基于5G 技術(shù)的無人機(jī)在輸電線路巡檢的應(yīng)用

陳長(zhǎng)興

（國(guó)網(wǎng)瀏陽市供電公司，湖南 瀏陽 410300）

近年來，電力公司積極采用新型運(yùn)維方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，其中無人機(jī)巡檢在輸電線路巡檢中應(yīng)用較為廣泛，其靈活性強(qiáng)、操作難度低、巡檢效率高、受地域環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，但隨著實(shí)際的應(yīng)用，其數(shù)據(jù)傳輸速率、人員操控、操控范圍等方面的短板也逐漸暴露。目前5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)初見成效，基于5G 的無人機(jī)技術(shù)也應(yīng)用于輸電線路，彌補(bǔ)了無人機(jī)應(yīng)用存在的短板，從而解鎖更多無人機(jī)在輸電線路領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。

1 當(dāng)前無人機(jī)巡檢存在的問題

隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，其被廣泛應(yīng)用于電力、交通、安防等領(lǐng)域。作為電力行業(yè)的主要應(yīng)用場(chǎng)景，輸電線路無人機(jī)巡檢在全國(guó)各地進(jìn)行了試點(diǎn)，并取得了較好成績(jī)，但也突顯出一些問題，使無人機(jī)巡檢無法實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用[1]。無人機(jī)巡檢需要運(yùn)維人員同時(shí)具備電力巡檢和無人機(jī)操控的雙重能力，在缺少運(yùn)維人員的情況下較難實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，同時(shí)運(yùn)維人員綜合素質(zhì)參差不齊，給無人機(jī)巡檢的質(zhì)量帶來較大不確定性；由于通信技術(shù)的限制，當(dāng)前無人機(jī)使用4G、Wi-Fi 或藍(lán)牙等通信方式，帶來空域定位精度低、帶寬小、高延時(shí)和操控范圍小等問題，導(dǎo)致傳輸圖像不清晰、無人機(jī)誤碰高壓線和墜機(jī)等現(xiàn)象。Wi-Fi 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式，通信距離一般不超過500m，圖傳能力可達(dá)到1080P，每秒30 幀左右；4G 網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，不受操控距離的限制，圖傳能力以720P 為主；藍(lán)牙傳輸則在傳輸距離和圖傳能力方面均處于最低水平。因此現(xiàn)階段無人機(jī)無法完全滿足輸電線路巡檢的需求。

2 5G 技術(shù)特點(diǎn)

5G 全稱為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是目前移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的最高峰。5G 支持增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（EnhancedMobile Broadband，eMBB）、海量機(jī)器類通信（massiveMachineTyp eofCommunication，mMTC）和超高可靠低時(shí)延通信（UltrarelaibleandLowLatencyCommunication，uRLLC）三大類應(yīng)用場(chǎng)景，在這3 類場(chǎng)景下，5G 呈現(xiàn)出完全不同于傳統(tǒng)移動(dòng)通信的特點(diǎn)[1]。5G 具備高速度、大帶寬、低功耗、低延時(shí)、廣連接、高安全和精準(zhǔn)定位等特點(diǎn)，使5G 在應(yīng)用方面具備先天優(yōu)勢(shì)。5G 的理論帶寬可達(dá)到20Gbps，遠(yuǎn)高于現(xiàn)在4G的網(wǎng)絡(luò)速度，同時(shí)能夠提供毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和厘米級(jí)的定位精度。利用5G 的蜂窩通信技術(shù)，在5G 覆蓋范圍內(nèi)可以與4G 網(wǎng)絡(luò)同樣具有不受操控距離限制的能力，但5G 的高帶寬、高速度可以實(shí)現(xiàn)的圖傳能力為4K或8K超高清視頻，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路細(xì)節(jié)的感知。5G 網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)能力，提供毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延，使無人機(jī)響應(yīng)速度更快，同時(shí)厘米級(jí)的定位精度，也使對(duì)無人機(jī)的操控更加精準(zhǔn)。利用5G切片技術(shù)，能夠保障每個(gè)接入設(shè)備連接的安全、速度和帶寬。因此5G 技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，將能夠釋放更多潛力。

3 5G 技術(shù)在輸電線路無人機(jī)巡檢的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)智能聯(lián)動(dòng)

無人機(jī)智能聯(lián)動(dòng)是指無人機(jī)與桿塔上圖像監(jiān)測(cè)裝置結(jié)合，當(dāng)圖像監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到有問題時(shí)，通過平臺(tái)間數(shù)據(jù)共享觸發(fā)智能聯(lián)動(dòng)機(jī)制，控制無人機(jī)自動(dòng)進(jìn)行清障、喊話等操作，保障輸電線路運(yùn)行安全。當(dāng)無人機(jī)巡檢平臺(tái)接到可視化平臺(tái)推送的通道異物告警后，巡檢平臺(tái)將異物位置信息發(fā)送到無人機(jī)，同時(shí)給無人機(jī)發(fā)送清障指令，無人機(jī)接到指令后自動(dòng)更換搭載設(shè)備，搭載激光清障器和高清攝像頭，利用5G 通信高帶寬、低延時(shí)、高精度的特點(diǎn)，準(zhǔn)確到達(dá)異物位置，并鎖定異物，高能激光束射到目標(biāo)異物，通過光熱作用將架空線路上的漂浮型異物部位吸收激光導(dǎo)致局部溫度急劇升高后熔化或氣化，從而掉落同理，當(dāng)輸電線路下方出現(xiàn)未經(jīng)批準(zhǔn)的非法施工或經(jīng)過超高車輛后，無人機(jī)接到指令后自動(dòng)更換搭載設(shè)備，搭載喊話裝置和高清攝像頭，快速到達(dá)指定位置，對(duì)下方施工人員或車輛司機(jī)進(jìn)行喊話，勒令其停止施工或駛離，并進(jìn)行錄像保存證據(jù)，并將視頻實(shí)時(shí)回傳至無人機(jī)巡檢平臺(tái)，運(yùn)維人員可以通過現(xiàn)場(chǎng)視頻進(jìn)行備案和責(zé)任追尋。

3.2 輸電線路無人機(jī)巡檢平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

（1）首頁。首頁為大屏展示功能，可以提供巡線實(shí)時(shí)場(chǎng)景展示、多線路多圖層可視化展示等圖像展示功能，同時(shí)還可以提供安全運(yùn)行天數(shù)統(tǒng)計(jì)、危險(xiǎn)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、今日巡檢任務(wù)統(tǒng)計(jì)、無人機(jī)巡檢占比統(tǒng)計(jì)、本周巡檢任務(wù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)告警及統(tǒng)計(jì)等信息的圖表展示功能。（2）狀態(tài)概覽。提供狀態(tài)信息的可視化查看功能，提供線路地圖的多圖層展示，并通過點(diǎn)擊圖層內(nèi)線路、無人機(jī)等圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)線路基本信息、桿塔基本信息、業(yè)務(wù)告警信息、無人機(jī)信息、搭載設(shè)備信息、無人機(jī)位置信息等信息的查看和顯示功能。（3）巡線管理。主要提供基礎(chǔ)參數(shù)配置、巡檢軌跡管理、任務(wù)管理、巡線記錄和巡線報(bào)告等功能，主要為運(yùn)維人員提供參數(shù)、無人機(jī)軌跡、任務(wù)的設(shè)置界面和巡線記錄、巡線報(bào)告的查詢界面。（4）無人機(jī)巡線。主要提供全自動(dòng)巡檢、VR 巡檢和智能聯(lián)動(dòng)的操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。（5）信息管理。信息管理主要提供以關(guān)鍵詞、線路、桿塔等信息為篩選條件的搜索功能，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)信息、搭載設(shè)備信息、電池信息和告警信息的查詢。（6）資產(chǎn)管理。主要提供輸電線路整套系統(tǒng)硬件設(shè)備的管理工作，實(shí)現(xiàn)線路、桿塔和無人機(jī)的基礎(chǔ)信息的全周期綜合管理。（7）系統(tǒng)管理。提供平臺(tái)基本的數(shù)據(jù)配置、系統(tǒng)設(shè)置、權(quán)限管理和系統(tǒng)日志管理等功能。

3.3 無人機(jī)VR 巡檢

由于邊緣物聯(lián)代理智能識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別場(chǎng)景的限制，運(yùn)維人員需要對(duì)存在問題的圖片和視頻進(jìn)行二次審核，同時(shí)需要確認(rèn)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)情況，此時(shí)可以利用VR 技術(shù)，通過5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)VR 巡檢。為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)VR 巡檢，在無人機(jī)上搭載360°全景攝像頭。利用5G 網(wǎng)絡(luò)高速度、大帶寬、低延時(shí)、高精度的特點(diǎn)，運(yùn)維人員可以在中心機(jī)房通過輸電線路無人機(jī)巡檢平臺(tái)，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，同時(shí)運(yùn)維人員需要佩戴VR 眼鏡，通過5G 網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)場(chǎng)拍攝視頻與VR 眼鏡實(shí)現(xiàn)同步，自由的進(jìn)行全方位多角度觀看，使運(yùn)維人員能夠身臨其境的對(duì)輸電線路的每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行巡查，并對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行評(píng)估[2]。

3.4 問題識(shí)別技術(shù)

在相對(duì)較早的無人機(jī)巡檢技術(shù)應(yīng)用中可知，架空輸電線路巡檢人員一般是操作無人機(jī)，利用無人機(jī)搭載的攝像設(shè)備對(duì)線路局部進(jìn)行拍攝，隨后人工對(duì)拍攝圖像進(jìn)行分析，最終得出判斷結(jié)果，確認(rèn)問題位置、類型、規(guī)模等。這種方式確實(shí)行之有效，但依舊依賴人工，在人工不穩(wěn)定性的影響下有可能作出錯(cuò)誤判斷，同時(shí)無人機(jī)拍攝圖像存在清晰度等方面的缺陷，人工不一定能作出判斷。因此，在現(xiàn)代無人機(jī)巡檢技術(shù)研發(fā)中提出了問題識(shí)別技術(shù)概念，該項(xiàng)技術(shù)主要就是讓無人機(jī)系統(tǒng)具備自主判斷問題的能力，根據(jù)當(dāng)前研究成果可知，該項(xiàng)技術(shù)已初具雛形，即近些年國(guó)家電網(wǎng)公司在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、大數(shù)據(jù)和圖像識(shí)別技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了問題識(shí)別技術(shù)，使得無人機(jī)系統(tǒng)能夠自動(dòng)分析架空輸電線路上的問題，并生成巡檢報(bào)告，免去了人工分析的環(huán)節(jié)。該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)時(shí)間很短，目前還存在很多缺陷：?jiǎn)栴}識(shí)別中，有相當(dāng)一部分問題還無法被量化判定，現(xiàn)在使用的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在識(shí)別問題時(shí)容易受問題類型相似性干擾，最終出現(xiàn)誤判，如絕緣子問題識(shí)別中，假設(shè)絕緣子上有明顯污跡，算法就會(huì)根據(jù)污跡是否存在、污跡存在位置特征來進(jìn)行判斷，這時(shí)絕緣子附近的污跡也可能被列入算法范圍，受非絕緣子上的污跡影響，算法可能會(huì)認(rèn)為絕緣子上存在污跡，需要進(jìn)行清理，此類現(xiàn)象還有很多，說明該項(xiàng)技術(shù)有待完善；問題分類。即為了保障問題識(shí)別技術(shù)能順利實(shí)施，電科院對(duì)架空輸電線路的常見問題進(jìn)行了分類，大體包括桿塔、導(dǎo)地線、絕緣子、大尺寸金具、小尺寸金具、基礎(chǔ)、通道環(huán)境、接地裝置、附屬設(shè)施，這是問題識(shí)別技術(shù)的實(shí)施基礎(chǔ)，技術(shù)系統(tǒng)可借助缺陷算法來進(jìn)行分類判斷。

3.5 作業(yè)安全管控

無人機(jī)巡檢技術(shù)在任何應(yīng)用領(lǐng)域中都需要得到安全管控，這一點(diǎn)在架空輸電線路巡檢中更加重要，稍有不慎是可能損害電路的，甚至?xí)鹨恍?zāi)害。針對(duì)安全管控問題，現(xiàn)代無人機(jī)巡檢技術(shù)都是嚴(yán)格依照國(guó)家提出的安全作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施的，此舉確實(shí)大幅提升了技術(shù)實(shí)施的安全性，但也導(dǎo)致無人機(jī)巡檢技術(shù)的功效未能充分發(fā)揮。這一條件下，為了同時(shí)兼顧作業(yè)安全管控與無人機(jī)應(yīng)用價(jià)值的充分發(fā)揮，國(guó)內(nèi)相關(guān)組織通過研發(fā)得出了無人機(jī)可視化綜合管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備無人機(jī)視頻實(shí)時(shí)回傳、無人機(jī)實(shí)時(shí)管理、遠(yuǎn)程操控等功能，能讓無人機(jī)在巡檢中保持良好的安全性。但該系統(tǒng)提出的時(shí)間比較短，只適用于型號(hào)特定的無人機(jī)上，且此類無人機(jī)一般不滿足架空輸電線路巡檢要求。同時(shí)，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)公司還在2017 年研發(fā)提出過無人機(jī)巡檢作業(yè)飛行數(shù)據(jù)記錄器、無人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)模塊，借助記錄器與業(yè)務(wù)模塊能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢作業(yè)全過程監(jiān)管、且沒有明顯的缺陷，因此記錄器與業(yè)務(wù)模塊至今仍在沿用，其主要研發(fā)方向是完善兩者功能[3]。