劉國嵩，賈繼強(qiáng)

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電力能源的需求日益旺盛，與之相應(yīng)的電力工程建設(shè)的力度也在不斷加強(qiáng)。2011年1月15日中國前國家能源局局長張寶國發(fā)言表示，中國電網(wǎng)規(guī)模已經(jīng)超過美國，居世界第一。我國目前已經(jīng)建成東北、華北、華中、華東、西北和南方共六個(gè)跨省區(qū)電網(wǎng)，其中110千伏以上輸電線路超過51.4萬千米，而500千伏輸電線路已成為各大電網(wǎng)的主力。由于我國國土遼闊，地形復(fù)雜，平原少、丘陵及山區(qū)較多，氣象條件復(fù)雜，對于特高壓和跨區(qū)電網(wǎng)等大型工程的初期規(guī)劃建設(shè)，到建成后的日常巡查維護(hù)，現(xiàn)有的常規(guī)測試和檢查手段已不能滿足其快速高效的要求。而隨著自動(dòng)控制技術(shù)、GPS導(dǎo)航技術(shù)、航空遙感測繪技術(shù)及無線通信技術(shù)等的發(fā)展，無人機(jī)的使用已從軍事領(lǐng)域拓展到許多民用領(lǐng)域，如地球物理探測、災(zāi)情監(jiān)測、農(nóng)作物監(jiān)測。其中利用無人機(jī)航空遙感測繪能夠高效完成電力建設(shè)規(guī)劃及巡查任務(wù)［1］。

1 無人機(jī)各種電力應(yīng)用

無人機(jī)測繪系統(tǒng)具備高靈活、快響應(yīng)、低成本、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)。與衛(wèi)星遙感和普通航空遙感相比，尤其在低空獲取光學(xué)圖像、輸電線路規(guī)劃、廠(站)址地形圖像獲取，無人機(jī)測繪系統(tǒng)擁有不可代替的作用。同時(shí)，還在災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)方面具有重要作用。

1.1 輸電線路規(guī)劃

在各種類型電站輸電線路走廊規(guī)劃中，利用無人機(jī)測繪系統(tǒng)對規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的測繪，并高效地獲得相應(yīng)參考數(shù)據(jù)，可有效減小地面現(xiàn)場不利環(huán)境對勘測的不利影響。通過分析數(shù)據(jù)，考慮相關(guān)因素，各工程項(xiàng)目關(guān)系協(xié)調(diào)，充分利用有限的通道資源，使線路走向和區(qū)域規(guī)劃更加合理。2011年5月18日，重慶電力設(shè)計(jì)院利用無人機(jī)測繪技術(shù)，僅用15天時(shí)間，完成了重慶220千伏張秀線的數(shù)字航空攝影任務(wù)。標(biāo)志無人機(jī)航拍測繪技術(shù)首次運(yùn)用于重慶電網(wǎng)輸電路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，優(yōu)化了輸電線路路徑，節(jié)約了工程投資。

1.2 地形圖測量

無人機(jī)測繪適用于小比例尺的地形圖測量，成圖比例尺一般小于12 000。但電網(wǎng)工程的可研設(shè)計(jì)階段，可增加野外控制車的方法并利用野外測量數(shù)據(jù)優(yōu)化航測高程信息等，從而獲得1 1 000比例尺的地形圖。為站址布置及優(yōu)化提供影像、高程等詳細(xì)的基礎(chǔ)資料，減少測繪強(qiáng)度，提高規(guī)劃效率。

2009年3月，中南電力設(shè)計(jì)院采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)進(jìn)行大比例尺測圖實(shí)驗(yàn)，并于2010年設(shè)立《無人機(jī)低空攝影測量在電力工程中的應(yīng)用研究》大型科研項(xiàng)目，對無人機(jī)低空攝影測量作業(yè)的流程、測量精度進(jìn)行了研究。為了確保地形圖的高程精度，提出采用高程面狀擬合的辦法對無人機(jī)低空攝影高程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以滿足工程測量大比例尺用圖的要求。通過江西某特高壓變電站地形圖測量項(xiàng)目的實(shí)踐檢驗(yàn)，證明該科研項(xiàng)目取得了良好的效果。圖1為低空攝影測量作業(yè)的流程和江西某特高壓變電站備選站址正射影像圖。

圖1 低空攝影測量作業(yè)流程和江西某特高壓變電站備選站址正射影像圖

1.3 在常規(guī)線路巡查上的應(yīng)用

巡線維護(hù)現(xiàn)代化的重要性越來越得到國內(nèi)電力專家的重視。實(shí)際上，歐美各國在上世紀(jì)50年代開始研究并使用直升機(jī)完成巡線、帶電作業(yè)和線路施工［2］，最早利用無人直升機(jī)巡線的是英國威爾士大學(xué)和英國EA電力咨詢公司［3］。而我國從20世紀(jì)80年代開始研究利用直升機(jī)巡線的技術(shù)。

線路巡查是一項(xiàng)檢測目標(biāo)多樣、分散、檢測難度大的任務(wù)，表1對其主要檢測目標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

表1 線路巡查檢測目標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

圖2 導(dǎo)線接頭可見光(A)和紅外照片(B)

從可見光照片圖2(A)中，可以清楚地觀察輸電設(shè)備的外觀情況，并可以判斷檢測目標(biāo)是否存在物理缺陷:導(dǎo)線是否出現(xiàn)斷股、緊固件是否出現(xiàn)松脫、絕緣子是否有破損或污穢、防震錘是否異常等設(shè)備缺陷。從紅外光照片圖2(B)中，可以觀察設(shè)備是否存在熱缺陷:線路、接頭、線夾、耐張管、接線管、絕緣子等部位是否存在由缺陷所導(dǎo)致的發(fā)熱點(diǎn)。由于主干輸電網(wǎng)都設(shè)立在野外，植物也可以影響其正常工作。2003年，美國和加拿大的輸電網(wǎng)由于樹木引起故障造成供電中斷事故［4］。澳大利亞的科研工作者進(jìn)行了相關(guān)的研究，他們使用無人機(jī)對電網(wǎng)附近的高大樹木進(jìn)行觀察，通過不同的圖片處理算法算出樹木和電路之間的位置關(guān)系，判斷是否會(huì)產(chǎn)生不利影響［6］。圖3為他們獲得的圖像及其經(jīng)過不同算法處理后的效果。

圖3 澳大利亞科研工作者通過無人機(jī)獲取的輸電網(wǎng)及其處理照片

1.4 災(zāi)難應(yīng)急響應(yīng)

近幾年，我國經(jīng)受了洪澇、高溫和嚴(yán)寒等極端天氣的考驗(yàn)，由此引起的洪水、泥石流、冰凍等自然災(zāi)害對當(dāng)?shù)氐碾娏A(chǔ)設(shè)施造成了非常不利的影響，及時(shí)對這些設(shè)施的實(shí)際工作情況進(jìn)行檢測顯得尤為重要。

2011年初，我國南方遭遇了罕見的冰凍災(zāi)害，很多基礎(chǔ)電力設(shè)施遭到破壞。為了快速獲得第一手的資料，湖南電力公司試研院和國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室派出四旋翼無人機(jī)技術(shù)小組，在湖南電網(wǎng)建設(shè)公司的配合下，對江城線1724號(hào)耐張塔進(jìn)行了高空近距離觀冰，圖4是四旋翼無人機(jī)及其拍攝的冰凍照片。該桿塔是歷年覆冰最嚴(yán)重的桿塔之一，由于冬季長期大霧籠罩，對線路的覆冰觀測極為困難。四旋翼無人機(jī)是一種能夠垂直起降、無人駕駛自動(dòng)飛行系統(tǒng)，適用于桿塔等定點(diǎn)目標(biāo)的低空近距離觀察和拍攝，能在高寒大霧等惡劣天氣中進(jìn)行飛行，完成線路覆冰觀測任務(wù)。整機(jī)重量(包括攝像機(jī))只有980克，使用充電電池(充電時(shí)間僅2分鐘)，飛行高度達(dá)600米，一次飛行滯空時(shí)間半個(gè)小時(shí)以上，具有非常好的飛行穩(wěn)定性和靈活性。

2011年7月，遼寧省撫順地區(qū)普降暴雨，派搶修隊(duì)伍前往現(xiàn)場，因交通受阻無法進(jìn)一步執(zhí)行故障排查和電力搶修任務(wù)。工作人員啟用遼寧電力信息系統(tǒng)并配合無人駕駛勘查飛機(jī)共同完成此次電力設(shè)施事故排查搶修作業(yè)。該系統(tǒng)是基于大型三維空間信息平臺(tái)EV-Globe開發(fā)，以自主采集0.5米全遼寧高清影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，配以高精度DEM數(shù)據(jù)、影像、三維電力設(shè)施數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)完全一體化集成系統(tǒng)。圖5所示為基于EV-Globe平臺(tái)的三維電網(wǎng)模擬圖。這是該三維電力系統(tǒng)首次進(jìn)行山區(qū)大范圍長距離搜索搶險(xiǎn)工作，達(dá)到了良好的效果。

圖4 四旋翼無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)及其拍攝的電力設(shè)施覆冰照片

1.5 線路架設(shè)

無人機(jī)系統(tǒng)配裝相應(yīng)的引線裝置，還能執(zhí)行高空架線的任務(wù)。2011年3月由遼寧公司與中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合研制的旋翼無人機(jī)自動(dòng)架線系統(tǒng)，完成了本溪220千伏程富線輸電線路初級導(dǎo)引繩任務(wù)。這是遼寧公司輸電線路旋翼無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)首次實(shí)際應(yīng)用在架線作業(yè)中，并在架線過程中實(shí)現(xiàn)單次連續(xù)牽引1 150米初級導(dǎo)引繩過塔，完成多座桿塔的初級導(dǎo)引繩牽引架設(shè)，連續(xù)跨越3條10千伏線路和河流，成功地將初級導(dǎo)引繩連續(xù)布放在鐵塔的橫擔(dān)上。

圖5 基于EV-Globe平臺(tái)的三維電網(wǎng)模擬圖

完成架線任務(wù)的是博翔-3型旋翼無人機(jī)，總長3.8米，最大起飛重量120公斤，最大有效載荷30公斤，續(xù)航能力1小時(shí)，作業(yè)半徑20千米(以地面站為中心)，該機(jī)可攜帶載荷在5級以下風(fēng)力安全飛行。

2 發(fā)展方向

現(xiàn)有的民用無人機(jī)測量系統(tǒng)具有如下缺點(diǎn):(1)相機(jī)內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性不高，影響測量精度;(2)相機(jī)鏡頭畸變大，對攝影測量精度產(chǎn)生不利影響;(3)相機(jī)CCD尺寸小，造成相機(jī)的收容寬度有限，增加了無人機(jī)的測繪工作量;(4)無人機(jī)任務(wù)載荷功能單一，多為只具有單一的可見光或紅外攝影能力。為此，今后民用無人機(jī)測量系統(tǒng)發(fā)展方向應(yīng)該為［7］:(1)測量相機(jī)專業(yè)化，即使用內(nèi)方位元素穩(wěn)定，鏡頭畸變小的專業(yè)測繪相機(jī);(2)相機(jī)配備大面陣CCD，使得無人機(jī)的工作效能得到提高;(3)無人機(jī)任務(wù)載荷多樣化，可以同時(shí)裝備可見光和紅外相機(jī)，或者其它如激光測距等新型測量裝備，以適應(yīng)不同的測繪要求;(4)相機(jī)可同時(shí)進(jìn)行可見光和紅外等不同波長的攝影測量功能，以提高無人機(jī)系統(tǒng)的工作效能;(5)相機(jī)應(yīng)具備變焦功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)時(shí)，可對其進(jìn)行凝視觀察，可以提高巡線時(shí)對故障目標(biāo)的識(shí)別能力。

隨著無人機(jī)及航空測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)測量系統(tǒng)必將發(fā)揮出更大作用。

［1］鄭小兵，鄭彥春.無人機(jī)攝影測量技術(shù)用于電力勘測工程的探索和設(shè)想［J］.電力勘測設(shè)計(jì).2009，12(6):22-24.

［2］I.Ituen，G.Sohn，and A.Jenkins.A case study:workflowlanalysis of powerline systems for risk management［J］.The Imernation Archives of the Photogrammetry，Remote Sensingand Spatial.Information Sciences，2008，37(3):331-336.

［3］D.I.Jones and G.K.Earp，Camera sightline pointing require-ments for aerial inspection of over head power lines［J］.Electric Power Systems Research，2001，57(2):73-82.

［4］Appelt P.J.，Goodfellow J.W.Research on how trees cause interruptions-applications to vegetation management［J］.IEEE RuralElectric Power Conference.2004(23/24/25):1-10.

［5］Zhengrong Li.Towards automatic power line detection for a UAV surveillancesystem using pulse coupled neural filter and an improvedHough transform［J］.Machine Vision and Applica-tions ，2010，21(5):677-686.

［6］張福民，曲興華，葉聲華.大尺寸測量中多傳感器的融合［J］.光學(xué)精密工程，2008，16(7):1236-1240.