王剛 孟瑩梅

摘 要：當(dāng)下輸電線路巡檢自動化已成為電力系統(tǒng)維護(hù)的必然趨勢和發(fā)展方向，無人機(jī)巡檢方式的普及，將極大減輕送電線工在線路日常巡視、緊急搶修、狀態(tài)監(jiān)測等方面的工作壓力，在消除人工巡檢盲點(diǎn)的同時，提高了巡檢效率與巡視質(zhì)量，保障了巡檢過程中的人身安全。本文簡述了國內(nèi)外無人機(jī)巡線技術(shù)的研究現(xiàn)狀，將常見的巡線用無人機(jī)進(jìn)行分類比較，得出不同種類無人機(jī)巡線的優(yōu)缺點(diǎn)，并以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，詳細(xì)介紹了小型旋翼機(jī)巡檢過程中的操作流程和基本注意事項(xiàng)。最后還展望了圖像、數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以及要求更高的激光雷達(dá)巡線技術(shù)。

關(guān)鍵詞：輸電線路；無人機(jī)；巡檢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.148

0 引言

隨著電力網(wǎng)架構(gòu)成的進(jìn)一步豐富、智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，繼續(xù)依靠傳統(tǒng)人力巡檢輸電線路已無法滿足現(xiàn)階段的巡線要求。基于當(dāng)前無人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，相應(yīng)軟、硬件技術(shù)日趨完善，利用無人機(jī)代替人力進(jìn)行巡線，可以到達(dá)人力很難到達(dá)的地方，且巡線效率高，范圍廣，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。國家電網(wǎng)公司關(guān)于輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)的相關(guān)研究和應(yīng)用也在逐年加強(qiáng)。

1 無人機(jī)分類比較

固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)為常用電力專用無人機(jī)，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用于不同的巡線場合。固定翼無人機(jī)飛行速度快，續(xù)航時間長，但不能懸停于空中，適用于進(jìn)行輸電線路通道大范圍、長距離巡檢。無人直升機(jī)飛行靈活，能快速準(zhǔn)確的進(jìn)行輸電線路作業(yè)，現(xiàn)已基本運(yùn)用到對輸電線路通道環(huán)境監(jiān)測，交叉跨越復(fù)核檢查，重要隱患監(jiān)控等方面的巡視工作。多旋翼無人機(jī)最大的特點(diǎn)便是能垂直起降，飛行控制靈活，穩(wěn)定性高，可應(yīng)用在電氣線路設(shè)備的參數(shù)收集、故障查找等任務(wù)中。在故障段確定的情況下，多旋翼無人機(jī)能在接近線路處進(jìn)行空中懸停，完成輸電線路桿塔設(shè)備、絕緣子等定點(diǎn)目標(biāo)的精益化巡檢工作?？偨Y(jié)以上各類無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)與當(dāng)前電力生產(chǎn)工作實(shí)際相結(jié)合，架空輸電線路的巡線建議使用固定翼無人機(jī)搭配小型旋翼機(jī)或無人直升機(jī)進(jìn)行。而固定翼無人機(jī)和無人機(jī)直升機(jī)的價格相對較高，基于巡線頻率與性價比綜合考慮，價格便宜且操控靈活的小型旋翼機(jī)是現(xiàn)階段最值得推廣的機(jī)型。

2 無人機(jī)巡檢流程

我們以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，對無人機(jī)巡檢流程進(jìn)行簡要介紹。小型旋翼機(jī)巡線一般巡檢流程如下：第一、收集巡檢線路資料，確定巡檢線路的地點(diǎn)、巡檢時間、人員和車輛安排等內(nèi)容；第二、確定桿塔類型、桿塔數(shù)量、桿塔巡檢對象、拍攝要求、拍攝數(shù)量；第三、勘查巡檢現(xiàn)場，了解桿塔位置、線路走向、地形、地貌、風(fēng)向、風(fēng)速、光源方向、信號塔、山丘、河流、樹木、礦藏、地下管道等；第四、制定飛行計劃，確定地面站放置點(diǎn)、飛手站立地點(diǎn)、飛機(jī)起飛點(diǎn)、飛行方向、飛行路線，尤其需要注意桿塔方位、風(fēng)向、風(fēng)速、光源、樹木、通訊塔、山丘、礦藏、管道、溫度、飛手站位與桿塔電線的角度；第五、根據(jù)巡線需求調(diào)整相機(jī)中設(shè)置的照片質(zhì)量，實(shí)施巡檢，每個拍攝對象拍攝5張以上的照片，以防止因?yàn)闊o人機(jī)抖動造成的相片重影，圖像發(fā)虛等情況，從中選擇最優(yōu)照片，避免因?yàn)椴缓细裾掌柚匦嘛w行，以便提高飛行的效率。

下面將對實(shí)際應(yīng)用過程中桿塔巡檢拍攝步驟進(jìn)行簡要介紹：

步驟一：起飛后緩慢上升至左線下相，機(jī)身與線路左線大號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具；緩慢下降，機(jī)身與線路左跳線硬管母水平，拍攝硬管母整體及連接金具；緩慢上升，機(jī)身與線路左線小號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串、金具等。

步驟二 ：緩慢上升至左線中相，重復(fù)步驟一。

步驟三 ：緩慢上升至左線上相，重復(fù)步驟一。

步驟四 ：緩慢上升至塔頂，略高于地線，拍攝左側(cè)地線及掛點(diǎn)和金具。

步驟五 ：翻越桿塔至另一側(cè)，緩慢下降，拍攝右側(cè)地線。

步驟六：緩慢下降至右線上相，機(jī)身與線路右線大號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具；緩慢下降，機(jī)身與線路右跳線硬管母水平，拍攝右跳線硬管母整體及連接金具；緩慢上升，機(jī)身與線路右線小號側(cè)絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具。

步驟七 ：緩慢下降至左線中相，重復(fù)步驟六。

步驟八 ：緩慢下降至左線下相，重復(fù)步驟六。

步驟九：拍攝大小號側(cè)通道及周圍危險點(diǎn)。

以上九個步驟為巡檢1000kV同塔雙回耐張塔時的拍攝方式，其他電壓等級的線路巡檢過程與其類似。同時我們還應(yīng)該注意到小型旋翼機(jī)巡線時天氣狀況影響較大，當(dāng)風(fēng)力高于 3 級時，無人機(jī)會出現(xiàn)飄移的情況，可能導(dǎo)致其與輸電線路、輸電桿塔設(shè)備等無法滿足有效的安全距離，甚至發(fā)生碰撞。因此加裝測距系統(tǒng)也是目前眾多巡線用無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前使用最多的是超聲波測距模塊，超聲波模塊的特點(diǎn)是必須符合探測角度足夠大的要求，測量距離的范圍適中即可。小型旋翼機(jī)機(jī)體較小，能近距離飛抵輸電線路附近，我們這里選用的測試距離以 6-10 米為宜，檢測的精度能夠達(dá)到毫米級，這也是我們將小型旋翼機(jī)作為線路巡檢設(shè)備首先的考慮因素之一。

3 后期數(shù)據(jù)處理

目前，無人機(jī)巡檢作業(yè)已然成為了輸電線路智能巡檢的主要方式。無人機(jī)在巡檢作業(yè)時拍攝了大量的數(shù)據(jù)資料，對于這些數(shù)據(jù)，國內(nèi)相關(guān)從業(yè)單位主要還是以人工處理為主，或由人工在線監(jiān)視、實(shí)時判斷發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)備的異常情況。人工處理的模式，一方面會增加很大的勞動強(qiáng)度，另一方面?zhèn)€人因素對后期數(shù)據(jù)的分析質(zhì)量也會造成不確定的影響。而采用人工在線監(jiān)視、實(shí)時判斷發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)備的異常情況，又比較容易遺漏或誤報關(guān)鍵信息，因此采用人工處理無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)的方法實(shí)際上并不值得繼續(xù)推廣。

可喜的是，隨著近些年基于嵌入式系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)的輸電線故障檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，我們可以讓無人機(jī)搭載圖像傳感器和嵌入式處理器，將采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理、輸電線識別與定位、輸電線上附件識別，將輸電線從復(fù)雜背景中進(jìn)一步分離出來，再進(jìn)行導(dǎo)線弧垂監(jiān)測、絕緣子狀態(tài)評估、異物掛線、導(dǎo)線斷股、金具形變等故障檢測，加之對報警信息及分析后的視頻信號進(jìn)行存儲，以及對存儲數(shù)據(jù)的快算檢索，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將輸電線狀態(tài)實(shí)時反饋至地面控制臺。新技術(shù)的革新、新產(chǎn)品的研究與推廣，使得無人機(jī)巡檢能夠做到有效快速地進(jìn)行故障檢測和分析，安全便捷地向控制中心提供輸電線路狀況，無論是在輸電線路巡檢質(zhì)量，還是在巡檢設(shè)備承載力上都有了質(zhì)的飛躍。

4 總結(jié)與展望

我們可以清晰的看到，以美國為主的發(fā)達(dá)國家依托于先進(jìn)的無人機(jī)研發(fā)基礎(chǔ)，在無人機(jī)電力設(shè)施巡檢領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位?？v觀國內(nèi)近幾年的無人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r，各類基于無人機(jī)類型產(chǎn)品的科技公司層出不窮，例如大疆、3D Robotics、派諾特、零度、極飛等，這些公司生產(chǎn)的無人機(jī)產(chǎn)品更多傾向于民用航拍，國內(nèi)無人機(jī)行業(yè)在機(jī)身材料革新、位置及姿態(tài)傳感技術(shù)、無人機(jī)地面站技術(shù)等方面的發(fā)展也是有目共睹的。

但是在電力行業(yè)，特別是在輸電線路巡檢方面，由于輸電線路巡檢復(fù)雜多變的巡檢環(huán)境以及需要基于輸電線路進(jìn)行無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃、無人機(jī)禁飛區(qū)設(shè)置等多方面的特殊功能需求，截至目前國內(nèi)還沒有專門針對輸電線路巡檢所開發(fā)的系統(tǒng)的無人機(jī)量化產(chǎn)品。且國內(nèi)無人機(jī)行業(yè)還處于硬件開發(fā)層面，配合無人機(jī)巡檢的地面監(jiān)控系統(tǒng)，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)在線處理、智能識別、診斷技術(shù)等類型的軟件技術(shù)開發(fā)方向的研究還是收獲甚微。

目前電力巡檢監(jiān)控系統(tǒng)與無人機(jī)之間依舊是一對一的工作模式，即一臺地面監(jiān)控系統(tǒng)只能監(jiān)控一架巡檢無人機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)和巡檢無人機(jī)間的通信策略研究，將會是影響電力用無人機(jī)發(fā)展的重中之重，如何能夠通過地面監(jiān)控系統(tǒng)的智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)智能、自主和協(xié)同巡檢，以便進(jìn)一步提升巡檢效率，也會成為巡檢用無人機(jī)的重點(diǎn)研究方向。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，引入具有真正意義上的人工智能計算機(jī)視覺分析技術(shù)，使巡檢系統(tǒng)具備人眼的識別和人腦的分析能力，利用無人機(jī)巡檢系統(tǒng)圖像的仿生視覺處理，我們可以清晰的識別輸電線路的桿塔、導(dǎo)線、附屬設(shè)備、弧垂變化等情況，對無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)中重要的缺陷和隱患進(jìn)行及時、有效的處理，以便提高無人機(jī)巡檢水平，減少人為后期巡檢數(shù)據(jù)處理的工作量。隨著尖端技術(shù)的發(fā)展和普及，在軍工領(lǐng)域運(yùn)用較多的激光雷達(dá)技術(shù)，也將會成為未來電力專用無人機(jī)巡檢技術(shù)可拓展延伸的方向。我相信，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對巡檢圖像進(jìn)行預(yù)處理功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自然背景下輸電線路及附屬設(shè)備的自動提取與識別，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)處理分析的智能化將是國內(nèi)外電力用無人機(jī)發(fā)展的必然趨勢。

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作者簡介：王剛（1991-），男，江蘇南通人，本科，助理工程師，從事送電線路方面工作。