無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

李建峰，段宇涵，王倉繼，王西鵬，郭鵬，張友民

（1.陜西地方電力（集團）有限公司寶雞供電分公司，陜西寶雞 721000；2.西安理工大學(xué)自動化學(xué)院，陜西 西安 710048）

輸電線路巡檢可為電力系統(tǒng)輸電線路的安全可靠運行提供有力保障，但隨著電力電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，各種輸電線路的分布日益廣泛，輸電線路巡檢的工作量日益加大。然而，由于中國國土遼闊，輸電線路所處的地形復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)輸電線路巡檢技術(shù)由于各自的缺陷而不能有效滿足巡檢要求，這些巡檢技術(shù)的不足促進了無人機輸電線路巡檢技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。

針對無人機線路巡檢技術(shù)的研究已經(jīng)成為了電網(wǎng)巡檢和無人機應(yīng)用領(lǐng)域的一個研究熱點，這一方面的研究也取得了很多研究成果，然而尚缺乏關(guān)于無人機輸電線路巡檢方面的詳細介紹。本文詳細總結(jié)了近年來無人機輸電線路巡檢方面的研究，闡述了無人機線路巡檢技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及其發(fā)展現(xiàn)狀，分析了在巡檢過程中路徑規(guī)劃優(yōu)化和線路故障診斷及預(yù)測，探討了它的不足和應(yīng)用發(fā)展前景，為基于無人機線路巡檢的研究提供參考。

1 輸電線路巡檢現(xiàn)狀

目前輸電線路巡檢手段主要可分為人工線路巡檢、機器人線路巡檢、載人直升機線路巡檢和無人機線路巡檢4種方式[1-2]。考慮到輸電線路分布廣、地域環(huán)境惡劣、所處地形復(fù)雜等情況，采用人工巡檢方式，操作人員的作業(yè)條件艱苦且工作量大，特別是對于高遠山區(qū)以及跨越江河或沙漠等輸電線路巡檢，人工巡檢方式面臨花費時間長、各種成本高、操作困難大、作業(yè)風(fēng)險高、工作強度大且巡檢效率低等諸多問題，故此巡檢方式越來越不能滿足線路巡檢需求[3-6]。機器人巡檢方式是針對高壓架空輸電線路的1種自動化線路巡檢方式，雖然該巡檢方式巡檢精度高，但也面臨著巡線距離短、巡檢速度慢和難以跨越障礙等缺陷[7-8]，限制了它的應(yīng)用范圍。載人直升機線路巡檢方式由于可通過直升機搭載成像設(shè)備，能夠?qū)旊娋€路拍攝圖像，具有較高的輸電線路巡檢效率，但投入成本大，需要大量的人力資源，管理及技術(shù)儲備復(fù)雜，因而載人直開機巡檢方式?jīng)]能廣泛推廣使用。而無人機巡檢方式由于飛機機體小、成本低、載重輕和操作簡便等顯著優(yōu)點而逐漸受到電力企業(yè)的高度重視，在輸電線路巡檢領(lǐng)域中扮演著日益重要的角色[9]。

無人機是一種利用無線遙控設(shè)備和機身自帶程序控制裝置操縱運行的不載人飛機系統(tǒng)。由于無人機能夠攜帶圖像采集設(shè)備與信息傳輸設(shè)備，可將所采集的巡檢信息傳送到地面工作站。相比于載人飛機，無人機偏重于用來執(zhí)行對于人來說太單調(diào)、骯臟或危險的任務(wù)。而電力系統(tǒng)常常存在高壓、偏遠等情況，為了減輕操作人員工作量和危險性，無人機逐漸得到了廣泛應(yīng)用。常用于電力系統(tǒng)的無人機主要有：無人直升機、固定翼無人機、多旋翼無人機和無人飛艇等。

2 無人機輸電線路巡檢

2.1 無人機巡檢系統(tǒng)

無人機巡檢系統(tǒng)通常由無人機、通信設(shè)備、機載設(shè)備和地面站4大子系統(tǒng)組成。無人機巡檢的各部分功能分析如下[10]。

對于無人機系統(tǒng)來說，通過將相機或攝影機掛載于機體，通過接收地面站的遙控信息指令來實現(xiàn)對電網(wǎng)輸電線路重點部位的拍照取樣，或?qū)旊娋€路的全線拍攝。

對于無人機機載設(shè)備來說，它是無人機獲取輸電線路圖像信息的媒介。

對于通信設(shè)備來說，它是無人機系統(tǒng)與地面工作站之間的橋梁，接收無人機系統(tǒng)的圖像信息并將其傳輸給地面工作站，接收地面工作站的巡檢作業(yè)指令并發(fā)送給無人機系統(tǒng)。

對于地面工作站來說，它的主要功能是協(xié)調(diào)無人機的遙測、遙控通信以及對無人機巡檢過程中所采集視圖信息的位置進行定位[11]。

無人機輸電線路巡檢一般將小型攝像機、相機或紅外測溫儀等裝置固定于無人機機體上，通過接收地面站的遙控信息指令來實現(xiàn)對電網(wǎng)輸電線路重點部位的拍照取樣，或?qū)旊娋€路的全線拍攝[12]，同時將采集到的圖像信息由通信設(shè)備傳輸?shù)降孛娼K端工作站，工作人員針對取得的圖像結(jié)合專家知識分析輸電線路運行狀態(tài)，并對可能發(fā)生的故障查找原因和計劃進一步的檢修策略。

無人機巡檢技術(shù)可對輸電線路斷線、桿塔傾斜、絕緣子脫落及異物掛線等的識別和分析，它所巡檢的輸電線路部位主要是桿塔、絕緣子、導(dǎo)線、線路走廊和金具等。適用于無人機輸電線路巡檢技術(shù)完成的巡檢任務(wù)如表1所示。

表1 無人機線路巡檢技術(shù)可適用的巡檢任務(wù)Tab.1 Available inspection tasks for the transmission line inspection technique based on UAV

2.2 無人機巡檢過程

為保證無人機線路巡檢的效率和安全正常作業(yè)，需經(jīng)過前期豐富的理論研究，結(jié)合輸電線路現(xiàn)場測試效果，合理地制定規(guī)范的無人機線路巡檢流程，具體流程如圖1所示。

圖1 無人機巡檢作業(yè)流程圖Fig.1 Operation flow chart of the unmanned aerial vehicle inspection

1）制定巡檢計劃并審批。在學(xué)習(xí)線路巡檢方式方法的基礎(chǔ)上，充分了解巡檢任務(wù)，制定輸電線路巡檢計劃并交給主管部門審批。若沒能通過審批，則需要重新制定巡檢計劃。

2）線路巡檢前期準(zhǔn)備。獲取現(xiàn)場巡檢輸電線路的地形地貌、氣象條件及周邊線路的情況，并收集線路的走向、運行參數(shù)、桿塔精確GPS信息、交叉跨越情況以及以往缺陷記錄資料，將資料信息進行整理以備查找。

3）現(xiàn)場線路巡檢作業(yè)。這一部分主要包括無人機起飛前的準(zhǔn)備和飛行巡檢作業(yè)2個階段。①無人機起飛前的準(zhǔn)備。根據(jù)所獲得的桿塔及地標(biāo)物的精確GPS信息，確定無人機飛行具體巡檢路線。檢查無人機系統(tǒng)，確認(rèn)無人機處于良好運行狀態(tài)，若采用自主巡檢模式，應(yīng)對巡檢路徑進行航跡路徑規(guī)劃。②飛行巡檢作業(yè)。使無人機以平穩(wěn)控制方式按預(yù)定巡檢方案飛行，當(dāng)遇到特殊飛行狀況時，地面操作人員可按要求及時更改飛行方案；無人機通過調(diào)整云臺角度，以拍照或錄像的方式獲得所巡檢線路工作狀態(tài)。

4）巡檢效果總結(jié)。記錄無人機現(xiàn)場巡檢作業(yè)結(jié)果。

5）故障處理及預(yù)測。根據(jù)專家知識，合理選擇處理故障方法，并根據(jù)線路狀態(tài)預(yù)測可能存在的故障隱患。

2.3 無人機巡檢路徑規(guī)劃

當(dāng)利用無人機自主飛行進行輸電線路巡檢時，需事先對線路巡檢路徑進行規(guī)劃，并將所規(guī)劃路徑導(dǎo)入到無人機機體導(dǎo)航系統(tǒng)中。現(xiàn)階段，多采用的線路巡檢路徑規(guī)劃方法是操作人員逐點計算飛行路徑，然后將這些路徑數(shù)據(jù)人工手動事先輸入到機體導(dǎo)航系統(tǒng)中，這種飛行路徑規(guī)劃方法對于操作人員的計算技巧要求極為嚴(yán)格，且計算中不允許出現(xiàn)差錯，否則會帶來安全隱患。

為了有效地規(guī)劃無人機輸電線路巡檢路徑，提出了使用智能算法來進行其路徑的規(guī)劃方法。文獻[7]提出了一種基于遺傳算法來優(yōu)化無人機輸電線路巡檢路徑的方法，它采用極坐標(biāo)編碼方式來構(gòu)造染色體，結(jié)合實際無人機巡檢中的約束條件設(shè)計遺傳算子，提高了全局搜索能力。

輸電線路巡檢路徑通常主要包括巡檢作業(yè)起飛點、降落點以及線路巡檢作業(yè)各目標(biāo)點經(jīng)緯度位置信息。在使用無人機進行輸電線路巡檢時，其路徑規(guī)劃會受到無人機性能參數(shù)和巡檢任務(wù)等多種約束條件，即最大航程、最大爬升/俯沖角、最小路徑段長度、最小拐彎角以及自然地理障礙等約束條件。線路巡檢路徑規(guī)劃是在可設(shè)定路徑空間中找到符合各約束條件的最優(yōu)飛行路線，在實際應(yīng)用中，可由在所設(shè)定路徑空間中的一系列路徑節(jié)點來計算出總飛行路徑，且任意2個相鄰路徑節(jié)點用線段接連。假設(shè)一條包含n+1個目標(biāo)點的巡檢路徑，Pi為第段路徑的長度，則目標(biāo)函數(shù)可表示為

式中，h為由約束條件轉(zhuǎn)化成的懲罰函數(shù)。

在無人機線路巡檢中，若僅考慮最大航程、有效監(jiān)測點、最大飛行距離及環(huán)境因素4個約束條件，則懲罰函數(shù)的表達式可表示為

式中：a，b和c為常數(shù)系數(shù)；x1為不可監(jiān)測目標(biāo)個數(shù)；x2為無人機超過最大航程的長度；x3為航跡終點與飛行終點之間的距離；d為環(huán)境影響系數(shù)。

此時無人機線路巡檢規(guī)劃路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)可表示為

式中，f（x）為目標(biāo)函數(shù)。

該方法是將無人機線路巡檢路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為路徑適應(yīng)度函數(shù)最小化的問題，可采用單目標(biāo)優(yōu)化方法直接優(yōu)化得出最佳規(guī)劃路徑。當(dāng)然，在無人機路徑規(guī)劃中，也可將路徑與其他優(yōu)化目標(biāo)（如飛行路徑終點與給定終點之間的距離）一起組成多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用多目標(biāo)優(yōu)化算法得到優(yōu)化結(jié)果。

2.4 無人機線路巡檢作業(yè)中故障診斷與預(yù)測

無人機線路巡檢以拍攝輸電線路圖像為手段，但僅有極少部分圖像包含故障信息，且傳統(tǒng)模式中使用人眼從圖像中檢測可能存在的故障信息類型。這種處理方式易使操作人員眼睛疲勞，檢測效率低，且不能處理復(fù)雜故障類型。為了快速有效地檢測并發(fā)現(xiàn)輸電線路的故障，輸電線路巡檢中智能化的故障檢測方案開始成為了一個研究熱點。文獻[13]提出了一種基于多源信息融合理論的輸電線路桿塔檢測框架模型，它主要采用攝像機圖像獲取、桿塔模型聚類分析、特征提取和匹配3個步驟，進而從巡檢圖像中自動檢測出桿塔可能存在的故障類型。文獻[14]提出了一種采用高效且快速啟發(fā)式聚類算法的輸電線路故障自動巡檢方法，它通過對Lab空間顏色信息和灰度值進行聚類分析，可有效檢測輸電線路故障特征。

開展故障預(yù)測是減少輸電線路突發(fā)故障、提高預(yù)知維修的重要手段。文獻[15]使用遺傳算法對輸電線路故障進行預(yù)測，有效解決了電網(wǎng)輸電線路復(fù)雜故障情況下的預(yù)測問題，但它不能有效處理無人機所獲得的巡檢圖像。

3 總結(jié)與展望

現(xiàn)階段，無人機巡檢大多依靠相機、攝影機或紅外感光儀器等設(shè)備進行監(jiān)測，且智能化水平不足。雖然無人機巡檢技術(shù)有這些不足之處，但其具有非常廣闊的應(yīng)用前景。由于小型無人機的航空特性和大面積巡查的特點，在線路監(jiān)測和評估方面特別具備優(yōu)勢。在實際線路巡檢中，由于受巡檢所用設(shè)備及輸電線路所處地形的限制，人工巡檢傾向于比較基礎(chǔ)性的、接地的檢查內(nèi)容。無人機巡檢與人工巡檢進行結(jié)合可有效提高輸電線路巡視與檢修效率，可針對輸電線路進行日常巡檢及故障或隱患處理。

隨著無人機技術(shù)的日益成熟，無人機線路巡檢的優(yōu)越性將得到更加充分的體現(xiàn)，它的應(yīng)用將更加廣泛。通過融合模式識別、通信和電子等諸多技術(shù)，形成了有效的無人機巡檢系統(tǒng)，很大程度上降低了輸電線路巡檢人員的工作量，可快速且有效地對輸電線路進行巡檢。隨著無人機路徑規(guī)劃、智能故障診斷及預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，無人機巡檢系統(tǒng)可進一步提高巡檢質(zhì)量和智能化水平，增強電力自動化能力。

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