張建軍，曹 陽，黃 宇，楊葉琳

（1.國能大渡河大崗山發(fā)電有限公司，四川 成都 610041；2.成都三足烏無人機(jī)科技有限公司，四川 成都 610000；3.北京大學(xué)教育部CEON工程研究中心空間信息科技產(chǎn)業(yè)基地，四川成都 610000）

1 工程概況

1.1 傳統(tǒng)無人機(jī)技術(shù)

隨著自動(dòng)控制和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感技術(shù)以其快速、宏觀、高分辨率等特點(diǎn)在自然地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，特別是無人機(jī)遙感技術(shù)以其機(jī)動(dòng)靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、低成本，以及能替代人工完成危險(xiǎn)、效率較低或無法完成的任務(wù)等優(yōu)勢，迅速成為快速獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用技術(shù)[1]。

1.2 自動(dòng)機(jī)庫無人機(jī)技術(shù)

與傳統(tǒng)無人機(jī)技術(shù)相比，自動(dòng)機(jī)庫操作更加智能化，無須多方人員的配合就能實(shí)現(xiàn)巡檢航線規(guī)劃、無人機(jī)回收等操作[2]。

由機(jī)庫、射頻氣象地面站等固定設(shè)備和配套軟件組成的自動(dòng)機(jī)庫可實(shí)現(xiàn)對無人飛行器的適飛條件進(jìn)行自動(dòng)起降判定、遠(yuǎn)程下達(dá)任務(wù)指令、實(shí)時(shí)監(jiān)控、定航巡檢、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳及轉(zhuǎn)儲、數(shù)據(jù)人工智能（AI）自動(dòng)比對等功能。

1.3 巡檢與應(yīng)急區(qū)域情況簡介

高落差大型水電站通常處于地勢險(xiǎn)惡區(qū)域，以大崗山水電站為例，大崗水電站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉縣挖角鄉(xiāng)境內(nèi)，電站地應(yīng)力高、地震烈度強(qiáng)，下游河谷狹窄、水頭高、流量大，導(dǎo)致日常巡檢工作和汛期泄洪應(yīng)急巡檢等在技術(shù)上面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

2021年12月6日11時(shí)左右，在上游蓄水鋼壩放水的時(shí)候，建陽水南橋下河灘地有兩人落水身亡。國內(nèi)現(xiàn)有多數(shù)水電站的泄洪應(yīng)急系統(tǒng)一般由中央控制器和電機(jī)型警報(bào)器組成，預(yù)警范圍非常有限，易造成活體入侵，出現(xiàn)人員傷亡。

針對大崗山水電站泄洪導(dǎo)致下游安全壓力劇增這一情況，本文提出了基于自動(dòng)機(jī)庫無人機(jī)日常與應(yīng)急巡檢系統(tǒng)方案，進(jìn)一步提高高落差大型水電站的巡檢效率[3]。

2 系統(tǒng)方案

目前，針對水電站應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)出現(xiàn)的“硬件操作維護(hù)難、軟件自動(dòng)比對難、現(xiàn)場安全互動(dòng)難、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)可視難”等問題，結(jié)合水電站地理環(huán)境特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)以自動(dòng)機(jī)庫無人機(jī)為系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)，應(yīng)用AI算法自動(dòng)辨別危險(xiǎn)實(shí)體（Entity）的日常與應(yīng)急巡檢系統(tǒng)[4]。

2.1 日常巡檢系統(tǒng)

水電站日常巡檢的重點(diǎn)區(qū)域有電站周邊交通道路、營地及周邊區(qū)域等，人工巡檢任務(wù)量遠(yuǎn)超最大工作強(qiáng)度，因此使用智能化的新技術(shù)尤為重要。

自動(dòng)機(jī)庫自動(dòng)巡航，結(jié)合自動(dòng)機(jī)庫的AI算法平臺可對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、檢測的特性，實(shí)時(shí)監(jiān)控是否有活體入侵，后臺工作人員根據(jù)回傳數(shù)據(jù)對突發(fā)狀況進(jìn)行響應(yīng)。

2.2 泄洪應(yīng)急系統(tǒng)

應(yīng)急系統(tǒng)包括預(yù)防、預(yù)備、響應(yīng)、恢復(fù)。在泄洪前需確保水電站周圍環(huán)境的安全，做好預(yù)防、預(yù)備，防止泄洪期間出現(xiàn)安全問題[5]。

在整個(gè)泄洪期間需要水電站員工每天24 h不間斷進(jìn)行值守，但在暴雨、地質(zhì)活動(dòng)等自然災(zāi)害發(fā)生后，道路可能毀壞，搶險(xiǎn)人員無法第一時(shí)間進(jìn)入災(zāi)區(qū)。自動(dòng)機(jī)庫可在出現(xiàn)自然災(zāi)害、事故、活體入侵以及超過額定水位時(shí)快速響應(yīng)，通過AI算法自動(dòng)識別、目標(biāo)追蹤輔助工作人員快速正確地執(zhí)行應(yīng)急措施。

2.3 自動(dòng)機(jī)庫最優(yōu)化選址

本文提出的基于自動(dòng)機(jī)庫無人機(jī)日常與應(yīng)急巡檢系統(tǒng)方案在大崗山水電站進(jìn)行了應(yīng)用示范，目前自動(dòng)機(jī)庫已放置在水電站內(nèi)。最優(yōu)化選址能覆蓋水電站實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)域包括泄洪區(qū)域、營地、開關(guān)站等，實(shí)現(xiàn)減少人工巡檢頻次。自動(dòng)機(jī)庫任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)如圖1所示。自動(dòng)機(jī)庫放置點(diǎn)如圖2所示。

圖1 自動(dòng)機(jī)庫任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)

圖2 自動(dòng)機(jī)庫放置點(diǎn)

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 自動(dòng)機(jī)庫優(yōu)勢

對比傳統(tǒng)無人機(jī)巡檢，自動(dòng)機(jī)庫在優(yōu)化巡檢航線、處理采集數(shù)據(jù)、精確定位等方面有一定的突破。

自動(dòng)機(jī)庫可在云端設(shè)置定航巡檢，每天24 h值守，精準(zhǔn)定位水電站營地和開關(guān)站出線場等區(qū)域重要的標(biāo)志性建筑，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繞目標(biāo)建筑巡航。無人機(jī)自動(dòng)返航降落后，上傳任務(wù)數(shù)據(jù)（如圖像、視頻等）至云端，使用多數(shù)據(jù)融合技術(shù)和獨(dú)有的AI算法，在云端上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)（包括缺陷樣本數(shù)據(jù)）的自動(dòng)分析、準(zhǔn)確診斷。

3.2 自動(dòng)機(jī)庫系統(tǒng)日常巡檢與應(yīng)急中的應(yīng)用

日常與應(yīng)急巡檢系統(tǒng)可應(yīng)用于水電站頻繁監(jiān)測以及已發(fā)生事故區(qū)域，包括泄洪區(qū)域、電站周邊交通道路、營地及其周邊區(qū)域、開關(guān)站等。

在地勢復(fù)雜、標(biāo)志性建筑物巡檢區(qū)域，使用AI算法對巡檢回傳的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像自動(dòng)識別，快速檢測出入侵活體以及建筑物架設(shè)的設(shè)備溫度數(shù)值、老化磨損等情況，提高對風(fēng)險(xiǎn)管控的智能化水平。對于受災(zāi)和易發(fā)生人為事故的區(qū)域，采用空中巡檢配合地面指揮快速定位進(jìn)行精準(zhǔn)搶險(xiǎn)救援，若有入侵活體則替換搭載設(shè)備為雙光吊艙、探照燈等進(jìn)行人員驅(qū)逐。

4 仿真結(jié)果

水電站日常巡檢以4人為一組，每天3組人員輪流巡檢，汛期因巡檢任務(wù)繁重且需每天24 h值守，因此巡檢人員需要增至6組人員輪替時(shí)刻堅(jiān)守崗位。自動(dòng)機(jī)庫配備的自動(dòng)巡檢技術(shù)及AI算法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，減少巡檢人員工作量。水電站每月水位情況如圖3所示。水電站各個(gè)區(qū)域所需巡檢人數(shù)如表1所示。使用自動(dòng)機(jī)庫前后泄洪區(qū)域日常巡檢人數(shù)變化如圖4所示。

圖3 水電站每月水位情況

表1 水電站各個(gè)區(qū)域所需巡檢人數(shù)

圖4 使用自動(dòng)機(jī)庫前后泄洪區(qū)域日常巡檢人數(shù)變化

以對泄洪區(qū)域巡檢為例，使用自動(dòng)機(jī)庫能減少大量經(jīng)濟(jì)消耗。僅僅是對其中一個(gè)泄洪區(qū)域的巡檢一年就可節(jié)省1 532 640元，此后每年按物價(jià)增長速度5%計(jì)算，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本呈線性增長。各類巡檢模式日均消耗如表2所示。各類巡檢模式月平均經(jīng)濟(jì)消耗如圖5所示。使用自動(dòng)機(jī)庫后每年度節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本如圖6所示。

圖5 各類巡檢模式月平均經(jīng)濟(jì)消耗

圖6 使用自動(dòng)機(jī)庫后每年度節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本

表2 各類巡檢模式日均消耗

日常巡檢的3組人員都需要對水電站的兩岸巡檢往返上百千米，汛期工作量倍增，車輛每升油耗碳排放量0.6048 kg。而自動(dòng)機(jī)庫使用電能不產(chǎn)生任何的碳排放，第1年度可減少17.66 t碳排放量，到第10年度則累計(jì)減少176.6 t碳排放量。

在大渡河干流調(diào)整規(guī)劃28級方案中，現(xiàn)已建成14座水電站，未來10年其余的水電站將相繼建成。預(yù)計(jì)未來10年大渡河全流域水電站使用自動(dòng)機(jī)庫可減少超過3700 t二氧化碳排放。每年巡檢設(shè)備碳排放量如表3所示。

表3 巡檢設(shè)備碳排放量

5 結(jié)語

基于自動(dòng)機(jī)庫無人機(jī)巡檢系統(tǒng)方案，實(shí)施效果滿足水電站安全生產(chǎn)與運(yùn)營數(shù)據(jù)需求，且自動(dòng)機(jī)庫最優(yōu)化選址在高落差大型水電站中具有一定的示范意義。同時(shí)，在無人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫最優(yōu)化選址方案中，只需配備少量的巡邏車和單兵巡檢即可實(shí)現(xiàn)對水電站監(jiān)測區(qū)域的全覆蓋。此方案驗(yàn)證了基于自動(dòng)機(jī)庫無人機(jī)巡檢和應(yīng)急系統(tǒng)的有效性。在四川省政府發(fā)布的《川西北生態(tài)示范區(qū)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中，國家能源集團(tuán)大渡河水電基地建設(shè)被納入川西生態(tài)示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃，自動(dòng)機(jī)庫使用電能作為清潔能源對于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起到重要作用。