多旋翼無(wú)人機(jī)在輸電線路巡線中的應(yīng)用

王剛 孟瑩梅

摘 要：當(dāng)下輸電線路巡檢自動(dòng)化已成為電力系統(tǒng)維護(hù)的必然趨勢(shì)和發(fā)展方向，無(wú)人機(jī)巡檢方式的普及，將極大減輕送電線工在線路日常巡視、緊急搶修、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面的工作壓力，在消除人工巡檢盲點(diǎn)的同時(shí)，提高了巡檢效率與巡視質(zhì)量，保障了巡檢過(guò)程中的人身安全。本文簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)巡線技術(shù)的研究現(xiàn)狀，將常見(jiàn)的巡線用無(wú)人機(jī)進(jìn)行分類(lèi)比較，得出不同種類(lèi)無(wú)人機(jī)巡線的優(yōu)缺點(diǎn)，并以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，詳細(xì)介紹了小型旋翼機(jī)巡檢過(guò)程中的操作流程和基本注意事項(xiàng)。最后還展望了圖像、數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以及要求更高的激光雷達(dá)巡線技術(shù)。

關(guān)鍵詞：輸電線路；無(wú)人機(jī)；巡檢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.148

0 引言

隨著電力網(wǎng)架構(gòu)成的進(jìn)一步豐富、智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，繼續(xù)依靠傳統(tǒng)人力巡檢輸電線路已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)階段的巡線要求。基于當(dāng)前無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，相應(yīng)軟、硬件技術(shù)日趨完善，利用無(wú)人機(jī)代替人力進(jìn)行巡線，可以到達(dá)人力很難到達(dá)的地方，且巡線效率高，范圍廣，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)的相關(guān)研究和應(yīng)用也在逐年加強(qiáng)。

1 無(wú)人機(jī)分類(lèi)比較

固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)為常用電力專(zhuān)用無(wú)人機(jī)，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用于不同的巡線場(chǎng)合。固定翼無(wú)人機(jī)飛行速度快，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，但不能懸停于空中，適用于進(jìn)行輸電線路通道大范圍、長(zhǎng)距離巡檢。無(wú)人直升機(jī)飛行靈活，能快速準(zhǔn)確的進(jìn)行輸電線路作業(yè)，現(xiàn)已基本運(yùn)用到對(duì)輸電線路通道環(huán)境監(jiān)測(cè)，交叉跨越復(fù)核檢查，重要隱患監(jiān)控等方面的巡視工作。多旋翼無(wú)人機(jī)最大的特點(diǎn)便是能垂直起降，飛行控制靈活，穩(wěn)定性高，可應(yīng)用在電氣線路設(shè)備的參數(shù)收集、故障查找等任務(wù)中。在故障段確定的情況下，多旋翼無(wú)人機(jī)能在接近線路處進(jìn)行空中懸停，完成輸電線路桿塔設(shè)備、絕緣子等定點(diǎn)目標(biāo)的精益化巡檢工作?？偨Y(jié)以上各類(lèi)無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)與當(dāng)前電力生產(chǎn)工作實(shí)際相結(jié)合，架空輸電線路的巡線建議使用固定翼無(wú)人機(jī)搭配小型旋翼機(jī)或無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行。而固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人機(jī)直升機(jī)的價(jià)格相對(duì)較高，基于巡線頻率與性?xún)r(jià)比綜合考慮，價(jià)格便宜且操控靈活的小型旋翼機(jī)是現(xiàn)階段最值得推廣的機(jī)型。

2 無(wú)人機(jī)巡檢流程

我們以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢流程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。小型旋翼機(jī)巡線一般巡檢流程如下：第一、收集巡檢線路資料，確定巡檢線路的地點(diǎn)、巡檢時(shí)間、人員和車(chē)輛安排等內(nèi)容；第二、確定桿塔類(lèi)型、桿塔數(shù)量、桿塔巡檢對(duì)象、拍攝要求、拍攝數(shù)量；第三、勘查巡檢現(xiàn)場(chǎng)，了解桿塔位置、線路走向、地形、地貌、風(fēng)向、風(fēng)速、光源方向、信號(hào)塔、山丘、河流、樹(shù)木、礦藏、地下管道等；第四、制定飛行計(jì)劃，確定地面站放置點(diǎn)、飛手站立地點(diǎn)、飛機(jī)起飛點(diǎn)、飛行方向、飛行路線，尤其需要注意桿塔方位、風(fēng)向、風(fēng)速、光源、樹(shù)木、通訊塔、山丘、礦藏、管道、溫度、飛手站位與桿塔電線的角度；第五、根據(jù)巡線需求調(diào)整相機(jī)中設(shè)置的照片質(zhì)量，實(shí)施巡檢，每個(gè)拍攝對(duì)象拍攝5張以上的照片，以防止因?yàn)闊o(wú)人機(jī)抖動(dòng)造成的相片重影，圖像發(fā)虛等情況，從中選擇最優(yōu)照片，避免因?yàn)椴缓细裾掌柚匦嘛w行，以便提高飛行的效率。

下面將對(duì)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中桿塔巡檢拍攝步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

步驟一：起飛后緩慢上升至左線下相，機(jī)身與線路左線大號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具；緩慢下降，機(jī)身與線路左跳線硬管母水平，拍攝硬管母整體及連接金具；緩慢上升，機(jī)身與線路左線小號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串、金具等。

步驟二 ：緩慢上升至左線中相，重復(fù)步驟一。

步驟三 ：緩慢上升至左線上相，重復(fù)步驟一。

步驟四 ：緩慢上升至塔頂，略高于地線，拍攝左側(cè)地線及掛點(diǎn)和金具。

步驟五 ：翻越桿塔至另一側(cè)，緩慢下降，拍攝右側(cè)地線。

步驟六：緩慢下降至右線上相，機(jī)身與線路右線大號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具；緩慢下降，機(jī)身與線路右跳線硬管母水平，拍攝右跳線硬管母整體及連接金具；緩慢上升，機(jī)身與線路右線小號(hào)側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具。

步驟七 ：緩慢下降至左線中相，重復(fù)步驟六。

步驟八 ：緩慢下降至左線下相，重復(fù)步驟六。

步驟九：拍攝大小號(hào)側(cè)通道及周?chē)ｋU(xiǎn)點(diǎn)。

以上九個(gè)步驟為巡檢1000kV同塔雙回耐張塔時(shí)的拍攝方式，其他電壓等級(jí)的線路巡檢過(guò)程與其類(lèi)似。同時(shí)我們還應(yīng)該注意到小型旋翼機(jī)巡線時(shí)天氣狀況影響較大，當(dāng)風(fēng)力高于 3 級(jí)時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)出現(xiàn)飄移的情況，可能導(dǎo)致其與輸電線路、輸電桿塔設(shè)備等無(wú)法滿(mǎn)足有效的安全距離，甚至發(fā)生碰撞。因此加裝測(cè)距系統(tǒng)也是目前眾多巡線用無(wú)人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前使用最多的是超聲波測(cè)距模塊，超聲波模塊的特點(diǎn)是必須符合探測(cè)角度足夠大的要求，測(cè)量距離的范圍適中即可。小型旋翼機(jī)機(jī)體較小，能近距離飛抵輸電線路附近，我們這里選用的測(cè)試距離以 6-10 米為宜，檢測(cè)的精度能夠達(dá)到毫米級(jí)，這也是我們將小型旋翼機(jī)作為線路巡檢設(shè)備首先的考慮因素之一。

3 后期數(shù)據(jù)處理

目前，無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)已然成為了輸電線路智能巡檢的主要方式。無(wú)人機(jī)在巡檢作業(yè)時(shí)拍攝了大量的數(shù)據(jù)資料，對(duì)于這些數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)相關(guān)從業(yè)單位主要還是以人工處理為主，或由人工在線監(jiān)視、實(shí)時(shí)判斷發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)備的異常情況。人工處理的模式，一方面會(huì)增加很大的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面?zhèn)€人因素對(duì)后期數(shù)據(jù)的分析質(zhì)量也會(huì)造成不確定的影響。而采用人工在線監(jiān)視、實(shí)時(shí)判斷發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)備的異常情況，又比較容易遺漏或誤報(bào)關(guān)鍵信息，因此采用人工處理無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)的方法實(shí)際上并不值得繼續(xù)推廣。

可喜的是，隨著近些年基于嵌入式系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)的輸電線故障檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，我們可以讓無(wú)人機(jī)搭載圖像傳感器和嵌入式處理器，將采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理、輸電線識(shí)別與定位、輸電線上附件識(shí)別，將輸電線從復(fù)雜背景中進(jìn)一步分離出來(lái)，再進(jìn)行導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)、絕緣子狀態(tài)評(píng)估、異物掛線、導(dǎo)線斷股、金具形變等故障檢測(cè)，加之對(duì)報(bào)警信息及分析后的視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，以及對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的快算檢索，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將輸電線狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋至地面控制臺(tái)。新技術(shù)的革新、新產(chǎn)品的研究與推廣，使得無(wú)人機(jī)巡檢能夠做到有效快速地進(jìn)行故障檢測(cè)和分析，安全便捷地向控制中心提供輸電線路狀況，無(wú)論是在輸電線路巡檢質(zhì)量，還是在巡檢設(shè)備承載力上都有了質(zhì)的飛躍。

4 總結(jié)與展望

我們可以清晰的看到，以美國(guó)為主的發(fā)達(dá)國(guó)家依托于先進(jìn)的無(wú)人機(jī)研發(fā)基礎(chǔ)，在無(wú)人機(jī)電力設(shè)施巡檢領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位?？v觀國(guó)內(nèi)近幾年的無(wú)人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r，各類(lèi)基于無(wú)人機(jī)類(lèi)型產(chǎn)品的科技公司層出不窮，例如大疆、3D Robotics、派諾特、零度、極飛等，這些公司生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品更多傾向于民用航拍，國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)行業(yè)在機(jī)身材料革新、位置及姿態(tài)傳感技術(shù)、無(wú)人機(jī)地面站技術(shù)等方面的發(fā)展也是有目共睹的。

但是在電力行業(yè)，特別是在輸電線路巡檢方面，由于輸電線路巡檢復(fù)雜多變的巡檢環(huán)境以及需要基于輸電線路進(jìn)行無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃、無(wú)人機(jī)禁飛區(qū)設(shè)置等多方面的特殊功能需求，截至目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)輸電線路巡檢所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)量化產(chǎn)品。且國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)行業(yè)還處于硬件開(kāi)發(fā)層面，配合無(wú)人機(jī)巡檢的地面監(jiān)控系統(tǒng)，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)在線處理、智能識(shí)別、診斷技術(shù)等類(lèi)型的軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)方向的研究還是收獲甚微。

目前電力巡檢監(jiān)控系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)之間依舊是一對(duì)一的工作模式，即一臺(tái)地面監(jiān)控系統(tǒng)只能監(jiān)控一架巡檢無(wú)人機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)和巡檢無(wú)人機(jī)間的通信策略研究，將會(huì)是影響電力用無(wú)人機(jī)發(fā)展的重中之重，如何能夠通過(guò)地面監(jiān)控系統(tǒng)的智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)智能、自主和協(xié)同巡檢，以便進(jìn)一步提升巡檢效率，也會(huì)成為巡檢用無(wú)人機(jī)的重點(diǎn)研究方向。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，引入具有真正意義上的人工智能計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析技術(shù)，使巡檢系統(tǒng)具備人眼的識(shí)別和人腦的分析能力，利用無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)圖像的仿生視覺(jué)處理，我們可以清晰的識(shí)別輸電線路的桿塔、導(dǎo)線、附屬設(shè)備、弧垂變化等情況，對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)中重要的缺陷和隱患進(jìn)行及時(shí)、有效的處理，以便提高無(wú)人機(jī)巡檢水平，減少人為后期巡檢數(shù)據(jù)處理的工作量。隨著尖端技術(shù)的發(fā)展和普及，在軍工領(lǐng)域運(yùn)用較多的激光雷達(dá)技術(shù)，也將會(huì)成為未來(lái)電力專(zhuān)用無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)可拓展延伸的方向。我相信，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢圖像進(jìn)行預(yù)處理功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自然背景下輸電線路及附屬設(shè)備的自動(dòng)提取與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)處理分析的智能化將是國(guó)內(nèi)外電力用無(wú)人機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：王剛（1991-），男，江蘇南通人，本科，助理工程師，從事送電線路方面工作。