國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司 孫 嬙 湯奕琛 沈如榕

輸電線路分布在城市、鄉(xiāng)村、山地等各個(gè)區(qū)域，為了保障居民安全，當(dāng)前新建的輸電線路通常會(huì)選擇地勢(shì)更加惡劣的區(qū)域。由于輸電線路、桿塔部件等所處環(huán)境十分惡劣，在長(zhǎng)期惡劣環(huán)境的威脅下，會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損、自爆等嚴(yán)重的損害，導(dǎo)致輸電線路的運(yùn)行質(zhì)量嚴(yán)重降低，更會(huì)進(jìn)一步出現(xiàn)輸電安全事故問(wèn)題。因此，對(duì)不同環(huán)境下的輸電線路進(jìn)行定期或不定期地檢查和維護(hù)，其在維護(hù)輸電安全中具有十分重要的價(jià)值和意義。通過(guò)合理的巡檢可以對(duì)輸電線路的運(yùn)行情況以及被保護(hù)區(qū)域內(nèi)環(huán)境的變化情況等實(shí)時(shí)掌握，從而在最短的時(shí)間內(nèi)找出存在的潛在問(wèn)題，以此防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，保障供電的安全和穩(wěn)定[1]。當(dāng)前，隨著航空工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展速度不斷加快，采用無(wú)人機(jī)作為線路巡檢的裝置設(shè)備之一，是近幾年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域研究人員重點(diǎn)關(guān)注的話題。當(dāng)前無(wú)人機(jī)在220kV 及以上典型輸電線路上對(duì)輸電線路進(jìn)行檢測(cè)已經(jīng)十分常見(jiàn)，并且具備成本低、自動(dòng)化程度高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。但由于當(dāng)前部分無(wú)人機(jī)在進(jìn)行巡檢的過(guò)程中其軌跡的規(guī)劃上存在問(wèn)題，進(jìn)而使得巡檢的質(zhì)量和效率都受到了不同程度上的影響[2]。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，本文開(kāi)展輸電線路無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡優(yōu)化研究。

1 輸電線路無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 確定巡檢航跡規(guī)劃約束條件

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢航跡的全面優(yōu)化，應(yīng)在開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)研究前，進(jìn)行其巡檢航跡規(guī)劃約束條件的確定。在此過(guò)程中，應(yīng)提取影響無(wú)人機(jī)巡檢航跡的因素，作為性能參數(shù)，具體包括巡檢航跡執(zhí)行的任務(wù)、無(wú)人機(jī)在初始化狀態(tài)下與執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)下的性能參數(shù)，將提取的參數(shù)值作為約束條件指令集合，進(jìn)行約束條件的進(jìn)一步描述[3]。選定的巡檢航跡規(guī)劃約束條件之一為最大航程，將此條件表示為Vmax，設(shè)定無(wú)人機(jī)巡檢航跡的整條航跡上一共存在m 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)，則無(wú)人機(jī)的巡檢航跡規(guī)劃可用下述圖1表示。

圖1 無(wú)人機(jī)巡檢航跡規(guī)劃最大航線

假設(shè)無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其中第i 段（例如1→2）的航程距離表示為vi，則對(duì)應(yīng)的總里程應(yīng)當(dāng)滿足下述條件：

公式中：V 表示為無(wú)人機(jī)飛行總里程，計(jì)算單位為km。除上文提出的約束條件，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)前端執(zhí)行任務(wù)的需求，進(jìn)行無(wú)人機(jī)最小步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)。例如，無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)或執(zhí)行某項(xiàng)巡檢任務(wù)時(shí)，機(jī)體直線飛行會(huì)受到慣性與風(fēng)阻等外界作用力的影響，而在此過(guò)程中機(jī)體方向移動(dòng)的最小距離可以表示為最小步長(zhǎng)，使用L 表示，在進(jìn)行步長(zhǎng)約束時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足的條件為：lj≥Lmin，其中l(wèi)j表示為最小步長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)；Lmin表示為最小步長(zhǎng)。綜合上述內(nèi)容，完成對(duì)約束條件的設(shè)計(jì)。

1.2 建立巡檢航跡的表達(dá)式及目標(biāo)函數(shù)

確定巡檢航跡規(guī)劃約束條件后，在設(shè)定的空間當(dāng)中找出符合上述約束條件的巡檢航跡，并在相同空間當(dāng)中找出一系列航跡節(jié)點(diǎn)，計(jì)算得出其相應(yīng)的路徑，將任意兩個(gè)相鄰的航跡節(jié)點(diǎn)用線段進(jìn)行連接。其中，每一條巡檢航跡均可以利用L 集合表示，L集合的表達(dá)式為：

公式（3）中，S 表示為起點(diǎn)；E 表示為終點(diǎn)；Di表示為巡檢航跡中的各個(gè)點(diǎn)，i=1,2,3，……，n-1。采用一系列節(jié)點(diǎn)用來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)的巡檢航跡進(jìn)行表示能夠結(jié)合無(wú)人機(jī)在真實(shí)作業(yè)環(huán)境中的需要，結(jié)合其期望值對(duì)巡檢航跡上的規(guī)劃節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)，通過(guò)上述公式（3）的構(gòu)建，能夠?qū)⒀矙z航跡優(yōu)化問(wèn)題，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)多個(gè)軌跡節(jié)點(diǎn)優(yōu)化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)其優(yōu)化復(fù)雜程度的進(jìn)一步降低。同時(shí)，在進(jìn)行問(wèn)題劃分的過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)在明確上述規(guī)劃約束條件的基礎(chǔ)上完成，從初始問(wèn)題提出到實(shí)現(xiàn)整個(gè)巡檢航跡的優(yōu)化，均需要對(duì)其是否滿足相應(yīng)的約束條件進(jìn)行判斷。假設(shè)在一條包含n+1個(gè)的目標(biāo)點(diǎn)巡檢航跡當(dāng)中，已知該路徑的某一段的具體長(zhǎng)度值時(shí)，其起飛點(diǎn)為無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡作業(yè)的起飛基地，則其目標(biāo)函數(shù)可表示為：

公式（4）中，f 表示為目標(biāo)函數(shù)；pi表示為某一路徑i 段的長(zhǎng)度值；h 表示為懲罰函數(shù)，根據(jù)上述論述可知為實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢航跡的優(yōu)化，需要求解出上述公式（4）目標(biāo)函數(shù)的最小值，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建。

1.3 生成最優(yōu)巡檢航跡路線

按照本文上述論述內(nèi)容，通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢航跡表達(dá)式和目標(biāo)函數(shù)的建立后，為了方便無(wú)人機(jī)自主巡檢對(duì)航跡的識(shí)別，將最終得到的最優(yōu)巡檢航跡路線以文件的形式生成。生成的最優(yōu)巡檢航跡路線文件必須是無(wú)人機(jī)內(nèi)部控制裝置能夠識(shí)別的文件格式，同時(shí)為了確保生成的效率，選擇對(duì)上述完成處理的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作。將數(shù)據(jù)當(dāng)中存在使航跡出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)量較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)清除[4-6]。同時(shí)，在完成對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，還應(yīng)當(dāng)將各個(gè)保留的航跡數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，并根據(jù)具體無(wú)人機(jī)作業(yè)的實(shí)際要求，通過(guò)上報(bào)次數(shù)、可行度等參數(shù)，對(duì)生成的航跡路線是否存在誤差進(jìn)行判斷，并將存在的相同航跡進(jìn)行合并處理。將無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)以無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭B接，在控制平臺(tái)上明確無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中的路網(wǎng)數(shù)據(jù)交點(diǎn)、設(shè)施標(biāo)注點(diǎn)等，并以上述航跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成未審核的巡檢航跡規(guī)劃數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)發(fā)生改變的過(guò)程中，涉及的航跡規(guī)劃應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的更新，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡的自主調(diào)節(jié)，得到最優(yōu)的巡檢航跡路線[7-8]。

2 優(yōu)化前后應(yīng)用效果對(duì)比

結(jié)合本文上述論述的內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化后無(wú)人機(jī)自主巡檢軌跡在真實(shí)環(huán)境當(dāng)中是否具備更高的可行性和精度，本文選擇以某供電企業(yè)當(dāng)前正在開(kāi)展的項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目名稱為輸電線路輕量化無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)示范應(yīng)用，將本文上述優(yōu)化后的無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡應(yīng)用到該項(xiàng)目當(dāng)中，并將其與優(yōu)化前巡檢航跡的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證本文優(yōu)化后的巡檢軌跡條件下，巡檢數(shù)據(jù)的可行性及精度。假設(shè)在輸電線路上包含12個(gè)待測(cè)點(diǎn)，已知無(wú)人機(jī)起飛的坐標(biāo)為（0,0），降落點(diǎn)的坐標(biāo)為（3.8,4.6）。在每個(gè)待測(cè)點(diǎn)之間僅選擇兩個(gè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，按照本文上述優(yōu)化思路，對(duì)該線路上的無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡進(jìn)行優(yōu)化。完成優(yōu)化后，將優(yōu)化前后巡檢航跡輸入到無(wú)人機(jī)的控制中心，并按照航跡完成飛行，對(duì)比優(yōu)化前后無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在待測(cè)點(diǎn)上方精準(zhǔn)飛過(guò)的待測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表1所示。

表1 巡檢航跡優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

從表1記錄的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后無(wú)人機(jī)的航跡能夠經(jīng)過(guò)所有該線路上包含的待測(cè)點(diǎn)，而優(yōu)化前無(wú)人機(jī)航跡僅能夠經(jīng)過(guò)少部分線路上包含的待測(cè)點(diǎn)。因此，通過(guò)上述應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明，本文優(yōu)化后的無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，并生成精度更高的巡檢航跡，本文上述設(shè)計(jì)的優(yōu)化思路具有較高的可行性和精度。除此之外，將本文上述實(shí)現(xiàn)輸電線路無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡優(yōu)化的思路應(yīng)用到實(shí)際輸電線路的巡檢工作當(dāng)中，能夠進(jìn)一步形成輸電線路無(wú)人機(jī)智能巡檢標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，從而在一定程度上提高供電企業(yè)對(duì)輸電線路的巡檢效率，確保巡線的安全[9-10]。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)巡檢一直是220kV 及以上典型輸電線路智能化應(yīng)用的必要手段之一，并且逐漸受到人們的關(guān)注。但當(dāng)前階段無(wú)人機(jī)的巡檢作業(yè)仍然存在缺乏規(guī)范巡檢路徑，缺乏合理作業(yè)流程的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文開(kāi)展輸電線路無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡優(yōu)化研究，并設(shè)計(jì)了一種全新的航跡優(yōu)化思路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了其可行性和精度。在今后的研究中，針對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢航跡的實(shí)時(shí)飛行高度改變、三維巡檢路徑規(guī)劃等問(wèn)題進(jìn)行更加深入的研究，從而保證無(wú)人機(jī)巡檢與各個(gè)目標(biāo)物之間的高度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡檢的自動(dòng)化和智能化。