架空輸電線路空中巡檢空管技術分析及系統(tǒng)設計

翟瑞聰 張 峰 陳 浩 許志海 楊百川

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司機巡作業(yè)中心，廣東廣州510160；2.北京翔儀恒昌科技有限公司，北京100088）

0 引言

南方電網(wǎng)“十三五”發(fā)展規(guī)劃提出了“全面推行‘機巡+人巡’的巡線模式”要求，即依靠先進科技手段提高設備運維水平，有序推進輸電線路“機巡+人巡”協(xié)同巡檢工作，加快實現(xiàn)輸電線路精益化運維轉變。而隨著廣東電網(wǎng)機巡業(yè)務的迅速發(fā)展，各類型飛行器“漫天飛”已成為常態(tài)，但“黑飛”時有發(fā)生，為安全空域帶來隱患。

傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理等技術的進步，為架空輸電線路空中巡檢的空中管制提供了可能。通過架空輸電線路空中巡檢的空管系統(tǒng)，可有效掌握飛行器的實時飛行狀態(tài)，實現(xiàn)飛行軌跡跟蹤、預測、一致性監(jiān)視、流量監(jiān)視，從而提升架空輸電線路空中巡檢的安全性和計劃性，保證機巡業(yè)務的持續(xù)健康發(fā)展。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 架空線路空中巡檢現(xiàn)狀

從最傳統(tǒng)的地面人工巡視，到如今逐步推廣應用的直升機、無人機巡視，線路的巡檢模式正向著多元化方式發(fā)展[1]。

目前，廣東電網(wǎng)已擁有有人直升機、無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機4類常用機型，在充分發(fā)揮各種機型優(yōu)勢的前提下，根據(jù)不同的空中巡檢需求執(zhí)行著不同的機巡作業(yè)任務，如圖1所示。譬如，線路精細化巡檢一般采用有人直升機、無人直升機作業(yè)，對于復雜交叉跨越、市區(qū)等地形，多旋翼無人機可作為有效補充；線路通道巡檢一般采用固定翼無人機作業(yè)，對于山區(qū)空氣濕度大、容易出現(xiàn)濃霧天氣的情況，多旋翼無人機可作為有效補充。

圖1 多機型空中巡檢協(xié)同作業(yè)機制

1.2 飛行器空管現(xiàn)狀

飛行器在天空中飛行，必須像地面的車輛一樣受到相應規(guī)則管制和約束。由專門管理機構指揮、調(diào)度、引導和約束航空器飛行的過程，就是空中交通管制，簡稱“空管”（Air Traffic Control，ATC）[2]。空管能有效解決飛行安全需求和飛行流量管理問題。

近年來，伴隨著航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國現(xiàn)已成為名副其實的航空大國，但低空域保障設施仍不盡完善，對飛行器飛行造成了極大限制，空管面臨著巨大壓力[3]。

現(xiàn)行的空管模式主要針對民航客機、有人直升機等有人飛行器，管理運轉比較成熟。管制人員可通過多種通信途徑與駕駛員進行直接溝通，實現(xiàn)“面對面”空管指揮調(diào)度。因此，有序、規(guī)范的有人直升機空中巡檢作業(yè)得到廣泛應用。

但民用無人機的管理規(guī)范在全球范圍內(nèi)幾乎空白，中國也不例外。中國對無人機空管暫無明確的法規(guī)可循，主要提出了無人機系統(tǒng)特別飛行證、隔離空域運行、使用航空頻率和發(fā)射廣播信號方面的要求[4]。

目前，無人機空管主要面臨以下問題：

（1）無人機暫無統(tǒng)一標準。空管系統(tǒng)的有序運行主要依靠飛行器的控制器（以下簡稱“飛控”），但飛控類別繁多，性能差異大，使得空管部門無法掌握飛行器的飛行精度和可靠性。

（2）無人機操控人員缺乏系統(tǒng)性知識。當前無人機屬于新興行業(yè)，技術參差不齊，起飛著陸及巡航方式各不相同，不同的操控方式對操控者有著不同的技術要求。部分操控者缺乏系統(tǒng)性知識，甚至不了解空管法規(guī)，導致飛行活動存在嚴重隱患。

（3）無人機技術有待提高。現(xiàn)采用視距內(nèi)手控和預置航線超視距自主飛行，但當前無人機技術無法達到避讓的要求，容易發(fā)生空中交通意外。

（4）無人機未實現(xiàn)實時狀態(tài)監(jiān)控。無人機的狀態(tài)監(jiān)控尚無法規(guī)要求，空管部門無法掌控空情監(jiān)視信息，難以做進一步空中管制，不僅影響無人機之間的飛行活動，甚至影響了有人機的飛行活動。

廣東電網(wǎng)的無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機空中巡檢作業(yè)同樣遇到上述難題，一定程度制約了機巡業(yè)務的發(fā)展。

2 空管系統(tǒng)設計

2.1 總體框架

基于我國飛行器空管現(xiàn)狀，結合廣東電網(wǎng)架空線路空中巡檢作業(yè)特點，本文設計了基于飛行監(jiān)控黑匣子的架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)。系統(tǒng)由飛行器、飛行監(jiān)控黑匣子、無線網(wǎng)絡、防火墻、服務器集群等組成。裝配在飛行器的飛行監(jiān)控黑匣子采用GRPS/3G/4G、北斗等無線網(wǎng)絡通道將飛行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務器集群，經(jīng)過處理后由Web服務器集群向用戶發(fā)布結果。系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)

2.2 飛行監(jiān)控黑匣子

飛行監(jiān)控黑匣子（簡稱“黑匣子”）是架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)的核心組成部分，用于采集飛行器實時飛行數(shù)據(jù)。飛行數(shù)據(jù)包括飛行器經(jīng)緯度坐標、海拔高度、航向、航速等。

黑匣子分為硬件黑匣子和虛擬黑匣子兩類。硬件黑匣子作為獨立部件裝配在飛行器上，一般用于有人直升機、無人直升機、固定翼無人機，無需對飛行器進行任何軟硬件改造，使用簡單方便。虛擬黑匣子是通過軟件改造虛擬出來的，飛行器巡檢應用軟件通過調(diào)用飛行器API獲取飛行數(shù)據(jù)并處理轉發(fā)，其功能與硬件黑匣子相同，主要解決了多旋翼無人機難以額外增加負載（硬件黑匣子也屬于額外負載）的問題。

3 飛行跟蹤監(jiān)視

為更好發(fā)揮架空線路空中巡檢的空中管制作用，應盡可能收集更全面的影響機巡作業(yè)的數(shù)據(jù)信息。其中，實時飛行數(shù)據(jù)是最關鍵的數(shù)據(jù)，是開展空管工作的前提；電網(wǎng)內(nèi)部的機巡計劃、規(guī)劃航線和電網(wǎng)外部的氣象數(shù)據(jù)、空管信息、社會活動也是重要數(shù)據(jù)，影響著空管工作的質(zhì)量。系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進行軌跡更新、安全監(jiān)控、一致性監(jiān)視等一系列的智能處理，及時發(fā)出飛行沖突、飛行速度越限、飛行高度越限、誤入禁飛區(qū)、飛行一致性等告警，最終實現(xiàn)空域管理、飛行記錄、流量監(jiān)控、起飛/降落管理、作業(yè)安全。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

3.1 飛行軌跡跟蹤處理

飛行數(shù)據(jù)從飛行監(jiān)控黑匣子獲取而來，系統(tǒng)采用多線程技術實時跟蹤全省飛行器的經(jīng)緯度坐標位置，記錄每個航點的海拔高度、航向、航速等信息，實現(xiàn)機巡作業(yè)的全程飛行記錄。

目前，黑匣子一般采用移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互，加之機巡作業(yè)基本發(fā)生在野外環(huán)境，故必定存在無信號或信號差的飛行監(jiān)視盲區(qū)，嚴重影響飛行軌跡跟蹤效果。為解決此問題，我們提出了以下幾條處理策略：

（1）飛行器在飛行監(jiān)視盲區(qū)時，黑匣子應緩存這段時間的飛行數(shù)據(jù)，移動通信網(wǎng)絡恢復后補傳數(shù)據(jù)。

（2）飛行器在飛行監(jiān)視盲區(qū)時，系統(tǒng)應采用假定恒速預測算法臨時補全飛行數(shù)據(jù)，確保飛行軌跡的完整性。

（3）黑匣子可采用雙卡雙待模式，使用不同運營商（如中國移動、中國聯(lián)通）的移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，減少飛行監(jiān)視盲區(qū)。

（4）黑匣子可使用北斗網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，但此類黑匣子的造價和通信費用較高，不宜全面推廣。

3.2 飛行軌跡一致性監(jiān)視處理

飛行軌跡一致性監(jiān)視主要通過將目標飛行器的運動趨勢、當前位置與機巡計劃、規(guī)劃航線進行比較，來判斷飛行器是否偏離作業(yè)計劃。

飛行器的電子圍欄是動態(tài)變化的，系統(tǒng)根據(jù)機巡計劃的作業(yè)時間確定電子圍欄的有效時間窗，根據(jù)規(guī)劃航線和不同飛行器的允許偏移距離確定具體的電子圍欄飛行方位。圖4中，實線是規(guī)劃航線，兩側虛線是自動計算得出的電子圍欄，兩者的距離則是允許偏移距離n m，不同機型允許偏移距離不相同；若飛行器實際飛行超出了電子圍欄允許范圍，系統(tǒng)則發(fā)出飛行一致性告警，由此可推斷出本次飛行任務是否出錯，飛行器是否失控或發(fā)生其他意外情況。

圖4 飛行一致性監(jiān)視原理

3.3 飛行安全監(jiān)視處理

飛行安全監(jiān)視為空管部門提供潛在的危險情況提示，幫助及時作出決策解決問題。

結合禁飛區(qū)信息庫和安全飛行策略，系統(tǒng)根據(jù)黑匣子發(fā)送的飛行數(shù)據(jù)進行不同類型的飛行告警，且每種告警分為一級、二級和三級（其中一級為最高級別告警），具體包括以下幾類：

（1）飛行沖突告警。飛行器作業(yè)時水平距離過近，容易發(fā)生機機相撞事件，系統(tǒng)應提前發(fā)出告警。根據(jù)機型作業(yè)的安全級別，4種常用機型避讓的優(yōu)先順序為“有人直升機/無人直升機＞固定翼無人機＞多旋翼無人機”，即后者遇到前者時，后者應避讓前者。

（2）飛行速度越限告警。類似于車輛在高速公路超速行駛會收到罰單警告，飛行器作業(yè)時超速飛行同樣也會收到系統(tǒng)的告警，這樣有利于提高機巡作業(yè)的規(guī)范性和采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。不同機型有不同的超速飛行告警策略，比如有人直升機、無人直升機限速25 km/h，多旋翼無人機限速50 km/h，固定翼無人機120 km/h。

（3）飛行高度越限告警。此類型告警與飛行速度越限告警類似，飛行器作業(yè)時超過限制海拔或離地高度，系統(tǒng)將發(fā)出告警。

（4）誤入禁飛區(qū)告警。飛行器作業(yè)時不允許進入某些特定區(qū)域，否則系統(tǒng)將發(fā)出告警。架空線路空中巡檢的禁飛區(qū)類型有很多種，包括：

1）法律法規(guī)要求的禁飛區(qū)：民航區(qū)域、軍事重地、高大建筑等；

2）影響社會生產(chǎn)的禁飛區(qū)：牲畜養(yǎng)殖區(qū)域、農(nóng)作物區(qū)域、石油化工廠、核電廠等；

3）影響交通運輸?shù)慕w區(qū)：高鐵、高速公路、省道等；

4）影響電網(wǎng)安全的禁飛區(qū)：線路密集區(qū)、線路T接點、線路交叉跨越點、變電站等。

但部分禁飛區(qū)也是允許部分機型作業(yè)的，比如線路密集區(qū)允許多旋翼無人機作業(yè)，而有人直升機和無人直升機不能作業(yè)。

3.4 飛行流量監(jiān)視處理

飛行流量監(jiān)控，顧名思義就是監(jiān)控同一時間某個區(qū)域飛行器作業(yè)的擁擠情況。飛行器“漫天飛”必定造成空域擁擠，為了機巡作業(yè)安全性，應避免此情況出現(xiàn)。長期積累的飛行流量監(jiān)控數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析，不僅可以了解機巡作業(yè)分布特征，而且有助于提高機巡計劃的合理性和規(guī)劃航線的正確性。

4 應用情況

2017年初，廣東電網(wǎng)正式投運基于飛行監(jiān)控黑匣子的架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)，應用效果良好。據(jù)統(tǒng)計，2017年1月—7月期間空管系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了15起固定翼無人機非正常降落未遂事件和4起多旋翼超速飛行事件，并進行嚴肅整改，從以往的粗放式管理階段逐步向精益化管理階段發(fā)展，持續(xù)提升了架空輸電線路空中巡檢的安全性和計劃性，保證了機巡業(yè)務的持續(xù)健康發(fā)展。

圖5是架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)的飛行監(jiān)控界面，圈出的圖標代表飛行器，灰色粗線條代表其飛行軌跡。

圖5 架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)界面

5 結語

本文分析了無人機空管現(xiàn)狀，設計了基于飛行監(jiān)控黑匣子的架空線路空中巡檢空管系統(tǒng)，實現(xiàn)了飛行軌跡跟蹤、飛行安全監(jiān)視、飛行流量監(jiān)視等功能。該技術成果已在廣東電網(wǎng)得到成功應用，取得了良好的使用效果。