楊成，潘凱寧

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512000）

引言

近年來隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，小型多旋翼無人機在各個行業(yè)大量應(yīng)用，特別是電力巡檢已經(jīng)實現(xiàn)了“機巡+人巡”方式的普及。無人機飛行具有一定的安全風(fēng)險，墜機事故時有發(fā)生，影響安全飛行的主要因素除了飛手的操控經(jīng)驗外，環(huán)境因素也具有較大的影響，如低溫、大風(fēng)、強電磁環(huán)境均會使得飛機失控，從而導(dǎo)致危險事故發(fā)生和造成經(jīng)濟損失，特別是電力作業(yè)環(huán)境下，環(huán)境條件較為惡劣，因此對無人機飛行環(huán)境適應(yīng)性進行研究并評估其可靠性具有重要意義。目前對于無人機故障分析及可靠性方面已經(jīng)開始有些學(xué)者進行了研究，如文獻[1]提出使用故障樹法對無人機的故障進行分析，診斷無人機發(fā)生故障的可能性。文獻[2]對低空小型無人機的碰撞風(fēng)險進行了分析，并提出了碰撞風(fēng)險評估模型，但模型中未考慮環(huán)境因素影響。文獻[3]對無人機系統(tǒng)運行風(fēng)險進行評估，給出了安全性分析的審定方法，但同樣在風(fēng)險評估中未考慮環(huán)境因素。文獻[4]利用實驗法對高低溫極端環(huán)境下無人機可靠飛行進行了分析，得到了無人機飛行的極限溫度值。綜上，目前無人機可靠性分析主要集中在故障分析、使用實驗法判斷無人機的飛行可靠性及環(huán)境適應(yīng)性方面，并未有全面、有效的針對電力作業(yè)環(huán)境的無人機可靠性分析方法。本文提出基于參數(shù)修正的FMEA 方法，即潛在失效模式與效應(yīng)分析方法，對電力場景下無人機飛行環(huán)境適應(yīng)性進行綜合評估。

1 電力作業(yè)環(huán)境下無人機飛行的環(huán)境因素

1.1 多旋翼無人機結(jié)構(gòu)

本文以目前在電力行業(yè)中常用的大疆精靈系列的phantom4為例介紹無人機的組成結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，phantom4 是四軸多旋翼無人機，主要分為五個部分。分別為機身、動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、鏈路系統(tǒng)與任務(wù)荷載。機身一般采用輕物料制造，以減輕無人機的負載量，phantom4 機身材料為鈦合金、鎂合金材料，其他零部件需按照機身布局安裝；動力系統(tǒng)包括螺旋槳、電機、電子調(diào)速器和動力電源；飛行控制系統(tǒng)是無人機的飛行管理和控制部分，是無人機的大腦，主要分為四大模塊，分別為主控單元、慣性測量單元（IMU）、GPS 指南針模塊和LED 指示燈模塊；鏈路系統(tǒng)主要用于無人機與遙控器之間數(shù)據(jù)傳輸，包括遙控器和顯示器；任務(wù)荷載是完成作業(yè)的設(shè)備，包括攝像頭、云臺和圖傳系統(tǒng)。

圖1 phantom4 無人機結(jié)構(gòu)

1.2 環(huán)境因素對電力作業(yè)無人機的影響分析

無人機一般在室外自然環(huán)境中飛行，會受到自然環(huán)境因素的影響，從而導(dǎo)致無人機飛行可靠性下降，本文考慮的主要環(huán)境因素有風(fēng)速、溫度、濕度、海拔、雨、灰塵、電磁環(huán)境。

1）風(fēng)速影響

每種類型的無人機均有一定的抗風(fēng)等級，如phantom4 抗風(fēng)等級為五級，但風(fēng)速較大時，無人機為了保持姿態(tài)和飛行會消耗更多的能量，從而影響無人機飛行的穩(wěn)定性和續(xù)航能力。當(dāng)風(fēng)速大于無人機的最大飛行速度時，無人機無法正常工作。

2）溫度影響

無人機的組成中主控、電子調(diào)速器、電源管理模塊等均由電子元器件構(gòu)成，溫度過低或過高，都會影響電子元器件的正常工作，引起故障，造成無人機不能起飛，甚至墜機。另外過低的溫度會導(dǎo)致無人機電池放電能力降低，縮短續(xù)航時間。高溫環(huán)境下空氣密度也較低，無人機升力減弱，同樣的電量下，飛行時間變短。

3）海拔影響

無人機在進行電力作業(yè)時可能處在高海拔地區(qū)，海拔越高，空氣越稀薄，無人機的升力越小，要產(chǎn)生同樣的推力，動力系統(tǒng)就需要消耗更多的能量，使得續(xù)航能力變短。

4）電磁環(huán)境影響

電力作業(yè)環(huán)境下經(jīng)常會有較強的電磁場，會對無人機的鏈路系統(tǒng)及電子元器件有較大影響。強電磁場情況會使得GPS 信號丟失，無人機導(dǎo)航系統(tǒng)無法正常工作，也會導(dǎo)致無人機與地面站的通訊鏈路斷開，無法操控?zé)o人機的情況發(fā)生[5,6]。

5）其他因素影響

在電力施工時一般灰塵較大，灰塵顆粒進入無人機電機，磨損增大，降低電機壽命，還會導(dǎo)致電子元器件短路。無人機控制部分、電源系統(tǒng)及地面設(shè)備均由電子電路構(gòu)成，濕度過大或雨天會帶來短路風(fēng)險。

2 FMEA 分析方法

2.1 FMEA 方法原理

FMEA 是失效模式與影響分析方法，本文利用此方法對電力作業(yè)環(huán)境下無人機安全飛行的可靠性及風(fēng)險狀態(tài)進行定性、定量分析，得到各環(huán)境指標下無人機飛行的風(fēng)險值，然后經(jīng)過參數(shù)修正得到所有環(huán)境指標下的綜合風(fēng)險值，從而判斷無人機在此環(huán)境下安全飛行的可靠性。假定某環(huán)境指標失效的可能性為P，其導(dǎo)致無人機發(fā)生飛行故障的嚴重程度為S，則此環(huán)境指標導(dǎo)致無人機發(fā)生故障的風(fēng)險R 的數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

將某環(huán)境指標失效的可能性P 分為A、B、C、D、E 等5 個級別，無人機發(fā)生故障的嚴重程度S 分為1~5共五個級別，如表1 所示，根據(jù)不同的P 與S 的等級組合，對無人機飛行風(fēng)險評定，確定風(fēng)險等級[7-10]。假定某環(huán)境指標失效的可能性P 等級為C-有一定可能，無人機發(fā)生故障的嚴重程度S 為3-中，則風(fēng)險等級為3C。

表1 風(fēng)險等級表

本文根據(jù)專家經(jīng)驗，按照某環(huán)境指標對無人機正常飛行的影響將風(fēng)險等級分為五類，并給風(fēng)險等級賦予一定的分值進行量化，量化結(jié)果如表2 所示。

表2 風(fēng)險等級取值表

2.2 無人機飛行環(huán)境風(fēng)險模型

根據(jù)本文1.2 節(jié)所述對無人機安全飛行有較大影響的環(huán)境因素，確定風(fēng)速、溫度、濕度、海拔、雨、灰塵、電磁環(huán)境等七個環(huán)境指標，根據(jù)這些指標確定無人機安全飛行綜合風(fēng)險評價模型如式（2）所示。由于環(huán)境指標受到地域或其他因素的影響較大，本文對相應(yīng)的環(huán)境指標對應(yīng)的風(fēng)險等級進行了修正。

式中：

R1—風(fēng)速指標風(fēng)險值；

R2—溫度指標風(fēng)險值；

R3—濕度指標風(fēng)險值；

R4—海拔指標風(fēng)險值；

R5—雨指標風(fēng)險值；

R6—灰塵指標風(fēng)險值；

R7—電磁環(huán)境指標風(fēng)險值。

由于溫度、濕度及雨三個指標南北方差異較大，需要根據(jù)地區(qū)進行修正，a、b、c為相應(yīng)環(huán)境指標的修正系數(shù)，當(dāng)在南方地區(qū)飛行時，a=b=c=1.1，在北方地區(qū)飛行時，a=b=c=0.9。電磁環(huán)境根據(jù)施工環(huán)境周圍是否有其他電力線路進行修正，有正在運行的電力線路時，d 取1.2，無電力線路時，a 取0.9 為相應(yīng)環(huán)境指標風(fēng)險的修正系數(shù)。

依據(jù)上述風(fēng)險評價模型及行業(yè)專家意見，將無人機安全飛行風(fēng)險劃分為5 個等級，如表3 所示。

表3 綜合環(huán)境指標下無人機正常飛行風(fēng)險等級

2.3 指標風(fēng)險量化

2.3.1 風(fēng)速指標風(fēng)險量化

風(fēng)速對無人機的穩(wěn)定飛行具有較大影響[11]，風(fēng)速風(fēng)險量化如表4 所示，在風(fēng)速為（8~10）m/s 時風(fēng)險值最高，取值為4.75。本文所有指標風(fēng)險量化均根據(jù)表2 及專家經(jīng)驗確定取值。

表4 風(fēng)速、溫度風(fēng)險量化表

2.3.2 溫度指標風(fēng)險量化

一般電子元器件的工作環(huán)境的溫度范圍是（-5~45）℃左右，常規(guī)鋰離子電池的工作溫度在（-20~60）℃，但一般低于0 ℃后鋰離子電池的性能會下降，放電容量也會隨之降低，所以鋰離子電池的工作溫度一般為（0~40）℃。本文按此范圍對無人機飛行環(huán)境溫度范圍進行了劃分，并對溫度指標風(fēng)險量化，如表4 所示。其中環(huán)境溫度在（-25~-5）℃、（40~45）℃較為惡劣的情況下風(fēng)險值R2最高，取值為3.5。

2.3.3 濕度指標風(fēng)險量化

空氣濕度最高為100 %，對無人機飛行濕度范圍進行劃分，并進行量化，如表5 所示。如在濕度大于50 %時，無人飛行風(fēng)險較高，取值為2.75。

表5 濕度、雨風(fēng)險量化表

2.3.4 海拔指標風(fēng)險量化

電力作業(yè)無人機一般為低空飛行無人機，其受到海拔影響主要是由所處作業(yè)區(qū)域海拔不同造成。本文將海拔分為小于1 000 m 和大于1 000 m 兩個等級，量化結(jié)果如表6 所示。

表6 海拔、電磁干擾風(fēng)險量化表

2.3.5 電磁環(huán)境指標風(fēng)險量化

在電力作業(yè)環(huán)境下，周圍常存在運行的電力線路，強磁場會引起無人機通訊等故障，使得無人機不能正常工作[12]，本文將電磁干擾分為兩種情況，一種為有對無人機造成影響的電磁干擾，一種為無電磁干擾，風(fēng)險量化如表6 所示。

2.3.6 灰塵指標風(fēng)險量化

根據(jù)塵埃在空氣中的含量，將灰塵環(huán)境分為三個等級，輕度灰塵環(huán)境、中度灰塵環(huán)境和重度灰塵環(huán)境，風(fēng)險量化結(jié)果如表7 所示，電力作業(yè)中的電力施工場所灰塵較大，風(fēng)險值一般應(yīng)取3.5。

表7 灰塵等級及風(fēng)險量化表

2.3.7 雨指標風(fēng)險量化

本文根據(jù)無人機的特點考慮雨的三個等級，即小雨、中雨、大雨，雨指標風(fēng)險量化結(jié)果如表5 所示。如在大雨時，風(fēng)險量化為4.25。

3 無人機環(huán)境適應(yīng)性分析實例

3.1 實驗設(shè)備與參數(shù)

本文在南方某電力環(huán)境實驗場地利用大疆精靈系列無人機Phantom4 ProV2.0 進行實地飛行測試，并對其飛行可靠性進行評估，如圖2 所示，無人機參數(shù)如表8 所示。

表8 無人機主要參數(shù)

圖2 實地飛行測試

3.2 算例分析

經(jīng)過測量及分析，實驗場地的環(huán)境參數(shù)及相應(yīng)環(huán)境指標如表9 所示。

表9 環(huán)境參數(shù)

根據(jù)表9 各指標量化取值，代入式（2），確定環(huán)境綜合風(fēng)險R總，由于實驗地區(qū)為南方地區(qū)a=b=c=1.1，所以最終確定R總=2.75+1.1*2.75+2=7.775。由表3 可知，R總在5~10 之間，則此實驗環(huán)境下無人機飛行風(fēng)險等級為2 級，屬于較低風(fēng)險。實地測試證明，無人機飛行情況較好，環(huán)境因素對其安全飛行影響較小。

4 結(jié)論

無人機在自然環(huán)境中飛行有一定的安全風(fēng)險，無人機環(huán)境適應(yīng)性分析對保障電力作業(yè)無人機正常工作具有一定的意義。本文提出利用參數(shù)修正的FMEA 方法對無人機飛行可靠性進行評估，將風(fēng)、溫度、濕度等七個主要環(huán)境因素進行風(fēng)險量化，使用無人機飛行風(fēng)險模型對環(huán)境風(fēng)險進行綜合分析，獲得無人機在該環(huán)境下的綜合風(fēng)險等級，為無人機操作人員提供一定的判斷依據(jù)，并為電力作業(yè)環(huán)境下無人機飛行可靠性分析提供了參考。文中對于部分環(huán)境指標，如電磁環(huán)境指標劃分較粗，在接下來研究中將對此類指標進行細分，深入研究此類指標對無人機飛行風(fēng)險的影響，進一步完善無人機環(huán)境風(fēng)險評估模型。