陶雄俊 阮峻 王飛 李紅盛

【摘 要】受輸電線路精細(xì)化內(nèi)容和要求的限制，人工操控?zé)o人機由于操作水平的不同，使得無人機精細(xì)化巡檢的拍攝位置、高度、部位、順序、質(zhì)量等因人而異，規(guī)范性較差，這不僅增加了巡視的安全風(fēng)險，還加大了缺陷分析的難度。本文針對輸電線路精細(xì)化巡檢的內(nèi)容和要求，采用智能飛行控制技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法，自主研發(fā)了一款針對輸電線路無人機精細(xì)化巡檢的自動駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過利用搭載RTK的無人機，可自動記錄無人機巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過程信息，形成全自動化桿塔精細(xì)化空中飛行巡視采集作業(yè)流程，實現(xiàn)無人機輸電線路的自動精細(xì)化巡檢。

【關(guān)鍵詞】輸電線路;精細(xì)化巡檢;自動駕駛系統(tǒng)

隨著高等級輸電線路的不斷發(fā)展，輸電線路的精細(xì)化巡檢作業(yè)對維護(hù)區(qū)域電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和高效運行越來越重要，也是電網(wǎng)運行的當(dāng)務(wù)之急。輸電線路跨區(qū)域分布，點多面廣，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，輸電線路設(shè)備長期暴露在野外，受到持續(xù)的機械張力、雷擊閃電、材料老化、覆冰以及人為因素的影響容易造成倒塌、斷股、磨損、腐蝕和舞動等現(xiàn)象，絕緣子還存在被雷擊損傷、樹木生長引起高壓放電以及絕緣劣化而導(dǎo)致輸電線路事故，桿塔存在被偷盜等意外事件。傳統(tǒng)的人工輸電線路精細(xì)化巡檢工作強度大、時效差、巡視效果差，難以多方位觀察線路本體、線路附屬設(shè)備、桿塔本體、塔上附屬設(shè)備的狀況，需要巡檢人員爬塔，并借助輔助器材對電力設(shè)施進(jìn)行近距離巡視，對人身安全構(gòu)成很大威脅。無人機技術(shù)的發(fā)展和通航領(lǐng)域政策的逐步放開，有效地解決了電力巡檢的難題，推進(jìn)了傳統(tǒng)人工巡檢模式向機巡模式的轉(zhuǎn)變。

1.無人機精細(xì)化巡檢現(xiàn)狀

隨著無人機市場的不斷擴大和無人機精細(xì)化巡檢的不斷深入，多旋翼無人機由于靈活快速、安全性高、操作簡單、具有中、近距離的定點和機動巡查等特點，通過搭建RTK高精度定位模塊，可實現(xiàn)輸電線路的精細(xì)化巡檢。無人機飛手通過采用人工操控多旋翼無人機的方式進(jìn)行精細(xì)化巡檢，由于操作水平的不同，無人機的拍攝位置、高度、部位、順序等均會有較大差異，每次的拍攝質(zhì)量也因人而異，規(guī)范性較差，這不僅增加了巡視的安全風(fēng)險，還使得后續(xù)缺陷分析的難度加大。為有效地解決上述問題，本文基于輸電線路精細(xì)化巡檢的內(nèi)容和要求，采用智能飛行控制技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法，自主研發(fā)了一款針對輸電線路無人機精細(xì)化巡檢的自動駕駛系統(tǒng)，以減少人工操作，降低職業(yè)門檻，保證飛機的飛行安全，減少事故率，實現(xiàn)無人機輸電線路的自動精細(xì)化巡檢。

2.輸電線路精細(xì)化巡檢方法及內(nèi)容

2.1 輸電線路精細(xì)化巡檢方法

電力巡檢是指對電力線路及附屬設(shè)備的運行狀態(tài)以及對電力線路走廊周邊環(huán)境狀況進(jìn)行及時和準(zhǔn)確的巡視檢測，通過排查發(fā)現(xiàn)故障點及危及電力安全的潛在隱患并進(jìn)行有效排除，確保輸電線路安全可靠運行。目前，常用的電力巡檢方法有傳統(tǒng)人工巡檢、特種機器人巡檢、載人直升機巡檢、固定翼無人機巡檢、多旋翼無人機巡檢等，各種巡檢方法的優(yōu)缺點對比如下。

通過對比分析可知，將無人機應(yīng)用于電力巡檢，可以大幅度減輕電力巡檢方面的各項投入，降低人工成本和勞動強度，提高工作效率，保障作業(yè)安全，解決傳統(tǒng)巡線中所遇到的困難，有利于推動智能電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)，實現(xiàn)安全、高效、精細(xì)、經(jīng)濟的電力巡檢目的。電力巡檢主要包括線路外界環(huán)境巡視、線路通道巡視、線路設(shè)備巡視等。其中線路設(shè)備巡視包含桿塔基礎(chǔ)、接地裝置、桿塔本體、導(dǎo)地線、絕緣子、金具及附件、標(biāo)志牌等非常多的設(shè)備部件，為了保證這些部件的良好狀態(tài)運行，需要線路運維工作人員對這些設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化巡視，發(fā)現(xiàn)缺陷、及時檢修、消除隱患。由于線路設(shè)備主要分布在鐵塔和導(dǎo)地線上，需要運維巡檢人員翻山越嶺到達(dá)塔位、導(dǎo)地線下，爬上鐵塔逐一查看，工作量極大。

多旋翼無人機能夠搭載相機和紅外等任務(wù)設(shè)備在空中對巡視線路進(jìn)行中、近距離的定點和機動巡查，通過搭建自主研發(fā)的RTK高精度定位模塊，可實現(xiàn)輸電線路的精細(xì)化巡檢。該方法靈活、快速、安全性高、操作簡單、便于攜帶、環(huán)保無污染、運行與維護(hù)成本低、不受地形、環(huán)境等條件制約。因此本文采用多旋翼無人機進(jìn)行輸電線路精細(xì)化巡檢的研究，具體參數(shù)如下。

2.2 輸電線路精細(xì)化巡檢內(nèi)容

無人機技術(shù)的發(fā)展大大減輕了電力巡檢人員的作業(yè)負(fù)擔(dān)，通過多旋翼無人機精細(xì)化巡檢可以清楚判斷輸電線路的重要部件是否受到損壞，保證輸電線路的安全，保障居民用電。多旋翼無人機精細(xì)化巡檢通常用于220kV及以上輸電線路的架空輸電線路巡檢，主要巡檢方式為拍照、錄像等，巡檢對象為線路本體、線路附屬設(shè)備、桿塔本體和塔上附屬設(shè)備。巡檢內(nèi)容具體如下：1）輸電線路本體導(dǎo)地線損傷、松股、斷股、跳股、補修、綁扎、線松散、弧垂偏差過大等;2）桿塔本體傾斜、倒塌、塔材被盜缺失、塔基災(zāi)害、移動等;3）塔上線路金具線夾斷裂、裂紋、磨損、銷釘脫落或嚴(yán)重腐蝕;均壓環(huán)、屏蔽環(huán)燒傷、螺栓松動;防震錘跑位、脫落、嚴(yán)重銹蝕、阻尼線變形、燒傷;間隔棒松脫、變形或離位;各種連扳、連接環(huán)、調(diào)整板損傷、裂紋等;金具銹蝕、變形、磨損、裂紋，開口銷及彈簧銷缺損或脫出;4）塔上絕緣子與瓷橫擔(dān)臟污，瓷質(zhì)裂紋、破碎，鋼化玻璃絕緣子爆裂，絕緣子鐵帽及鋼腳銹蝕，鋼腳彎曲;合成絕緣子傘裙破裂、燒傷;絕緣子與絕緣橫擔(dān)有閃絡(luò)痕跡和局部火花放電留下的痕跡;絕緣子串、絕緣橫擔(dān)偏斜;絕緣橫擔(dān)綁線松動、斷股、燒傷;絕緣子槽口、鋼腳、鎖緊銷不配合，鎖緊銷子退出等;重要交跨是否采用了獨立懸掛點的雙串絕緣子;5）防鳥裝置、監(jiān)測裝置缺失、破損、變形、螺栓松脫等。

多旋翼無人機精細(xì)化巡檢分為正常巡檢、故障巡檢和特殊巡檢。其中，正常巡檢主要對輸電線路導(dǎo)線、地線和桿塔上部的塔材、金具、絕緣子、附屬設(shè)施、線路走廊等進(jìn)行常規(guī)性檢查。巡檢時根據(jù)線路運行情況、檢查要求，選擇性搭載相應(yīng)的檢測設(shè)備進(jìn)行可見光巡檢、紅外巡檢;故障巡檢主要是線路發(fā)生故障后，根據(jù)故障信息，確定重點巡檢區(qū)段和部位，采用無人直升機查找故障點及其他異常情況;特殊巡檢主要是根據(jù)季節(jié)特點、設(shè)備內(nèi)外部環(huán)境及特殊生產(chǎn)需要做出的加強性、防范性及針對性巡檢，如鳥害巡檢、樹竹巡檢、防火燒山巡檢、外破巡檢、災(zāi)后巡檢等。除正常巡檢、故障巡檢、特殊巡檢外，還可將無人機應(yīng)用在電網(wǎng)災(zāi)后故障巡檢。當(dāng)災(zāi)害導(dǎo)致道路受阻、人員無法巡檢時，無人機可以發(fā)揮替代作用，開展輸電線路巡查，準(zhǔn)確定位桿塔、線路故障，且視角更廣，能避免“盲點”。無人機巡檢提高了電力維護(hù)和檢修的速度和效率，使許多工作能在完全帶電的情況下迅速完成，比人工巡檢效率高出數(shù)十倍。

2.3 輸電線路精細(xì)化巡檢要求

多旋翼在保證最小安全距離的情況下，通過無人機對桿塔各個巡檢部位進(jìn)行可見光拍攝，照片像素為2400萬，最終成像效果能清晰分辨出螺栓及開口銷細(xì)節(jié)。根據(jù)架空輸電線路實際運行情況，結(jié)合不同塔型作業(yè)經(jīng)驗，本文將架空輸電線路精細(xì)化巡檢的照片數(shù)量劃定為單回路直線塔至少14張、單回路耐張塔至少27張、雙回路直線塔至少25張、多回路耐張塔至少40張、單回路換位塔至少30張、雙回路換位塔至少50張。下面僅以單回路杯型直線塔（表3）及雙回路“干”字型塔為例詳細(xì)說明拍攝部位及巡檢效果（表4）。

3.輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)研發(fā)

輸電線路無人機精細(xì)化巡檢通常采用人工操作RTK高精度定位多旋翼無人機的方式進(jìn)行，但由于人為操作的影響，無人機的拍攝位置、高度很難準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置和高度，每次的拍攝質(zhì)量因人而異，規(guī)范性較差，受到人員操控技術(shù)的限制，拍攝的部位、順序等均會有較大差異，這不僅增加了巡視的安全風(fēng)險，還導(dǎo)致后續(xù)缺陷分析的難度加大。為有效地解決上述問題，本文基于輸電線路精細(xì)化巡檢的內(nèi)容和要求，采用智能飛行控制技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法，研發(fā)了輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)。

輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)是基于Android移動操作系統(tǒng)和大疆SDK自主研發(fā)的、針對輸電線路精細(xì)化巡檢的作業(yè)特點深度定制的無人機自動駕駛系統(tǒng)。系統(tǒng)首先采用智能飛行控制技術(shù)人工操控?zé)o人機進(jìn)行精細(xì)化巡檢，無人機控制程序?qū)⒆詣佑涗浫斯げ倏責(zé)o人機巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過程信息，詳細(xì)記錄巡視路徑節(jié)點，并通過優(yōu)化處理剔除無效飛行，優(yōu)化拍攝方法，調(diào)整每個位置相機方向、角度、拍攝順序，刪除多余拍攝，形成每個點位的最佳采集方案，存貯在系統(tǒng)中，形成機器學(xué)習(xí)的全自動化桿塔精細(xì)化空中飛行巡視采集作業(yè)流程。后續(xù)可通過程序控制實現(xiàn)無人機自動進(jìn)行輸電線路的精細(xì)化巡檢，實現(xiàn)無人機的自動化、智能化操作控制，減少人工操作，降低職業(yè)門檻，保證飛機的飛行安全，減少事故率。此外，還可以一個架次巡視多基鐵塔，實現(xiàn)超視距飛行，避免依靠人工視覺定位。系統(tǒng)功能分為數(shù)據(jù)采集、模式切換、任務(wù)管理和飛行記錄四大模塊，具體功能如下。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于精細(xì)化巡檢作業(yè)的顯示，內(nèi)置Google地圖和高德地圖兩種互聯(lián)網(wǎng)主流地圖，每種地圖均包含常用路網(wǎng)地圖或衛(wèi)星影像地圖，可通過地圖切換完成轉(zhuǎn)換顯示。提供快速定位功能，當(dāng)設(shè)備連接時，定位功能進(jìn)行的是無人機定位;當(dāng)設(shè)備未連接時，定位功能進(jìn)行的是手機定位。在無人機的飛行過程中，可實時顯示無人機在飛行過程中的位置、視頻以及各種姿態(tài)參數(shù)等信息，并提供GPS信號強度、衛(wèi)星數(shù)量、圖傳信號強度、遙控器信號強度、電量、云臺角度、飛行高度、飛行距離、飛行速度、垂直速度、飛行時長、曝光數(shù)量、曝光補償、相機模式等參數(shù)的顯示功能。此外，還提供實時天氣預(yù)報功能和禁飛區(qū)提示功能（圖1）。

3.2 精細(xì)巡視模塊

精細(xì)巡視模塊分為學(xué)習(xí)模式和巡檢模式。學(xué)習(xí)模式可以記錄飛行的軌跡和拍攝位置，記錄下來的信息將會在巡檢模式中作為飛行依據(jù)，而巡檢模式可以按照學(xué)習(xí)模式記錄下來的信息進(jìn)行自動飛行。該模塊具備KML或者Excel格式的桿塔坐標(biāo)位置導(dǎo)入功能，可以新增桿塔、追加桿塔、刪除桿塔、保存單點桿塔的飛行路徑，還可同時保存多個桿塔的飛行路徑，并將其保存為KML文件。為確保每個巡視人員能夠安全操作無人機進(jìn)行精細(xì)化巡視，可以在學(xué)習(xí)模式下由有經(jīng)驗的巡視人員先控制無人機進(jìn)行巡視，完成之后由其他的非專業(yè)巡視人員在巡檢模式下按照學(xué)習(xí)模式記錄的軌跡和拍照位置進(jìn)行自動化巡檢（圖2）。

3.3 任務(wù)管理模塊

任務(wù)管理模塊用于記錄所有飛行任務(wù)的名稱、日期、高度、重疊度、航線規(guī)劃以及完成狀態(tài)，支持任務(wù)的預(yù)覽、刪除、編輯、上傳、斷點續(xù)飛等功能。提供影像預(yù)覽、上傳圖像、拼接圖像、刪除任務(wù)等功能，可以通過藍(lán)牙將任務(wù)的信息同步到其他移動端，也可以將影像數(shù)據(jù)上傳到云端或者傳輸?shù)缴疃扔跋裉幚硐到y(tǒng)中進(jìn)行處理（圖3）。

3.4 飛行記錄模塊

飛行記錄模塊具有飛行記錄預(yù)覽、飛行信息統(tǒng)計、飛行記錄查看、飛行記錄刪除等功能，可查看每次飛行任務(wù)的日期、經(jīng)度、緯度、里程、飛行時長等基本信息，提供該架無人機的總飛行時間、里程、次數(shù)等統(tǒng)計信息，并可瀏覽、刪除飛行記錄（圖4）。

4.輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)用

基于多旋翼無人機，利用研發(fā)的輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)，在廣東省廣州市黃浦區(qū)沖坑尾對某220KV的輸電線路進(jìn)行精細(xì)化自動巡檢測試應(yīng)用，獲取的精細(xì)化巡檢影像如圖5所示。輸電線路精細(xì)巡檢數(shù)據(jù)的獲取是進(jìn)行桿塔缺陷隱患分析的前提和基礎(chǔ)，將本文獲取的精細(xì)化巡檢數(shù)據(jù)應(yīng)用于桿塔的缺陷隱患分析中，可實現(xiàn)缺陷隱患的自動識別與分類，缺陷自動識別的結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明，輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)具有高精度定位、航線自動規(guī)劃、一鍵起飛、自主作業(yè)、自動返航、斷點續(xù)飛、智能避障等特點，可有效地完成精細(xì)化的輸電線路無人機巡視作業(yè)，保證作業(yè)安全。利用無人機自動駕駛系統(tǒng)采集得到的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量好，距離桿塔近，能夠清楚的展示桿塔的部件信息，將其應(yīng)用于缺陷隱患識別軟件中，可實現(xiàn)缺陷的自動識別，具有較高的效率。由此可知，本文研發(fā)的輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)對于無人機輸電線路的精細(xì)化巡視作業(yè)具有良好的適用性。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)具有高精度定位、航線自動規(guī)劃、一鍵起飛、自主作業(yè)、自動返航、斷點續(xù)飛、智能避障等特點，可有效地解決受無人機飛手水平影響而造成的拍攝位置、高度、質(zhì)量、順序等不一致的問題，保障作業(yè)安全。輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、模式切換、任務(wù)管理和飛行記錄四大模塊，可自動記錄人工操控?zé)o人機巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過程信息，詳細(xì)記錄巡視路徑節(jié)點，形成每個點位的最佳采集方案，并存貯在系統(tǒng)中，形成機器學(xué)習(xí)的全自動化桿塔精細(xì)化空中飛行巡視采集作業(yè)流程。利用輸電線路無人機精細(xì)化巡檢自動駕駛系統(tǒng)對在廣東省廣州市黃浦區(qū)沖坑尾某220KV的輸電線路進(jìn)行精細(xì)化自動巡檢測試應(yīng)用。結(jié)果表明，利用無人機自動駕駛系統(tǒng)采集得到的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量好，距離桿塔近，能夠清楚的展示桿塔的部件信息，將其應(yīng)用于缺陷隱患識別軟件中，可實現(xiàn)缺陷的自動識別，具有較高的效率。

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作者簡介：

陶雄?。?983-），男，漢族，湖北孝感市人，學(xué)士學(xué)歷，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局輸電管理所班長，主要研究方向：特高壓直流輸電線路運行與維護(hù)工作。

（作者單位：1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局;2.廣州地理研究所）