無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)巡檢中的飛行能力評(píng)估模型建立與驗(yàn)證

吳昊 謝曉君

摘要：本文主要介紹了無(wú)人機(jī)電力巡檢過(guò)程中的無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀、無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用、無(wú)人機(jī)應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題以及相對(duì)應(yīng)的解決方法。無(wú)人機(jī)巡檢屬于一種較為智能的巡檢模式，在電力巡檢當(dāng)中，無(wú)人機(jī)巡檢現(xiàn)如今已經(jīng)代替了人工巡檢和直升機(jī)巡檢。未來(lái)的電力巡檢過(guò)程中，無(wú)人機(jī)將會(huì)扮演更加重要的角色。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);電網(wǎng)巡檢：評(píng)估模型

無(wú)人機(jī)屬于一種使用無(wú)線電進(jìn)行遙控的空中飛行器，同時(shí)這種飛行器可以搭載多種檢測(cè)設(shè)備，可以重復(fù)進(jìn)行應(yīng)用。在20世紀(jì)，無(wú)人機(jī)首次在戰(zhàn)爭(zhēng)中出現(xiàn)，而現(xiàn)如今無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到了軍事、消防、救災(zāi)、測(cè)繪、航拍、農(nóng)業(yè)、電力等等領(lǐng)域。伴隨著我國(guó)電網(wǎng)的不斷建設(shè)，電網(wǎng)巡檢工作成為了亟待解決的問(wèn)題，而無(wú)人機(jī)方便、靈活、實(shí)時(shí)性好、續(xù)航能力強(qiáng)等等優(yōu)點(diǎn)決定了無(wú)人機(jī)可以在電網(wǎng)巡檢中發(fā)揮出作用。

1 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)屬于將多種能力容納于一身，其中包括有：計(jì)算機(jī)、通信、傳感、快速作業(yè)，而除此之外還涉及到了多種領(lǐng)域，其中包括航空、飛行控制、通信、紅外成像、地理信息、衛(wèi)星導(dǎo)航等等。無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)將一些人力無(wú)法完成或者人力完成危險(xiǎn)較大的任務(wù)得到了輕松的處理，因此各個(gè)領(lǐng)域的許多難題都因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的出現(xiàn)得到了解決[1]。

1.2 無(wú)人機(jī)在電力行業(yè)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的人工電網(wǎng)巡檢方式工作量較大、工作條件艱苦，并且工作效率較低，需要非常多的人力物力。尤其是對(duì)于一些地形較為復(fù)雜的線路來(lái)說(shuō)，人工巡檢電網(wǎng)的方式有著很大的安全隱患。而無(wú)人機(jī)巡檢方式的出現(xiàn)能夠更加靈活的部署，降低人力成本，同時(shí)也能夠在遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控，因此巡檢效果較好。對(duì)于一些較為復(fù)雜且地形較為嚴(yán)酷的線路來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)巡檢方式的出現(xiàn)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了更加方便的快速檢測(cè)，惡劣天氣也能夠完成巡檢工作。與直升機(jī)比較之后可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)無(wú)須產(chǎn)生停機(jī)費(fèi)用、調(diào)機(jī)費(fèi)用，同時(shí)無(wú)須進(jìn)行飛行員培訓(xùn)、飛行申請(qǐng)，除此之外，飛行時(shí)間和飛行地點(diǎn)也不會(huì)受到限制，能夠以最快的速度來(lái)開展輸電線路的巡查。例如在一些環(huán)境較為極端的地區(qū)，西藏以及其他高原地區(qū)等等，這些地區(qū)直升機(jī)飛行狀態(tài)較差，因此需要使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡查。

1.3 無(wú)人機(jī)巡線經(jīng)濟(jì)效益分析

在傳統(tǒng)電網(wǎng)巡檢的過(guò)程中，需要明確，人力巡檢和直升機(jī)巡檢都是非常耗費(fèi)成本的巡檢方式，約為三百人民幣每千米。而無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)可以將這一成本價(jià)格下降三分之一，這一下降比例極為明顯，尤其是省市電網(wǎng)跨度極大的程度下，節(jié)約金額就將達(dá)到極大的數(shù)額。一般來(lái)說(shuō)全省電網(wǎng)都在100萬(wàn)千米以上，每千米節(jié)約一百元，那么巡檢一次就能夠節(jié)約一千萬(wàn)以上的資金[2]。

2 無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)

在當(dāng)下輸電線路發(fā)展的過(guò)程中，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行電網(wǎng)巡檢主要是使用兩種無(wú)人機(jī)，分別是多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)。

多旋翼無(wú)人機(jī)在使用的過(guò)程中需要使用一塊空曠平整的場(chǎng)地，多旋翼無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行垂直升降，較為靈活，同時(shí)也能夠懸停和低速飛行。因此多旋翼無(wú)人機(jī)比較適合進(jìn)行近距離、低速度、長(zhǎng)時(shí)間同一位置的任務(wù)，一般來(lái)說(shuō)這種任務(wù)都屬于觀測(cè)任務(wù)。多旋翼無(wú)人機(jī)在實(shí)際使用的過(guò)程中可以增加飛控增穩(wěn)系統(tǒng)，從而保證無(wú)人機(jī)保持平衡，具有非常高的穩(wěn)定性。在使用的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，多旋翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)在于起降靈活并且可以自由懸停，但是問(wèn)題在于多旋翼無(wú)人機(jī)的荷載能力和續(xù)航能力較差，這將會(huì)導(dǎo)致許多長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)無(wú)法完成。

固定翼無(wú)人機(jī)與多旋翼無(wú)人機(jī)比較后的優(yōu)點(diǎn)在于裝載能力更高，固定翼無(wú)人機(jī)無(wú)需克服自身動(dòng)力，也就是無(wú)需過(guò)大的飛行動(dòng)力，因此電機(jī)推力只需要達(dá)到機(jī)身重量的十分之一就能夠起飛。站在另一個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，固定翼無(wú)人機(jī)可以搭載更多的設(shè)備，同時(shí)也能夠使用更大容量的電池，因此續(xù)航能力和裝載能力都比較出色。其次則是與多旋翼無(wú)人機(jī)比較發(fā)現(xiàn)，固定翼無(wú)人機(jī)的速度更快，可以達(dá)到八十千米每小時(shí)，這一數(shù)值屬于多旋翼無(wú)人機(jī)的三到五倍。因此在正常的情況下，固定翼無(wú)人機(jī)的巡查速度更快，巡查時(shí)間更長(zhǎng)。除此之外，固定翼無(wú)人機(jī)還可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間滯空飛行，相比較于多旋翼無(wú)人機(jī)的懸停效果更好，因此可以對(duì)線路、桿塔等等位置進(jìn)行精細(xì)巡檢，提升巡檢整體質(zhì)量[3]。

2.2 無(wú)人機(jī)應(yīng)用成果

無(wú)人機(jī)在設(shè)計(jì)應(yīng)用的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，能夠在以下幾個(gè)方面收獲到效果。首先是在無(wú)人機(jī)巡查電網(wǎng)的過(guò)程中，使用無(wú)人機(jī)能夠解決人工勞動(dòng)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡查的過(guò)程中，主要的應(yīng)用方向在于使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行立體測(cè)繪，從而開創(chuàng)性的實(shí)現(xiàn)了樹障以及其他隱患點(diǎn)的測(cè)量。其次，無(wú)人機(jī)的使用真正實(shí)現(xiàn)了智能作業(yè)，面對(duì)臺(tái)風(fēng)、冰凍等等自然災(zāi)害時(shí)，人力往往無(wú)法起到效果，而無(wú)人機(jī)可以更好的對(duì)這些位置進(jìn)行勘探。再次則是使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡查可以發(fā)現(xiàn)很多人力無(wú)法發(fā)現(xiàn)的缺陷，經(jīng)過(guò)記錄之后可以集中進(jìn)行處理，從而保證一次停電直接全部解決的效果。最后則是使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡查的過(guò)程中，多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行分工合作，對(duì)于樹障、邊坡、房屋、施工黑點(diǎn)等等項(xiàng)目可以使用固定翼無(wú)人機(jī)，而鐵塔、絕緣子、金具、附件、導(dǎo)地線等等線路可以使用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢查。

3 飛行能力評(píng)估模型建立

3.1 影響因素選取

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，影響了無(wú)人機(jī)飛行能力的因素主要是天氣和風(fēng)速。實(shí)際上雖然無(wú)人機(jī)不受雨雪天氣的影響，無(wú)論是下雨還是下雪，無(wú)人機(jī)都可以正常運(yùn)行。但是由于無(wú)人機(jī)自身的體積較小，下雨下雪的過(guò)程中又會(huì)伴有一定的風(fēng)力，因此就需要考慮到這兩者之間造成的影響。

3.2評(píng)估模型建立

在實(shí)際建模的過(guò)程中，主要使用了以下函數(shù)：

4 飛行能力評(píng)估模型分析

4.1 成本模型

無(wú)人機(jī)由于自身的狀態(tài)不同，因此抗風(fēng)能力也各不相同，例如多旋翼無(wú)人機(jī)與固定翼無(wú)人機(jī)相比較抗風(fēng)能力較差。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析之后可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)的體型較小，因此在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下飛行成本最低，有著明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。但是伴隨著風(fēng)力逐漸增加，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行成本也不斷的得到了提升。因此成本模型在考慮的過(guò)程中將風(fēng)力設(shè)定成為了主要的變量，為了更好的比較，本文選擇了不同風(fēng)力條件下成本變化不大的直升機(jī)。圖1為不同風(fēng)力等級(jí)下的成本曲線。

由圖1可知，直升機(jī)的基礎(chǔ)成本要高于無(wú)人機(jī)，但是伴隨著風(fēng)力的增加，無(wú)人機(jī)巡檢成本呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到了一定數(shù)值之后，無(wú)人機(jī)的巡檢成本將會(huì)超過(guò)直升機(jī)。因此在未來(lái)計(jì)算飛行成本的過(guò)程中可以根據(jù)風(fēng)力來(lái)選擇不同的飛行方法，同時(shí)也能夠根據(jù)公式來(lái)計(jì)算飛行成本。

風(fēng)力的變化來(lái)自于天氣，因此在將風(fēng)力成本進(jìn)行深化分析之后可以發(fā)現(xiàn)，需要根據(jù)天氣成本來(lái)進(jìn)行具體分析。天氣環(huán)境將會(huì)影響到無(wú)人機(jī)和直升機(jī)兩者的具體飛行狀態(tài)，而為了保護(hù)機(jī)組人員的安全，惡劣天氣環(huán)境下直升機(jī)一般不會(huì)進(jìn)行外出作業(yè)，但是無(wú)人機(jī)不受天氣的影響，僅僅根據(jù)風(fēng)力決定是否作業(yè)。由此可見(jiàn)，雖然直升機(jī)對(duì)風(fēng)力的抵抗能力較強(qiáng)，但是對(duì)雨雪天氣的處理能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)人機(jī)，因此在巡檢電網(wǎng)的過(guò)程中，需要根據(jù)天氣的不同來(lái)選擇不同的方式和方法。

4.2 時(shí)間模型

飛行器巡檢無(wú)法與人工巡檢進(jìn)行比較，因此本文建立的無(wú)人機(jī)時(shí)間模型依舊是以直升機(jī)作為對(duì)比對(duì)象。直升機(jī)在電力巡檢的過(guò)程中與無(wú)人機(jī)相比有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在風(fēng)力增加的過(guò)程中，直升機(jī)幾乎可以不受到影響。而無(wú)人機(jī)則是恰恰相反，無(wú)風(fēng)情況下無(wú)人機(jī)的巡檢時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直升機(jī)。一般來(lái)說(shuō)直升機(jī)飛行的基礎(chǔ)時(shí)間都要低于無(wú)人機(jī)，具有非常明顯的效率優(yōu)勢(shì)，而無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間伴隨著風(fēng)力的增加，增長(zhǎng)速度也在不斷的進(jìn)行提升。直升機(jī)在風(fēng)力等級(jí)小于一定水平時(shí)往往不會(huì)呈現(xiàn)出特別高的增幅，符合基本情況，圖2為不同風(fēng)力等級(jí)下的時(shí)間曲線。

在圖2中可以得出結(jié)論，環(huán)境處于理想狀態(tài)時(shí)，直升機(jī)的巡檢時(shí)間將會(huì)小于無(wú)人機(jī)，而伴隨風(fēng)力的逐漸增加，直升機(jī)與無(wú)人機(jī)所需要消耗的巡檢時(shí)間都將會(huì)隨之增加。天氣帶來(lái)的影響對(duì)于巡檢更大，直升機(jī)對(duì)天氣的抵抗能力要明顯小于無(wú)人機(jī)。

4.3 飛行能力評(píng)估

在上文中提出的數(shù)學(xué)模型主要的作用在于對(duì)無(wú)人機(jī)不同飛行巡檢狀態(tài)下的飛行能力進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)選擇直升機(jī)進(jìn)行對(duì)比，主要的目的在于將飛行能力進(jìn)行量化。以下公式為實(shí)際飛行能力評(píng)估方式：

5結(jié)束語(yǔ)

從上文中建立的模型可以了解到，無(wú)人機(jī)在不同的作業(yè)條件下有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。站在成本的角度上來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)是一種非常理想的電網(wǎng)巡檢方式，無(wú)論是固定翼無(wú)人機(jī)還是多旋翼無(wú)人機(jī)，都有著一定的優(yōu)點(diǎn)。四旋翼無(wú)人機(jī)裝載能力、續(xù)航時(shí)間、飛行速度都比固定翼無(wú)人機(jī)更差。但是固定翼無(wú)人機(jī)在實(shí)際飛行的過(guò)程中存在著起飛場(chǎng)地的限制、事故率的影響、數(shù)據(jù)處理效率的低下等等問(wèn)題。本文針對(duì)于風(fēng)力等級(jí)、天氣情況等等方面的影響進(jìn)行了分析，得出了無(wú)人機(jī)在何種天氣情況下能夠得到更好的運(yùn)行效率，無(wú)論是直升機(jī)還是無(wú)人機(jī)，未來(lái)電網(wǎng)巡檢的過(guò)程中都需要在最佳的情況下進(jìn)行電網(wǎng)巡檢。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

吳昊（1992-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市庫(kù)倫旗人。文學(xué)學(xué)士學(xué)位，助理工程師。研究方向?yàn)檩旊娋€路無(wú)人機(jī)巡檢。謝曉君（198 3一），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人。大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事電力行業(yè)直升機(jī)巡檢作業(yè)和無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)及無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)管理等相關(guān)專業(yè)的工作。