張楚謙， 郭景武， 王星超， 夏立偉， 吳嘉琪

（國網(wǎng)湖北超高壓公司輸電檢修中心，湖北武漢 430050）

0 引言

近年來，我國整體電網(wǎng)建設(shè)速度加快，輸電網(wǎng)絡(luò)延伸，運維工作量隨之大幅增加，傳統(tǒng)的人工巡檢暴露出效率偏低、人員安全保障困難等缺點[1]，給人工安全和現(xiàn)場作業(yè)管理帶來許多不便，難以有效保證電網(wǎng)的安全運行。目前海內(nèi)外學(xué)者對輸電線路巡檢作業(yè)相關(guān)課題展開了大量研究，除了人工巡檢，還有衛(wèi)星遙感技術(shù)、激光探測技術(shù)、無人機智能巡檢等方法技術(shù)。衛(wèi)星遙感技術(shù)非常適合大面積探測[2]，而面對小面積的突發(fā)情況仍存在時效性差、精度低等問題；激光雷達技術(shù)可判斷線路問題的準確位置等信息，但可視化能力較差，不適用于輸電線路長時間實施巡檢監(jiān)測；通過搭載視覺傳感器，無人機沿輸電線路開展巡視，在無人機回傳視頻信息后，地面人員可及時了解情況[3]。與其他技術(shù)相比，無人機巡檢更為高效、經(jīng)濟、安全，適用于架空輸電線路的巡檢作業(yè)。

隨著無人機相關(guān)技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)已經(jīng)成為電網(wǎng)運行巡檢、監(jiān)控及維護的一個重要輔助工具。為了更大地提升巡檢質(zhì)量和效率，解決安全風(fēng)險問題，需推動輸電線路巡檢作業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)變，實施架空輸電線路無人機高效高質(zhì)巡檢。使用無人機進行電力巡檢的應(yīng)用雖然發(fā)展較快，但在山地較多且人員不便到達或通視性有限的區(qū)域，其作業(yè)效率在受到摯肘的同時也存在不少缺陷[4]。首先，發(fā)送端設(shè)備和接收端設(shè)備一個位于控制端上，另一個位于飛機上，常規(guī)的無人機圖像傳輸和控制信號存在收發(fā)天線失配的風(fēng)險，因為設(shè)備發(fā)送端一般使用垂直極化天線，如果多臺設(shè)備同時互相通信，勢必會存在互相干擾問題；第二，無人機如果在飛行途中遇到如高山、大樹等障礙物時，圖像傳輸?shù)男盘枙內(nèi)跎踔翛]有信號[5]。克服這些不足之處是當(dāng)前有效開展架空輸電線路巡檢作業(yè)的關(guān)鍵。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)術(shù)文獻都在探索無線通信中關(guān)于中繼通信方式的選擇和相關(guān)算法，尤其是在無人機相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢下，新穎解決方案成為熱點，希望借此能突破對無人機通信中繼方式的判斷和應(yīng)用的研究。比如，有學(xué)者在研究構(gòu)建無人機系統(tǒng)的衛(wèi)星中繼測控數(shù)據(jù)鏈時，使用作為空中中繼平臺的通信衛(wèi)星是商業(yè)化衛(wèi)星或軍用衛(wèi)星，實現(xiàn)了國內(nèi)遠程無人機系統(tǒng)超視距遙控、遙測和偵察信息的實時傳輸。還有不少研究人員提出中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的思路，并成功應(yīng)用到無人直升機的相關(guān)場景，對該系統(tǒng)的設(shè)計方案、總體架構(gòu)以及實現(xiàn)時遇到的技術(shù)難點、解決方案都進行了闡述和論證。還有學(xué)者在單載波頻域均衡體制的4G 技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用小型旋翼無人機實現(xiàn)中繼通信，旋翼無人機構(gòu)建起空中轉(zhuǎn)信平臺，達到地空寬帶無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的效果，這是一種基于4G 的無線組網(wǎng)設(shè)計方案，有利于促使快速網(wǎng)系互聯(lián)、多業(yè)務(wù)高速數(shù)據(jù)傳輸。本項目在分析和運用無人機多模態(tài)信號一體化中繼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究架空輸電線路多機聯(lián)合巡檢技術(shù)，不僅提升了巡檢作業(yè)效率，更使架空輸電線路安全運行系數(shù)不斷提高。

1 無人機中繼傳輸系統(tǒng)

1.1 目前主要的無人機中繼方式

無人機中繼方式的種類繁多，綜合分析后可分為兩大類，即基于地面中繼節(jié)點的通訊方式和基于空中中繼節(jié)點的通訊方式[6]。按中繼節(jié)點的特點來看，基于地面中繼節(jié)點的通信方式還可分為基于公網(wǎng)資源和自建的地面中繼節(jié)點通信方式。相比較而言，基于公網(wǎng)的方式有著覆蓋面廣、運行成本低等優(yōu)點，但時延問題及安全問題也是其不可忽略的弊端；按可沿線路走廊布置的自建地面中繼節(jié)點，電力系統(tǒng)的桿塔等設(shè)備均可作為中繼設(shè)備安裝支點，但是過多的地面自建中繼節(jié)點點多面廣，容易受到戶外安裝惡劣環(huán)境的影響，設(shè)備新老更換等工作會是未來的難點和痛點，維護更新成本較高。

依據(jù)空中中繼節(jié)點的特點，基于空中中繼節(jié)點的通訊方式可分為基于衛(wèi)星的中繼方式和基于機載的空中中繼平臺方式的無線通信。全天候、全覆蓋、靈活通信是衛(wèi)星中繼的優(yōu)點，但衛(wèi)星中繼使用費用高、飛行高精度及實時飛控等要求難以達到。超大范圍的數(shù)據(jù)鏈路雙向通信、高速大流量的雙向數(shù)據(jù)傳輸是選擇機載空中中繼平臺作為無線通訊方式的突出優(yōu)勢，但需要操作無人機組，操作控制較為復(fù)雜，系統(tǒng)前期設(shè)計成本較高。具體分類比較和總結(jié)如表1所示。

表1 中繼傳輸系統(tǒng)的主要分類

1.2 無人機作為中繼平臺的優(yōu)勢分析

就協(xié)助執(zhí)行傳輸任務(wù)而言，無人機作為中繼平臺的多跳通信系統(tǒng)能夠有效加寬傳輸網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域、強化系統(tǒng)的魯棒性，而且使信道容量穩(wěn)步提升[7]。衛(wèi)星是無人機作為中繼平臺出現(xiàn)之前最常見的中繼平臺，但是衛(wèi)星在中繼通信中存在如制作成本非常高、部署麻煩、維護困難等一些比較明顯的缺點，這也是衛(wèi)星逐漸在中低海拔通信領(lǐng)域被無人機取代的原因[8-9]。而相較于衛(wèi)星，無人機作為中繼平臺的優(yōu)勢非常明顯，具體分析總結(jié)如表2所示[10]。

表2 無人機中繼通信方式的優(yōu)勢分析

在將無人機作為中繼平臺時，需同時關(guān)注兩條鏈路，即地面節(jié)點到無人機的中繼鏈路和無人機中繼到目的地節(jié)點的鏈路，兩條鏈路都會對通信網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生影響。因此，相比無人機作為空中基站，無人機作為中繼平臺的位置部署要困難得多，這也是當(dāng)前相關(guān)研究的重點和難點。

2 多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)

2.1 多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)工作原理

無線信道對性能的影響在無人機組內(nèi)相互通信時最大，不同種類的傳輸現(xiàn)象從波傳播角度都可以歸結(jié)到信道特性上。電磁波傳播模式與無線通信場景、復(fù)雜地形緊密相關(guān)，主要包含反射和繞射、散射及吸收等。這些因素也會影響作為中繼傳輸系統(tǒng)的無人機[11]。目前，無人機系統(tǒng)遙控器和地面控制終端的上下行傳輸均采用2.4 G 通道。由于2.4 G干擾較大且繞射性能較差，可以將無線通信鏈路改造為多信號鏈路的移動基站。信號通過無人機掛載中繼，傳輸距離更長，質(zhì)量更好，飛機操作航程更大。

無人機信號時刻變化，當(dāng)多個單元相互分離時，執(zhí)行任務(wù)需要無線通信的協(xié)調(diào)。中繼系統(tǒng)通常用于增強無線信號，傳統(tǒng)方法中包括地面車輛、直升機或衛(wèi)星等無線信號作為中繼系統(tǒng)，當(dāng)用于增強無線信號時仍有一定的局限性。多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)應(yīng)用多鏈路傳輸技術(shù)以及自動切換應(yīng)用頻率技術(shù)，多個設(shè)備同時使用時，可以使用無干擾頻率自動切換技術(shù)，在2.4 G和5.8 G范圍內(nèi)，將工作頻率自動切換到高質(zhì)量信息頻率，頻率產(chǎn)生的同時出現(xiàn)大量次頻率，這些次頻率通常以主頻倍數(shù)的形式出現(xiàn)，增強通信量和距離。

多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)的工作原理是利用無人機組實現(xiàn)指揮中心與一個或多個指揮中心之間的無線通信連接，每個梯隊分配多架配備無線通信中繼設(shè)備的無人機，這些指定的無人機發(fā)射并在地面梯隊后面的操作區(qū)域上形成空中中繼系統(tǒng)，也就是空中中繼節(jié)點。忽略周圍環(huán)境、部署時間以及梯隊和指揮中心的位置的情況下，多架無人機為地面部隊提供無線通信。

2.2 多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)技術(shù)

配備移動基站的無人機飛到高空，在多模式信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用下，可以不被外界干擾地鎖定預(yù)定目標，然后控制另一臺工作無人機，通過移動基站傳輸信號，間接控制無人機，完成飛行任務(wù)。無人機遠程控制端和飛機中繼端之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過外部第三方設(shè)備傳輸，以擴大無人機控制的距離，增強圖像傳輸信號。遙控器和地面終端數(shù)據(jù)傳輸站通過UART 接口連接到數(shù)據(jù)傳輸站，地面數(shù)據(jù)傳輸站通過無線鏈路向飛機端數(shù)據(jù)傳輸站傳輸數(shù)據(jù)，飛機端數(shù)據(jù)傳輸站通過CAN 接口或UART 接口向飛行控制站傳輸數(shù)據(jù)。此外，為了實現(xiàn)無線高清視頻的遠程中繼傳輸，可以選擇COFDM 圖像傳輸設(shè)備將視頻從飛機傳輸?shù)降孛娑恕?/p>

多臺無人機在處理任務(wù)時，其狀態(tài)可能實時受到環(huán)境的影響[12]，基于多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機聯(lián)合巡檢技術(shù)，使用如基于MQTT 協(xié)議的多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)“一控多機”、多機聯(lián)合的輸電線路機巡作業(yè)。地面遙控器發(fā)送巡檢任務(wù)至無人機中繼系統(tǒng)平臺，中繼無人機接收到信息后，及時通信給巡檢無人機編隊，編隊中的無人機在接收到相關(guān)任務(wù)請求后，分享傳遞消息，實現(xiàn)多機聯(lián)合，共同完成巡檢任務(wù)。

3 基于多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機聯(lián)合巡檢技術(shù)

成本低、操控性強這些因素使無人機廣泛地應(yīng)用于巡檢任務(wù)中。在大面積的電網(wǎng)智能巡檢任務(wù)中,單無人機的續(xù)航半徑非常有限，無人機組聯(lián)合協(xié)作可有效完成巡檢任務(wù)[13]。例如無人機分層族群規(guī)劃任務(wù)[14]、分布式多無人機編隊[15]、有障礙區(qū)域多無人機多目標點路徑規(guī)劃[16]等這些技術(shù)都有借鑒意義。由于無人機在開展巡檢作業(yè)時，目的節(jié)點距離源節(jié)點較遠，甚至可能受到譬如高山峻嶺、高大建筑物等障礙物的遮擋與阻攔，使節(jié)點之間不能建立直接有效的鏈路[17]。為此，布設(shè)適量的無人機組在目的節(jié)點和源節(jié)點之間，可以建立通信鏈路，實現(xiàn)多機聯(lián)合助力架空輸電線路巡檢作業(yè)。

無人機具有航點飛行功能，無人機多機聯(lián)合巡檢在發(fā)揮這一功能時，使架空輸電線路巡檢任務(wù)在多臺無人機的起飛、巡航、拍攝、降落全過程實現(xiàn)自動化，操作人員通過一鍵啟動無人機來實現(xiàn)自主巡檢[18]。目前多機聯(lián)合模式較為常見的是無人機編隊控制，這是一種經(jīng)典的協(xié)同控制響定，是無人機協(xié)同控制的一個重要趨勢，擁有廣闊的發(fā)展前景。這種模式可以充分發(fā)揮有限的單機資源的作用，形成隊伍來共同執(zhí)行當(dāng)前較為復(fù)雜的巡檢等任務(wù),尤其是對于單機來說不可能完成或是難度較高的任務(wù)[19]。無人機組協(xié)同飛行是實現(xiàn)以及強化無人機作戰(zhàn)能力的核心技術(shù)，具有單機無法比擬的優(yōu)勢。

中繼技術(shù)可以維持無人機組聯(lián)合巡查模式下的數(shù)據(jù)鏈路。無人機采集視頻數(shù)據(jù)后實時傳送，有利于及時開展任務(wù)[20]。通過基于多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機聯(lián)合巡檢，可實現(xiàn)多機聯(lián)合的架空輸電線路機巡作業(yè)，形成編隊制。當(dāng)無人機中繼系統(tǒng)平臺接收到地面遙控器發(fā)送的巡檢任務(wù)指令后，中繼無人機給巡檢無人機編隊傳輸任務(wù)信息，各無人機接收到任務(wù)請求后，互相通信并一起完成聯(lián)合巡檢任務(wù)。具體流程如下：①地面站發(fā)送巡檢任務(wù)至中繼無人機后，中繼無人機發(fā)送信息給鄰居無人機，接收到任務(wù)請求的鄰居無人機互相通信并一起完成任務(wù)；②鄰居無人機接收到任務(wù)請求后，轉(zhuǎn)發(fā)給附近其他無人機成員，同時自我判斷能否充當(dāng)中間節(jié)點，若能，就迅速將此信息反向傳遞給中繼無人機；③以上步驟完成后會形成無人機路線，中繼無人機沿此路線采用“點對點”方式與其他成員通信，共同完成任務(wù)。

4 結(jié)束語

無人機在電力線路巡檢中有著重要技術(shù)應(yīng)用場景，中繼系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。綜上所述，在面對較為復(fù)雜的地形時，開展架空輸電線路巡檢作業(yè)迫切需要無人機技術(shù)的突破與支持，特別是在中繼系統(tǒng)方面。而基于多模態(tài)信號一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機聯(lián)合巡檢技術(shù)，不僅能夠克服地形對無人機信號的遮擋和信道干擾的缺點，而且其工作效率是傳統(tǒng)巡檢作業(yè)效率的數(shù)倍對提升輸電線路安全運行水平有極大促進作用和價值。