī)，固定翼無(wú)人機(jī)裝載能力更強(qiáng)、續(xù)航能力更長(zhǎng)、速度更快，在國(guó)網(wǎng)和南網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用[3]。近年來(lái)，廣東電網(wǎng)在固定翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用巡檢記錄上取得階段性的突破。針對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)存在的起飛場(chǎng)地限制、事故率高、數(shù)據(jù)處理效率低等問(wèn)題，廣東電網(wǎng)機(jī)巡作業(yè)中心對(duì)固定翼作業(yè)進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的全方位優(yōu)化與改良，取得了良好的效果。通過(guò)引入垂直起降固定翼、升級(jí)后臺(tái)處理軟件，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，使得固定翼作業(yè)效率整體提高30%。對(duì)于固定翼無(wú)人機(jī)在電力巡檢的應(yīng)用推廣具有建設(shè)性的作用。

1 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用概況

無(wú)人機(jī)技術(shù)包含了計(jì)算機(jī)、通信、傳感、快速作業(yè)的能力，涉及航空、飛行自動(dòng)控制、通信、紅外成像、地理信息、衛(wèi)星導(dǎo)航等多個(gè)高尖技術(shù)領(lǐng)域。能夠獨(dú)立完成一些特殊任務(wù)，同時(shí)一般不受人的操作技能或生理特性限制，具有低成本、低損耗、零傷亡、可重復(fù)性和高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)。作為20世紀(jì)從戰(zhàn)爭(zhēng)中興起的新型技術(shù)，無(wú)人機(jī)已廣泛應(yīng)用于軍事、消防、救災(zāi)、測(cè)繪、航拍、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中。

無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，在諸如特種作戰(zhàn)、空中攻擊、空中無(wú)線電以及電子干擾等任務(wù)中扮演重要的角色。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，無(wú)人機(jī)也因?yàn)楣ぷ鬟m應(yīng)性好和操作靈活等優(yōu)勢(shì)引起了廣泛的關(guān)注，國(guó)內(nèi)先后有隆鑫通用、極飛、大疆、無(wú)錫漢和等多家知名企業(yè)投入到農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)中來(lái)[4]。

1.2 無(wú)人機(jī)在電力行業(yè)的應(yīng)用

截至2014年，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模和發(fā)電能力位列世界第一，全國(guó)電網(wǎng)220kV及以上線路回路長(zhǎng)達(dá)57.2萬(wàn)千米，這對(duì)輸電線路巡線維護(hù)提出了更高的要求。無(wú)人機(jī)巡線作為一種高效、智能的巡檢方式，逐漸取代了人工巡檢和有人直升機(jī)巡檢，在電路巡檢中起到了非常重要的作用[5]。

與人工巡檢相比：傳統(tǒng)的輸電線路巡檢方式是人工巡檢，該方法工作量大、條件艱苦、效率低下，對(duì)人力要求高，特別對(duì)處在嚴(yán)酷地形的線路來(lái)說(shuō)，人工巡檢操作艱難，并且具有很大的安全隱患。而無(wú)人機(jī)巡線具有部署方便靈活、減少人員成本、遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性高、續(xù)航能力長(zhǎng)、速度快，尤其在地勢(shì)條件嚴(yán)酷的線路，無(wú)人機(jī)可以方便快速地進(jìn)行檢測(cè)，且受惡劣天氣的影響較小，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，無(wú)人機(jī)巡檢成本僅為人工巡檢的30%[6]。

與有人直升機(jī)相比：與有人直升機(jī)相比，無(wú)人機(jī)無(wú)需產(chǎn)生調(diào)機(jī)、停機(jī)費(fèi)用，無(wú)需進(jìn)行飛行員培訓(xùn)、飛行申請(qǐng)，飛行不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，可快速方便地組織開展輸電線路巡線。在西藏的拉薩以及高原地區(qū)的電線巡視中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在高壓和高海拔地區(qū)連續(xù)工作[7]。近幾年無(wú)人機(jī)技術(shù)日益成熟，在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時(shí)間和飛行品質(zhì)上有了巨大的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在在輸電線路安全巡視作業(yè)中也將逐漸取代有人直升機(jī)[8]。

無(wú)人機(jī)在云南電網(wǎng)災(zāi)情快速勘測(cè)中應(yīng)用取得了重大的進(jìn)展和突破。針對(duì)架空輸電線路可能遭受的覆冰、山火、地質(zhì)（臺(tái)風(fēng)）等災(zāi)害，云南電網(wǎng)研究了無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)災(zāi)情快速勘測(cè)中的應(yīng)用，重點(diǎn)解決制約大型無(wú)人機(jī)在輸電線路災(zāi)情勘測(cè)與快速評(píng)估業(yè)務(wù)化推廣的技術(shù)問(wèn)題。并且取得了以下突破：（1）大型無(wú)人機(jī)輸電線路覆冰狀態(tài)信息獲??；（2）山火（含暗火）實(shí)時(shí)識(shí)別與快速定位；（3）覆冰勘測(cè)（山火監(jiān)測(cè)）專用載荷研制；（4）地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域自動(dòng)識(shí)別；（5）災(zāi)情快速分析與綜合評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，形成大型無(wú)人機(jī)輸電線路覆冰勘測(cè)（山火監(jiān)測(cè)）專用載荷設(shè)備，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路聚合傳輸設(shè)備，大型無(wú)人機(jī)輸電線路災(zāi)情快速處理與評(píng)估系統(tǒng)軟件，通過(guò)飛行驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)大型無(wú)人機(jī)在輸電線路災(zāi)情勘測(cè)與快速評(píng)估的示范應(yīng)用。

1.3 無(wú)人機(jī)巡線經(jīng)濟(jì)效益分析

以廣東電網(wǎng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用為例。廣東電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)輸電線路里程共7萬(wàn)千米，全省年度巡視里程為109萬(wàn)千米。2017年“機(jī)巡+人巡”輸配電線路巡視工作在不考慮設(shè)備成本的情況下，多旋翼無(wú)人機(jī)巡視單價(jià)為197.30元∕km，小于人工巡視單價(jià)307.12元∕km，平均每千米可節(jié)約巡視成本109.82元；由于2017年“機(jī)巡+人巡”方式的巡視工作處于開展初期，機(jī)巡占比較小，在考慮設(shè)備成本的情況下，運(yùn)用新的運(yùn)行策略時(shí)，“機(jī)巡+人巡”方式總投資與傳統(tǒng)人工巡視總投資基本相當(dāng)，綜合成本單價(jià)高于傳統(tǒng)人工巡視成本單價(jià)。隨著技術(shù)、設(shè)備和人才的租金的日益成熟，至2020年，“機(jī)巡+人巡”輸配電線路巡視總投資為20 526.60萬(wàn)元，相較于2017年初期總投資28 007.78萬(wàn)元下降了26.71%，而綜合成本單價(jià)則下降了38%，且各方面條件發(fā)展成熟后的綜合成本單價(jià)為326.86元∕km，小于傳統(tǒng)人工綜合成本單價(jià)356.54元∕km.

2 固定翼無(wú)人機(jī)在廣東電網(wǎng)的應(yīng)用

2.1 固定翼無(wú)人機(jī)與多旋翼無(wú)人機(jī)

目前應(yīng)用于輸電線路巡檢工作的無(wú)人機(jī)主要是兩大類：多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)。

多旋翼無(wú)人機(jī)只需要一塊空曠平整的場(chǎng)地進(jìn)行垂直起降，起降靈活，可懸停和低速飛行，可完成近距離、低速運(yùn)動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間保持同一視角的觀測(cè)任務(wù)。操控簡(jiǎn)單，可通過(guò)搖桿精確控制無(wú)人機(jī)位置，以檢測(cè)目標(biāo)。多旋翼無(wú)人機(jī)利用無(wú)人機(jī)飛控增穩(wěn)系統(tǒng)，能使機(jī)身自動(dòng)平衡，具有很高的穩(wěn)定性。多旋翼無(wú)人機(jī)具有起降靈活和自由懸停等諸多特點(diǎn)，但是其荷載能力和續(xù)航能力技術(shù)尚未成熟，固定翼無(wú)人機(jī)可彌補(bǔ)這方面的不足[9-11]。

相比于多旋翼無(wú)人機(jī)，固定翼無(wú)人機(jī)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）更高的裝載能力：固定翼無(wú)人機(jī)不需克服自身重力，電機(jī)推力只要在機(jī)身重力的1∕10量級(jí)便可起飛，可裝載更大的電池和更多設(shè)備；（2）更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間：可裝載更多電池設(shè)備，同樣容量的電池可飛行更長(zhǎng)時(shí)間，續(xù)航時(shí)間遠(yuǎn)高于多旋翼無(wú)人機(jī)；（3）速度快：固定翼無(wú)人機(jī)速度一般能達(dá)到80 km∕h，是多旋翼的三五倍。在搭載同樣設(shè)備的情況下，可對(duì)線路進(jìn)行更大范圍的排查[12-14]。

固定翼無(wú)人機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間滯空等特點(diǎn)解決了多旋翼無(wú)人機(jī)的問(wèn)題，不但可以對(duì)線路、桿塔局部進(jìn)行精細(xì)巡檢，還可對(duì)線路走廊全局進(jìn)行快速普查，從而滿足電力巡檢的要求。固定翼無(wú)人機(jī)主要對(duì)線路通道、周邊環(huán)境、施工作業(yè)、交叉跨越等情況進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握線路通道環(huán)境動(dòng)態(tài)變化及線路本體明顯缺陷，災(zāi)害時(shí)迅速進(jìn)行災(zāi)情普查和災(zāi)情評(píng)估。

2.2 固定翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用成果

近年來(lái)，廣東電網(wǎng)在固定翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用巡檢記錄上取得階段性的突破。2016年固定翼無(wú)人機(jī)巡視里程1.2萬(wàn)km，實(shí)現(xiàn)了固定翼無(wú)人機(jī)大范圍通道巡視。2017年，無(wú)人機(jī)巡視線路8.3萬(wàn)km，其中固定翼作業(yè)7.6萬(wàn)km，無(wú)人機(jī)作業(yè)量全球第一，發(fā)現(xiàn)缺陷6.8萬(wàn)處，其中樹障重大缺陷1.9萬(wàn)處，在湛江、梅州、江門、茂名、清遠(yuǎn)等9個(gè)地市開展防山火特巡3673km，發(fā)現(xiàn)13個(gè)山火重大隱患，累積作業(yè)里程居全球首位。通過(guò)引入垂直起降固定翼、升級(jí)后臺(tái)處理軟件、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，使得固定翼作業(yè)效率整體提高30%。在肇慶、江門、佛山等供電局118條配網(wǎng)線路上試點(diǎn)開展“機(jī)巡+人巡”運(yùn)維工作，發(fā)現(xiàn)缺陷503處，推動(dòng)配網(wǎng)運(yùn)維由事后故障處理向事前消缺的轉(zhuǎn)變。

固定翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用在以下幾個(gè)方面取得很好的效果：（1）廣東電網(wǎng)通過(guò)對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)的改造和升級(jí)，解決人工勞動(dòng)最為密集的輸電線路通道巡視難題，通過(guò)無(wú)人機(jī)立體測(cè)圖技術(shù)，開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)樹障及其他隱患點(diǎn)的三維距離量測(cè)；（2）大大提升了智能作業(yè)的快速性和精準(zhǔn)性，在應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)、冰凍等自然災(zāi)害時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速勘災(zāi)，為搶修贏得先機(jī)，大大縮短復(fù)電時(shí)間，贏得社會(huì)廣泛贊譽(yù)；（3）機(jī)巡作業(yè)可集中發(fā)現(xiàn)大量缺陷，設(shè)備運(yùn)維單位一次停電即可消除大量缺陷，一方面減少線路重復(fù)停電時(shí)間，提升了客戶滿意度，另一方面消除設(shè)備隱患，提高了設(shè)備健康水平，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；（4）采用多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)分工組合驗(yàn)收的形式開展，固定翼無(wú)人機(jī)完成樹障、邊坡、房屋、施工黑點(diǎn)等通道驗(yàn)收項(xiàng)目，多旋翼無(wú)人機(jī)完成鐵塔、絕緣子、金具、附件、導(dǎo)地線、防震錘等精細(xì)化驗(yàn)收項(xiàng)目。

3 固定翼無(wú)人機(jī)存在的問(wèn)題及技術(shù)升級(jí)

針對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)存在的針對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)存在的起飛場(chǎng)地限制、事故率高、數(shù)據(jù)處理效率低等問(wèn)題，廣東電網(wǎng)通過(guò)引入垂直起降固定翼、升級(jí)后臺(tái)處理軟件、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，使得固定翼作業(yè)效率整體提高30%，在固定翼無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)上取得了關(guān)鍵技術(shù)的突破和創(chuàng)新。

3.1 垂直起降技術(shù)

相對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)，固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)起飛場(chǎng)地有很高的要求。由于其飛行原理上的特點(diǎn)，固定翼無(wú)人機(jī)需要很長(zhǎng)的助跑跑道，發(fā)動(dòng)機(jī)向后推動(dòng)以獲取較高的速度，以此獲得較大速度的相對(duì)氣流，從而產(chǎn)生足夠大的升力使飛機(jī)起飛。因而對(duì)起飛場(chǎng)地的要求較為苛刻。

升級(jí)后的機(jī)型是固定翼和多旋翼復(fù)合機(jī)型，同時(shí)具備了固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，并且克服了固定翼無(wú)人機(jī)的缺點(diǎn)。既保留了傳統(tǒng)固定翼續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、速度快的優(yōu)勢(shì)，還具備多旋翼無(wú)人機(jī)的垂直起降技術(shù)。垂直起飛技術(shù)無(wú)需通過(guò)助跑獲取足夠的升力而起飛，所以克服了起飛場(chǎng)地限制的問(wèn)題。并且，避免了傘降瞬間劇烈沖擊造成的機(jī)體磨損、零部件松脫等潛在的機(jī)身安全隱患，大幅度提高了飛機(jī)的可靠性。

3.2 定位技術(shù)升級(jí)

固定翼無(wú)人機(jī)航點(diǎn)采集的GPS精度不足，并且尚不能實(shí)現(xiàn)固定翼無(wú)人機(jī)長(zhǎng)距離范圍的遠(yuǎn)程控制，因而固定翼無(wú)人機(jī)飛行故障率高。為了改善無(wú)人機(jī)定位和遠(yuǎn)程操控的不足，對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)的定位技術(shù)進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的升級(jí)。

（1）精準(zhǔn)時(shí)空定位技術(shù)：該機(jī)型兼具RTK（實(shí)時(shí)差分）和PPK（后差分定位）功能，在起飛和降落階段使用RTK實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)起降，在執(zhí)行作業(yè)任務(wù)階段使用PPK，提高了采集航點(diǎn)的GPS精度，全面提升作業(yè)便捷性以及數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，機(jī)組人員只需一鍵發(fā)送起飛和降落指令即可完成整個(gè)飛行，操作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，將原有的培訓(xùn)時(shí)間由30天縮短至15天，培訓(xùn)成本降低一半。

（2）銥星遠(yuǎn)程控制與追蹤定位技術(shù)：升級(jí)后的機(jī)型采用銥星衛(wèi)星鏈路，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)百千米遠(yuǎn)程控制，填補(bǔ)了固定翼無(wú)人機(jī)盲飛的空白，使得無(wú)人機(jī)在沒(méi)有2∕3∕4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的區(qū)域，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)狀態(tài)，還可以遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)，按照空域使用要求，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)迫降或者返航。

3.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)升級(jí)

固定翼無(wú)人機(jī)巡檢產(chǎn)生海量攝影數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理難度較大。一是巡檢影像的整理需大量時(shí)間，特別是外委部分送達(dá)后需要消耗較多時(shí)間整理；二是缺陷識(shí)別效率較低。在目前人員現(xiàn)狀條件下，對(duì)于海量數(shù)據(jù)的處理極為低下；三是缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率低，無(wú)人機(jī)作業(yè)人員中具備豐富線路運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的人員較少，特別是外委單元人員中基本不具備電氣知識(shí)，造成缺陷識(shí)別準(zhǔn)確度較低。為了提升固定翼無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)的效率，對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行改造優(yōu)化。

（1）免像控技術(shù)：無(wú)人機(jī)配合PPK技術(shù)在提供厘米級(jí)定位信息的同時(shí)，引入曝光引閃器，將相機(jī)曝光延時(shí)從400 ms降低至10 ms以內(nèi)，將照片位置誤差和慣導(dǎo)誤差控制技術(shù)提升至行業(yè)領(lǐng)先水平；同時(shí)，通過(guò)搭載全畫幅4000萬(wàn)像素單傾斜相機(jī)，即可超越傾斜雙相機(jī)精度，還使影像數(shù)據(jù)量減少一半，大幅度降低了數(shù)據(jù)解算工作量，使得數(shù)據(jù)解算效率翻倍。

（2）自動(dòng)駕駛技術(shù)：無(wú)人機(jī)配套自動(dòng)駕駛軟件升級(jí)為輸電線路通道巡視專用版，內(nèi)嵌Google Earth三維地表高差模型，在導(dǎo)入輸電線路坐標(biāo)后，一鍵生成作業(yè)航線，擁有飛行坡度角自動(dòng)修正、自動(dòng)添加預(yù)轉(zhuǎn)彎、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)等適合線路通道巡視的高級(jí)功能，一個(gè)軟件替代了原來(lái)5個(gè)軟件的工作，使得航線規(guī)劃工作在10分鐘內(nèi)完成，效率提高5倍以上。

（3）數(shù)據(jù)處理：2017年，數(shù)據(jù)處理在保證精度的情況下，不但將原有6個(gè)軟件通過(guò)優(yōu)化集成，縮減至2個(gè)軟件，使得處理流程更加便捷；而且，實(shí)現(xiàn)了影像三維點(diǎn)云的編輯與分類功能，可將噪點(diǎn)數(shù)據(jù)刪除、地表快速分類，大幅度提高了安全距離判斷的準(zhǔn)確性；同時(shí)，添加了諸如報(bào)告自動(dòng)生成、導(dǎo)線鏡像復(fù)制、測(cè)距結(jié)果三維校核等自動(dòng)功能，無(wú)論是數(shù)據(jù)處理效率，還是處理質(zhì)量，都實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的提升，將數(shù)據(jù)處理能力由12千米∕人∕日，提升至20千米∕人∕日。

4 結(jié)論

固定翼無(wú)人機(jī)具有裝載能力強(qiáng)、續(xù)航能力長(zhǎng)、速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)存在起飛場(chǎng)地限制、事故率高、數(shù)據(jù)處理效率低等問(wèn)題。廣東電網(wǎng)機(jī)巡中心近幾年來(lái)對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)進(jìn)行多方面的技術(shù)改善，通過(guò)引入垂直起降固定翼、升級(jí)后臺(tái)處理軟件，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，大大提高了固定翼作業(yè)效率，對(duì)于輸電線路電力巡檢有重要的意義。