巡檢無(wú)人機(jī)能量轉(zhuǎn)換及管理系統(tǒng)分析

趙越 周小寶 安國(guó)昊

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅省天水市 741000）

無(wú)人機(jī)技術(shù)是近年來(lái)科技發(fā)展的重要內(nèi)容，廣泛應(yīng)用于軍事、航天、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力等社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域，但是我國(guó)在無(wú)人機(jī)智能化技術(shù)研究上還不是很成熟，特別是無(wú)人機(jī)智能化巡檢中對(duì)數(shù)據(jù)的管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，解決人工全程操控，處理數(shù)據(jù)和環(huán)境等各種情況。所以，加大對(duì)無(wú)人機(jī)智能化巡檢數(shù)據(jù)管控，對(duì)未來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展而言具有重要的意義

1 無(wú)人機(jī)智能化巡檢的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

結(jié)合電力系統(tǒng)巡檢分析，現(xiàn)在的電力系統(tǒng)主要包含發(fā)電、輸電、配電和用電四個(gè)部分，每一環(huán)節(jié)的運(yùn)行都直接關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，如線路分布環(huán)境區(qū)域比較惡劣，輸電線老化、絕緣子損壞等問(wèn)題，就會(huì)造成故障檢修困難，不僅威脅電力運(yùn)行穩(wěn)定，也會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。所以，運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行智能化監(jiān)控與管理，立足于綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用效果。但是我國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)研究大多應(yīng)用于軍事無(wú)人機(jī)方面，很多技術(shù)研究取得的成果都無(wú)法應(yīng)用到民用無(wú)人機(jī)中。因此，技術(shù)上存在難關(guān)，需要突破我國(guó)民用無(wú)人機(jī)發(fā)展瓶頸。面對(duì)智能化信息技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向需要結(jié)合時(shí)代背景，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)技術(shù)與智能化技術(shù)的結(jié)合，改變傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)管控還是依賴于人工操作的工作方式。具體來(lái)說(shuō)：

（1）信息采集手段原始，缺乏融合。由于傳統(tǒng)飛行環(huán)境信息采集是依靠手動(dòng)方式，包括測(cè)量起飛點(diǎn)GPS、海拔、溫度、風(fēng)速，高原條件下還需空氣密度等信息，各分散儀器測(cè)量后進(jìn)行手動(dòng)記錄，事后整合并錄入計(jì)算機(jī)。但攝像機(jī)拍攝的照片、視頻信息量都比較大，通過(guò)手動(dòng)方式管理效率不高。

（2）對(duì)社會(huì)狀態(tài)信息記錄也缺少全面的掌握，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)管，設(shè)備種類的增多，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)和維修記錄等信息混亂，缺乏統(tǒng)一的管理，管理模式粗放，對(duì)人員和設(shè)備缺乏有效的監(jiān)控手段。

（3）監(jiān)管信息準(zhǔn)確性安全性差，對(duì)信息獲取的渠道不夠多元，信息數(shù)據(jù)采集滯后，無(wú)法及時(shí)做出科學(xué)決策并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果匯報(bào)給上級(jí)，而臨時(shí)性的統(tǒng)計(jì)會(huì)導(dǎo)致信息偏差，對(duì)信息數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和安全缺少保障。如桿塔GPS信息、巡檢狀態(tài)信息數(shù)據(jù)等；四是缺乏規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化的人員培訓(xùn)管理模式，由于培訓(xùn)方式刻板，內(nèi)容單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)并展示飛行原理、巡檢模式，并且對(duì)人員培訓(xùn)時(shí)間和任務(wù)考核缺少統(tǒng)一的監(jiān)控與管理，無(wú)法形成完成的案例分析的知識(shí)積累，圍繞故障分析、難點(diǎn)分析進(jìn)行展示。所以，需要攻克無(wú)人機(jī)智能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研究難題，改善民用無(wú)人機(jī)智能巡檢數(shù)據(jù)管理存在的不足，提升數(shù)據(jù)采集能力、數(shù)據(jù)處理功能、優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效能。

2 無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)功能和技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 無(wú)人機(jī)智能巡檢綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)功能

無(wú)人機(jī)智能巡檢綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)是高效和繁雜數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)，具有兩個(gè)方面的功能。

2.1.1 對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)收集和反饋

無(wú)人機(jī)智能巡檢綜合數(shù)據(jù)管控需要具備對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和反饋的功能，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)管控過(guò)程中，借助傳感器、采集器等數(shù)據(jù)搜集方式，全面對(duì)所需要的數(shù)據(jù)加以整合，并將這些數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算力處理器中，并按照系統(tǒng)算法邏輯，結(jié)合數(shù)據(jù)的實(shí)際情況反饋給相關(guān)工作人員。無(wú)人機(jī)搜集數(shù)據(jù)是飛行高度的保障，可以從開(kāi)闊性、全方位的視野中對(duì)巡檢區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的搜集和整理[1]。無(wú)人機(jī)智能巡檢的范圍廣，可以在巡檢中大面積搜集數(shù)據(jù)。通過(guò)巡檢智能數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)可以進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)搜集和反饋效能，強(qiáng)化其技術(shù)性能，加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)加裝紅外設(shè)備、熱感設(shè)備等應(yīng)用。熱斑是目前光伏電站最常見(jiàn)的問(wèn)題，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載紅外熱成像設(shè)備對(duì)光伏電站進(jìn)行熱斑巡檢工作，可以節(jié)約人力物力成本，讓檢測(cè)工作的效率大大提高。無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)主要采用熱成像的原理，紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像?？梢?jiàn)，無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和技術(shù)應(yīng)用對(duì)社會(huì)生活大有助益。只有利用無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)收集更多的數(shù)據(jù)信息，才能面對(duì)客觀影響因素，面對(duì)復(fù)雜的巡檢環(huán)境，提升無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)管控的能力。

2.1.2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理

無(wú)人機(jī)智能巡檢綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化，自動(dòng)化無(wú)人機(jī)技術(shù)得益于當(dāng)前智能化技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)合實(shí)際需求和技術(shù)優(yōu)勢(shì)改變傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)人工操作的方式，系統(tǒng)可以獲取眾多數(shù)據(jù)信息，借助系統(tǒng)的計(jì)算和智能算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理分析，從而做出無(wú)人機(jī)飛行路徑科學(xué)的決策。在制定飛行航線計(jì)劃時(shí)，還需要先進(jìn)行巡檢前期的準(zhǔn)備工作，參照現(xiàn)有資料進(jìn)行實(shí)地區(qū)域環(huán)境勘察，確定所要巡檢的光伏電站的大小，結(jié)合紅外熱像儀的拍攝視角及分辨率來(lái)確定無(wú)人機(jī)的飛行高度和紅外熱像儀單次拍攝紅外圖像區(qū)域的大小，從而規(guī)劃并制定無(wú)人機(jī)的飛行路線及懸停拍照位置[2]。這也是無(wú)人機(jī)智能化巡檢發(fā)展方向，通過(guò)綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔自動(dòng)化，自動(dòng)完成飛行目標(biāo)和任務(wù)。而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)管控自動(dòng)化的目標(biāo)和任務(wù)需要依靠各種高精密度傳感器和智能算法。通過(guò)傳感器和算法，減少人工操作的失誤情況，科學(xué)判斷無(wú)人機(jī)飛行情況，根據(jù)無(wú)人機(jī)攝像頭提供的聲音和畫(huà)面，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)中傳感器采集的數(shù)據(jù)，提升智能化巡檢質(zhì)量和效率。而且這相比人工操作模式、惡劣天氣條件的影響，綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)會(huì)突破傳統(tǒng)巡檢方式的瓶頸，不會(huì)受天氣因素的干擾，即使攝像頭損壞，也可以正常對(duì)無(wú)人機(jī)飛行航線做出科學(xué)決策，提升無(wú)人機(jī)應(yīng)用的效能。在現(xiàn)實(shí)社會(huì)生活中，無(wú)人機(jī)綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)可以對(duì)無(wú)人機(jī)的作業(yè)情況進(jìn)行精密操作。比如：在農(nóng)業(yè)建設(shè)管理中，對(duì)藥物的噴灑速度，傳統(tǒng)對(duì)噴灑量的控制缺少一個(gè)精確的指標(biāo)，只能憑借操作員自身的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合無(wú)人機(jī)收集的數(shù)據(jù)，但這樣操作的效率偏低，而且會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間、精力和成本。而綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)天的天氣情況、濕度、土壤情況進(jìn)行精確地作業(yè)工作。

2.2 無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)要點(diǎn)分析

2.2.1 無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)

（1）巡線及避障技術(shù)，無(wú)人機(jī)在處理電力巡檢任務(wù)時(shí)，需要準(zhǔn)確地按照飛行路線進(jìn)行，行駛線路上可能存在障礙物，需要在躲避線路結(jié)束后回到既定任務(wù)線路繼續(xù)完成巡檢任務(wù)[3]。目前的無(wú)人機(jī)巡線技術(shù)主要通過(guò)GPS定位及導(dǎo)航技術(shù)、基于攝像的視覺(jué)技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，由于飛行中容易受到極端天氣因素對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和行駛路線造成影響，從而導(dǎo)致視覺(jué)技術(shù)的識(shí)別率下降。所以，通過(guò)視覺(jué)技術(shù)、紅外探測(cè)技術(shù)和聲吶探測(cè)技術(shù)等技術(shù)結(jié)合，綜合應(yīng)用達(dá)到避障的目的。但是也會(huì)有因?yàn)檎系K物體積較大，或者移動(dòng)速度比較快，造成無(wú)人機(jī)飛行中來(lái)不及躲避，造成機(jī)身?yè)p毀的情況發(fā)生的可能性。因此，無(wú)人機(jī)設(shè)備本身的硬件質(zhì)量和軟件技術(shù)功能都需要過(guò)關(guān)，達(dá)到相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡檢時(shí)的安全性能和穩(wěn)定性能，進(jìn)一步提升其品質(zhì)。

（2）無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)，無(wú)人機(jī)一般質(zhì)量比較輕，體型較小，執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)因?yàn)榇箫L(fēng)、暴雨等極端天氣干擾容易造成無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)失去平衡，嚴(yán)重時(shí)甚至造成無(wú)人機(jī)墜毀。同時(shí)，無(wú)人機(jī)姿態(tài)是否處于正常狀態(tài)也與巡線、避障和故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性有直接影響。以當(dāng)前無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)情況分析，其主要借助無(wú)人機(jī)上的飛行控制器來(lái)保持平衡。如果無(wú)人機(jī)姿態(tài)出現(xiàn)異常情況，飛行控制器會(huì)自動(dòng)判斷無(wú)人機(jī)當(dāng)前姿態(tài)情況、線速度、角速度和加速度等情況，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)分析及時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)做出調(diào)整，促使無(wú)人機(jī)按照正常飛行狀態(tài)執(zhí)行巡檢任務(wù)。

（3）故障檢測(cè)技術(shù)，在電力巡檢任務(wù)中，通過(guò)無(wú)人機(jī)掛載的攝像設(shè)備，拍攝輸電線路的相關(guān)圖像、視頻等并進(jìn)行回傳，地面服務(wù)器再對(duì)接收到的圖像、視頻等進(jìn)行處理和分析，以此判斷輸電線路電力傳輸是否正常，可以利用測(cè)溫分析、線路外形分析等故障處理方式，解決線路故障問(wèn)題[4]。

2.2.2 無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用

無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，結(jié)合2017年以來(lái)，在政策逐漸在政策逐步明朗、資本不斷加投、技術(shù)持續(xù)進(jìn)步、需求迅猛增長(zhǎng)等諸多驅(qū)動(dòng)力的帶動(dòng)下，無(wú)人機(jī)發(fā)展市場(chǎng)各細(xì)化領(lǐng)域蘊(yùn)含著新的增長(zhǎng)能量。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析，2020年的無(wú)人機(jī)銷(xiāo)量將飆升至700萬(wàn)架，其中工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的銷(xiāo)量會(huì)增長(zhǎng)三倍以上。在后續(xù)發(fā)展中，無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)需求量大幅度攀升，應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、石油管道巡線、警務(wù)、電力等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。以高速公路巡檢為例，近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)保有量隨著物質(zhì)生活水平的提升，汽車(chē)擁有量逐漸提升，也因此高速公路交通事故發(fā)生頻率也相對(duì)提升，一般事故發(fā)生會(huì)出現(xiàn)的情況特征包含車(chē)速快導(dǎo)致的傷亡率高、事故發(fā)生后易長(zhǎng)時(shí)間堵塞車(chē)流、事故處置不當(dāng)易引發(fā)二次事故、區(qū)域范圍廣導(dǎo)致交警無(wú)法立即趕赴現(xiàn)場(chǎng)等。而且由于高速公路里程長(zhǎng)、地勢(shì)險(xiǎn)、路橋多，管理部門(mén)很難及時(shí)處理高速公路發(fā)生的情況。對(duì)于這些問(wèn)題，通過(guò)無(wú)人機(jī)可以發(fā)揮巡邏作用，幫助管理部門(mén)全方位及時(shí)監(jiān)管和應(yīng)對(duì)問(wèn)題。但是也有相關(guān)研究學(xué)者指出,傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)執(zhí)行巡邏巡檢任務(wù)時(shí)，需要人工到指定場(chǎng)地放飛，并進(jìn)行多次充電，不僅時(shí)效性不強(qiáng)，而且人工操作成本高，無(wú)法隨時(shí)隨地在高速公路巡檢中大范圍的使用。但是在技術(shù)不斷突破下，針對(duì)行業(yè)的痛點(diǎn)問(wèn)題，研究專家研發(fā)出無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)以及工業(yè)無(wú)人機(jī)全自動(dòng)飛行系統(tǒng)、AI巡飛平臺(tái)，可以讓無(wú)人機(jī)不管在執(zhí)行緊急的巡邏巡檢任務(wù)還是在沒(méi)有實(shí)際任務(wù)中，都可以通過(guò)無(wú)人機(jī)場(chǎng)存放，并自動(dòng)充電，還可以隨時(shí)起飛，自動(dòng)降落，保障無(wú)人機(jī)高密度、高頻次執(zhí)行巡檢任務(wù)。在原有無(wú)人機(jī)功能基礎(chǔ)上，融入智能AI模塊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算能力、自動(dòng)化起飛、降落并拍攝照片、視頻等。智能化AI巡檢平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)智能運(yùn)營(yíng)，針對(duì)不同的巡檢環(huán)境制定相應(yīng)的巡檢任務(wù)，通過(guò)綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人機(jī)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和分析，利用智能AI算法，對(duì)巡飛平臺(tái)進(jìn)行初步診斷，幫助管理部門(mén)以及相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。

一般在高速公路上、惡劣的區(qū)域環(huán)境條件、事故多發(fā)地等需要部署無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)，這樣可以在發(fā)生事故的第一時(shí)間，相關(guān)部門(mén)以及指揮中心直接智能操控距離事故發(fā)生地最近的無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)，一是通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)圖傳掌控現(xiàn)場(chǎng)交通情況，掌握勘察的進(jìn)度；二是可以降低警力投入，加強(qiáng)事故現(xiàn)場(chǎng)管理，降低交通風(fēng)險(xiǎn)性；三是可以滿足高頻次日常公路巡檢，利用智能識(shí)別技術(shù)和圖像監(jiān)控，對(duì)路面異物或輪胎碎屑、路面塌方、凍雨凍雪等突發(fā)事件做好數(shù)據(jù)上傳與報(bào)告，幫助指揮中心精準(zhǔn)投放人力物力，快速保障交通暢通。所以，由此可以確定無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)需要提升自動(dòng)化、智能化水平，只有滿足自動(dòng)化處理和分析，減少人工成本，提升工作效率，才能確保無(wú)人機(jī)常態(tài)化運(yùn)作機(jī)制，并快速普及無(wú)人機(jī)應(yīng)用，不僅提升無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)管理與服務(wù)能力，還能對(duì)多領(lǐng)域突出問(wèn)題做好日常巡檢與問(wèn)題應(yīng)對(duì)。比如：在高速巡邏、河道巡檢、氣象監(jiān)測(cè)、道路巡檢、電力巡檢等領(lǐng)域，加強(qiáng)自動(dòng)無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)綜合管控系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化、商業(yè)化運(yùn)行，對(duì)人為操作中不可控因素，利用無(wú)人機(jī)巡飛系統(tǒng)隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，未來(lái)無(wú)人機(jī)還會(huì)應(yīng)用于更多領(lǐng)域，如林業(yè)巡邏、環(huán)保監(jiān)控、交通監(jiān)控、石油巡檢等領(lǐng)域，輔助各領(lǐng)域管理人員做好巡邏巡檢工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，無(wú)人機(jī)巡檢綜合數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)可以優(yōu)化傳統(tǒng)人工數(shù)據(jù)整合、歸檔操作效率低的問(wèn)題，圍繞電力巡檢，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)幫助電力企業(yè)按照提前制定的飛行路線，完成日常巡檢任務(wù)以及對(duì)輸電線路各種故障問(wèn)題的檢測(cè)與維修。通過(guò)研究人員對(duì)智能技術(shù)與無(wú)人機(jī)技術(shù)的結(jié)合，幫助工作人員提升處理效率，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化應(yīng)用功能，降低人力成本。