摘 要：近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)在電力巡檢中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題越來(lái)越突出。分析了電力巡檢中無(wú)人機(jī)存在的安全問(wèn)題，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，對(duì)電力巡檢無(wú)人機(jī)安全技術(shù)的原理、構(gòu)思及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行討論，并針對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)因素的應(yīng)對(duì)方式進(jìn)行了淺析。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；電力巡檢；安全防護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：V243.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）36-0248-02

1 引 言

無(wú)人機(jī)電力巡檢是無(wú)人機(jī)行業(yè)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展，無(wú)人機(jī)電力巡檢逐漸成為現(xiàn)實(shí)。如今無(wú)人機(jī)巡檢的工作效率是原來(lái)人工巡檢的8～10倍，電力巡檢工每天的工作效率有了質(zhì)的提升，也大大降低了巡檢人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。盡管無(wú)人機(jī)代替人工執(zhí)行電力巡檢有諸多優(yōu)越性，但電力行業(yè)關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)民生安全，電網(wǎng)屬于國(guó)家戰(zhàn)略資源，無(wú)人機(jī)在巡檢信息傳輸?shù)倪^(guò)程中，就很容易導(dǎo)致電力信息的泄露或者無(wú)人機(jī)被劫持誘騙，所以如何保證國(guó)家戰(zhàn)略資源的安全，引起了國(guó)家有關(guān)部門(mén)的高度重視[1]。

2 無(wú)人機(jī)使用中存在的安全問(wèn)題

近年來(lái)越來(lái)越多的無(wú)人機(jī)安全事件出現(xiàn)，不僅會(huì)泄露公司敏感數(shù)據(jù)，也會(huì)對(duì)電網(wǎng)財(cái)產(chǎn)造成重大的安全隱患。電力巡檢專(zhuān)用無(wú)人機(jī)在其控制流程中的每一部分都可能出現(xiàn)安全隱患，如：傳感器GPS數(shù)據(jù)欺騙風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)據(jù)鏈路和身份認(rèn)證風(fēng)險(xiǎn)，線路碰撞風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)人機(jī)安全管控風(fēng)險(xiǎn)。我們將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全主要分為信息安全和物理安全兩大方面：①信息安全防護(hù)包括無(wú)人機(jī)傳感器、GPS安全、無(wú)人機(jī)終端安全、無(wú)人機(jī)鏈路安全和無(wú)人機(jī)地面站安全。②物理安全防護(hù)包括防碰撞、防雷電、無(wú)人機(jī)與電線、無(wú)人機(jī)與鳥(niǎo)類(lèi)的碰撞等。

3 安全問(wèn)題原因分析

電力無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題可以分為無(wú)人機(jī)終端安全和設(shè)備碰撞安全兩部分。前者主要指無(wú)人機(jī)在正常操作過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的信息安全隱患，而線路設(shè)備安全主要是指無(wú)人機(jī)可能對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生的碰撞安全。圖1給出了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成。無(wú)人機(jī)信息傳輸過(guò)程中，不透明不可控可能導(dǎo)致信息泄露、導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器欺騙導(dǎo)致無(wú)人機(jī)被劫持誘騙[2]。

4 無(wú)人機(jī)巡檢安全防護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）對(duì)無(wú)人機(jī)奪取無(wú)線電控制的風(fēng)險(xiǎn)

伴隨著消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的逐漸普及，政府不得不采取一些強(qiáng)硬手段，來(lái)保障低空領(lǐng)域安全。政府通常采用一個(gè)接收器來(lái)追蹤并確定無(wú)人機(jī)，使用足夠強(qiáng)大的電子信號(hào)照射無(wú)人機(jī)，奪取其無(wú)線電控制。

同時(shí)，政府為了避免自我的無(wú)人機(jī)被對(duì)方操縱，科研部門(mén)希望借助阻截?zé)o人機(jī)使用的傳輸代碼，進(jìn)而控制這臺(tái)無(wú)人機(jī)，而將其引導(dǎo)返航，回歸到操作者手中[3]。

（2）對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行聲波干擾的風(fēng)險(xiǎn)

陀螺儀是無(wú)人機(jī)中的關(guān)鍵組件，功能是提供機(jī)體傾斜、旋轉(zhuǎn)及方向角度等信息，以保持機(jī)體平衡。通過(guò)對(duì)陀螺儀進(jìn)行共振測(cè)試，發(fā)現(xiàn)可利用聲波使陀螺儀發(fā)生共振，從而擾亂無(wú)人機(jī)的平穩(wěn)飛行，輸出錯(cuò)誤信息，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜落。

（3）無(wú)人機(jī)信號(hào)干擾的風(fēng)險(xiǎn)

無(wú)人機(jī)無(wú)法獲得足夠精確的自身坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因此，各國(guó)無(wú)人機(jī)的飛行控制均采用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的方式。無(wú)人機(jī)在照相時(shí)還需要知道自己的精確位置，因此無(wú)人機(jī)上安裝了GPS信號(hào)接收機(jī)。

正是如此，無(wú)人機(jī)的GPS信號(hào)接收機(jī)容易遭受電子干擾，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)只能依靠基于陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，無(wú)法獲得足夠精確的自身坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有精確的地形連測(cè)，借助于照相機(jī)和攝像機(jī)獲得的情報(bào)將沒(méi)有任何價(jià)值，此時(shí)的無(wú)人機(jī)頂多是一臺(tái)會(huì)飛的相機(jī)，無(wú)論是從軍事角度，還是從民用的測(cè)繪角度，都意味著損失。

（4）黑客滲透攻擊的風(fēng)險(xiǎn)

黑客們通過(guò)無(wú)人機(jī)內(nèi)置的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)放的遠(yuǎn)程端口，向無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)起的攻擊。通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，攻擊者可以斷開(kāi)無(wú)人機(jī)擁有者的FreeFlight控制應(yīng)用并使之與自己配對(duì)，然后獲得完整的控制權(quán)限。甚至，黑客們還能通過(guò)Bebop模型，將正在天上飛的無(wú)人機(jī)“一鍵拿下”。連接到目標(biāo)無(wú)人機(jī)之后，獲得了訪問(wèn)控制器的root權(quán)限，隨后自然是可以肆意地進(jìn)行破壞，甚至讓無(wú)人機(jī)直接掉到地上。

5 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成與安全防護(hù)的關(guān)系

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括終端安全、反GPS欺騙、基于激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的無(wú)人機(jī)高壓線路、桿塔探測(cè)、電力專(zhuān)用無(wú)人機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)、基于全國(guó)產(chǎn)“龍芯”、“申威”等通用CPU的無(wú)人機(jī)飛行控制與任務(wù)等。實(shí)際上這些內(nèi)容都是圍繞無(wú)人機(jī)展開(kāi)的。下面主要介紹無(wú)人機(jī)的相關(guān)組成，從中可以看到以上研究?jī)?nèi)容和無(wú)人機(jī)的關(guān)系[4]。

旋翼無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)組成如圖3所示，包括無(wú)人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)，其中含有飛控系統(tǒng)、電機(jī)、電調(diào)、遙控接收機(jī)、姿態(tài)參考系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)，同時(shí)，還需要地面控制臺(tái)、圖傳地面顯示系統(tǒng)、遙控裝置。

下面介紹每部分的功能和作用：

飛控系統(tǒng)：無(wú)人機(jī)的控制中心，接收各個(gè)傳感器的信息并運(yùn)算，連接其他各模塊的為一個(gè)整體；（基于國(guó)產(chǎn)通用CPU的無(wú)人機(jī)飛行控制與任務(wù)）。

電機(jī)：無(wú)人機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力；（電力專(zhuān)用無(wú)人機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)）。

電調(diào)：驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備，為無(wú)人機(jī)提供能量轉(zhuǎn)換，接收飛控系統(tǒng)的直接命令；（電力專(zhuān)用無(wú)人機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)）。

遙控接收機(jī)：接收遙控裝置的命令并發(fā)送給飛控系統(tǒng)；（終端安全）。

姿態(tài)參考系統(tǒng)：給飛控系統(tǒng)反饋當(dāng)前無(wú)人機(jī)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)姿態(tài)，為飛控系統(tǒng)提供動(dòng)力反饋提供支持；（電力專(zhuān)用無(wú)人機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)）。

導(dǎo)航定位系統(tǒng)：如GPS、RTK等定位設(shè)備，可以給飛控系統(tǒng)提供當(dāng)前無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置；（反GPS欺騙）。

通信系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)與地面站控制臺(tái)之間相互通信的設(shè)備及通信協(xié)議，飛控系統(tǒng)可以發(fā)送無(wú)人機(jī)當(dāng)前的實(shí)時(shí)狀態(tài)同時(shí)也可以接受地面控制臺(tái)的控制指令，而通信系統(tǒng)就是兩者之間的橋梁；（終端安全、電力專(zhuān)用無(wú)人機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)）。

圖傳地面顯示系統(tǒng)：接收無(wú)人機(jī)機(jī)載攝像機(jī)當(dāng)前所拍攝圖像，并在地面端實(shí)時(shí)顯示；（高壓線路、桿塔探測(cè)）。

遙控裝置：給接收機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，飛控系統(tǒng)解算后執(zhí)行相應(yīng)命令。（終端安全）。

6 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全防護(hù)的方式淺析

（1）無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃與避撞

由于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展，各類(lèi)避撞、航跡規(guī)劃算法層出不窮。動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃的目的是根據(jù)飛行器的位置、任務(wù)要求和周?chē)h(huán)境的情況實(shí)時(shí)設(shè)定每架飛機(jī)的飛行路徑，確保飛機(jī)可以躲避飛行區(qū)域中的障礙物并且完成指定任務(wù)[5]。

我們基于A*搜索、遺傳、模擬退火、蟻群、粒子群、勢(shì)能函數(shù)等通用優(yōu)化算法進(jìn)行研究，可以提出一套完備的適用于低空復(fù)雜空域的動(dòng)態(tài)避撞算法。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到計(jì)算復(fù)雜度和實(shí)用性的關(guān)系，本項(xiàng)目擬采用結(jié)合勢(shì)能函數(shù)和增強(qiáng)學(xué)習(xí)的方法來(lái)做無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃。

基于勢(shì)能函數(shù)的算法主要借鑒物理勢(shì)場(chǎng)的原理，將飛行器在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為一種在虛擬人工受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。勢(shì)場(chǎng)中存在引力極和斥力極，其中目標(biāo)點(diǎn)對(duì)飛行器產(chǎn)生的是引力，障礙物對(duì)飛行器產(chǎn)生的是斥力，最后通過(guò)求合力來(lái)控制飛行器的運(yùn)動(dòng)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于空間法更適合于動(dòng)態(tài)環(huán)境，缺點(diǎn)是缺乏全局信息，不能處理局部極小值，如圖4所示。

（2）基于TPM的可信計(jì)算

可信計(jì)算的核心是稱為T(mén)PM（TrustedPlatformModule）（可信平臺(tái)模塊）的安全芯片，作為可信計(jì)算技術(shù)的核心，TPM被業(yè)內(nèi)喻為安全PC產(chǎn)業(yè)鏈的“信任原點(diǎn)”，旨在將PC變成一個(gè)安全可信的計(jì)算平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，TPM安全芯片被嵌入到PC主板之上。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，發(fā)電量與用電量逐年上升，國(guó)家能源局等對(duì)電力安全可靠性提出新要求，電力巡檢關(guān)系電力安全可靠性與國(guó)計(jì)民生，戰(zhàn)略地位與實(shí)際剛性需求突出。隨著無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用的廣泛深入，保護(hù)戰(zhàn)略資源的安全，開(kāi)展各種防干擾手段對(duì)其的影響研究以及干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究都變得越來(lái)越緊迫。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-11-13

作者簡(jiǎn)介：朱 敏（1992-），男，助理工程師，本科，主要從事信息安全工作。

羅 晨（1990-），男，助理工程師，研究生，主要從事信息運(yùn)維工作。

毛幼軍（1970-），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事信息系統(tǒng)管理工作。