多旋翼無人機在輸配電線路巡檢中的任務管理

李翔

摘 要：該文闡述了微型多旋翼無人機在輸配電線路巡檢中的應用，針對影響多旋翼無人機系統安全運行的環境因素，以及影響多旋翼無人機系統飛行安全的成因進行了分析，以此為基礎歸納了了多旋翼無人機在輸配電線路巡檢中的任務管理基本注意事項，并在此基礎上認為多旋翼無人機在輸配電線路巡檢時，在系統運作的時可將輸配電線路巡檢任務分為七個階段，而只要完整執行這七個階段，即可以保障輸配電線路巡檢任務順利完成，同時針對多旋翼無人機系統在運行七個階段的應注意的事項進行了探討。

關鍵詞：微型無人機 多旋翼無人機 輸配電線路 巡線 任務管理

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0028-02

目前輸電線路巡視正逐步轉向由“航空巡視為主，人工目測巡視為輔”[1]的方式，航空巡視具有快速性以及數據可以共享等優點，而其中微型多旋翼無人機是巡視體系中重要的補充，近年來得到了大量的應用，隨著技術的進步近幾年來微型多旋翼無人機的完成任務能力有了很大的提高。該文試探討110 kV及以下電壓等級（尤以35 kV及以下中、低壓配電網為主）的輸配電線路中微型多旋翼無人機的應用。

1 影響微型多旋翼無人機的主要環境因素分析

無人機電力巡線是電網企業進行的一種技術改造項目，勢必要產生一定的安全管理問題，而其中安全風險是非常重要的一項。就整體風險而言，項目安全風險、技術風險、管理風險是項目主要風險因素，無人機系統故障因素、飛行環境因素、機載設備性能是影響項目整體風險的關鍵因素。飛行環境因素包括（無線電環境、氣象環境、地理環境）[2-7]。飛行環境中無線電環境由于只能使用頻譜儀及無線電距離測試，因此進行電磁環境測定難度最大。也是在任務管理中最難進行管控的因素。

高壓輸電線路是三相交流電，變化的電場產生變化的磁場，并不斷向四周激發，離高壓線的距離越近，場強也就越大。電磁輻射強度與電流，電壓，塔高，塔型等有關。一般情況下，兩塔之間的線最靠近地面，此處的電場強度最大，電磁場強度隨距離的減小而衰減。

架空輸電線路產生的無線電電磁干擾主要是導線表面和線路部件表面的電暈放電及絕緣子高電位部分放電和接觸不良產生的火花放電。電暈放電受氣候影響較大，在電暈及其它放電的同時，產生的效應之一是無線電干擾。無線電干擾的實質，是在電暈過程中出現一些有害的、頻率相當寬的電磁波干擾無線電通信，對無線電設施產生干擾，危害環境[3]。

線路桿塔高度、相間距離和分裂導線的數目都會影響無線電干擾水平的大小[4-5]。在輸電線路50 m以內，電場的影響較大， 是干擾通信的主要因素[5]。

2 微型多旋翼無人機系統的基本運行任務

對線路環境的巡檢可基本歸納為兩大類。

（1）線路環境類：線路與設施周邊植被變化，地形地物變化等。

（2）線路設施類：導線，桿塔，基礎，絕緣子，拉線，金具等。

微型多旋翼無人機系統其典型的運行方式是以線路中的某一桿塔處附近為起飛點，不超過起飛點500 m距離內，距離起飛點高度120 m以下區域內使用。這個距離是受目前法律法規的限制，而一旦未來能夠放開這個距離，那么無人機的效率方面的優勢將更加明顯。

3 系統運行期間的典型組織方式

由于線路巡檢特殊的任務性質和環境，巡檢作業必須精心組織。其保障任務的典型組織方式由以下幾個階段組成：任務規劃、飛行準備、起飛、任務執行、回收、回撤/轉移、數據整理。

（1）任務規劃對任務的成功具有關鍵性的作用。可以分為兩階段執行。第一階段應依據和巡線相關數據，確立任務目標，是否允許飛行（不靠近機場等禁飛區區域）現場勘查，飛行路線，氣象情況、特殊情況處置等。第二階段則在飛行模擬器上對任務規劃階段所設定的動作進行模擬預演與操作，如發現問題則記錄后調整，返回到第一階段重新制定并審核。如無飛行模擬器，應采用地圖推演法進行基本路線推演。

（2）飛行準備也分為兩步執行。第一階段是內場準備，檢查飛行器在存儲時的狀態，對如：電池、動力系統等各部件進行檢測，確定上述各部件正常后將系統由儲存狀態調整為運輸狀態。第二階段是外場準備，當飛行器轉運到達場地后，將飛行器由運輸狀態轉為飛行狀態，簡單平整起飛場地，檢查飛行器各部件完好度；機載導航部件校準，返航點設置等情況，數據鏈路工作是否正常，有效載荷及各部件控制是否完好，地面控制設備完整性，任務規劃航線數據輸入，飛行準備階段如果發現問題應立即啟動備用方案。

（3）起飛指觀察手和操作手在確認起飛區域內情況后，兩人確認可以起飛后，操作手可執行起飛命令，飛機按指令動作后，觀察飛行器各方面狀態，然后將飛行器依據事先已經規劃好的航線飛往目標區域；或轉入自動程序，飛行器自行飛往目標區域。無論采用何種方法引導飛行器飛往目標區，觀察手和操作手都要始終留意各狀態量，并相互進行安全提醒。

（4）任務執行指進入目標區域后確定剩余續航時間，高度等，此時操作手應通過數據鏈路傳回數據進行識別，并依據任務規劃確定的路線及傳感器動作方式進行。靠近目標物期間應穩步操作。在目標區域內如發現不利于飛行安全的物體應按照規定預案規避，同時觀察手應注意鳥群等低空活動，飛行器相對位置等情況，如遇到突發事件應冷靜處置。

（5）回收指完成任務后應迅速返航，返航時應注意規定航線的執行情況，并同時留意航線周圍有關物體的變化，在進入降落階段時，應穩步操作飛行器，并注意下降率情況，同時留意風的變化，當進入最終著陸接地前應穩步收油門桿。如有可能應盡量使用自動著陸。

（6）轉移/回撤指檢查飛行器各部件，確認基本完好后，將其轉入運輸狀態并裝入防護箱內，完畢后將其轉移至運輸載具上前進至下一地域或完成任務后回撤。

（7）數據整理指可以利用數據鏈路實時下載采集到的數據，或者待飛機降落回收后將機載記錄數據拷貝至計算機，利用數據網絡上傳所獲數據。

4 微型多旋翼無人機系統輸配電線路巡檢運行時應注意的事項探討

由于110 kV及以下的線路，線路之間并行、穿越、跨越等情況較多，對于微型多旋翼無人機運行任務規劃時應在現有電力工作安全規定的基礎上進行，在實踐中對于飛行器飛行中應有以下應注意的地方。

（1）對線路設施進行巡檢飛行前應了解線路設施的運行情況，尤其是負荷高低、電流大小，桿塔類型，導線情況，前次巡視記錄等。應建立任務規劃單，及安全檢查單。任務規劃單，及安全檢查單都應實現電子化，方便調取查閱及保存。

（2）不同類型的無人機和不同的巡線設備，其工作的安全距離的設置是不同的，需要在實踐中確定[6-8]。這個安全距離應是動力螺旋槳邊緣與線路設施各處的安全距離，而不是傳感器與被拍攝物的距離。

（3）在任務規劃階段就應仔細權衡飛行路線上電磁干擾所帶來的影響，同時飛行器運行位置應考慮傳感器特性及巡檢要求。如：遇到線路自高壓線路下方穿越及跨越，遇到這類情況，應優先選擇返回起飛點并回收，轉移地點至線路對側后重新發射飛行或選擇在交叉點位置遠距離懸停并凝視。

（4）對不同的塔形及導線布置方式，應制定優化路線，完善的巡視路線方案有利于高效的完成巡視任務。如：雙回耐張塔應采用由上層開始，逐步下降高度。

（5）任務規劃及執行階段應考慮傳感器的性能，如使用光學傳感器在平行線路飛行時，背景有可能的閃耀模糊。還要防止飛行器運動時帶來的模糊導致任務失敗。尤其是光學傳感器每秒幀數。而采用延時攝影法時應保證有較好的重疊率。紅外傳感器應考慮目標溫度在大氣環境中的水汽吸收以及所處陣位背景溫度帶來的影響。

（6）對于飛行器與線路設施安全距離的把握，人的作用目前仍然是無法替代的。目前常有飛行器上加裝多種傳感器，或輔助距離判定裝置等方式，而無論采用何種方式，都應考慮由于隔離操作，傳感器盲區等問題，人在飛行平臺起飛后的操作更多的是輔助-決策。應制定完善的應急預案，并重視“操作-輔助”模式的訓練。

（7）無線電失去控制，尤其是飛行器失去無線電信號后動作處置，考慮到110 kV及以下線路的特點及所處環境。在選擇動作方案時不應考慮自動返航，應選擇懸停方式。

（8）有效載荷其重量大小等決定了飛行器的續航能力，而有效載荷的類型決定了所能完成的任務。多旋翼無人機系統的懸停高度與任務載荷最大重量成反比，因此需要在任務規劃階段考慮所搭載的有效載荷對任務的影響[9-10]。

參考文獻

[1] 魏文力.航拍輸電線路圖像處理及故障定位方法[D].保定：華北電力大學，2014.

[2] 王騫.無人機電力巡線項目風險管理研究[D].濟南：山東大學，2014.

[3] 王群，李永卿，陳靜，等.110kV高壓輸電線路電磁場分析及評價[J].北京工業大學學報，2005，31（3）：308-312.

[4] 楊勇.高壓輸電線路周圍電磁環境的研究[D].南寧：廣西大學，2011.

[5] 原斌.110kV高壓輸電線路與城市環境之間的相互影響[J].山西電力，2008（4）：54-55.

[6] 李力.無人機輸電線路巡線技術及其應用研究[D].長沙：長沙理工大學，2012.

[7] 熊典.輸電線路無人機巡檢路徑規劃研究及應用[D].武漢：武漢科技大學，2014.

[8] Richard K Barnhart， Stephen B Hottman，Douglas M Marshall， et al.Introduction to Unmanned Aircraft Systems[M].UK：Taylor & Francis Group，2011.

[9] RegAustin.Unmanned Aircraft Systems：UAVSDesign，Development and Deployment[M].USA：John Wiley&Sons Ltd，2010：201-204.