一種輸電線路無人機(jī)“巢
------巢”巡檢新模式

（國網(wǎng)江西省電力有限公司贛西供電分公司，江西新余 338025）

0 引言

架空輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，而架空輸電線路巡視又是線路運(yùn)維工作的重點(diǎn)。巡視的頻度、準(zhǔn)確率越高，成果越及時(shí)全面，線路設(shè)備管控水平就會(huì)越高，這也是輸電運(yùn)檢工作精益化管理的要求和行業(yè)發(fā)展方向。

目前輸電線路巡視已由以往單純的依靠人工地面巡視，發(fā)展成為了無人機(jī)+人工+直升機(jī)的協(xié)同立體巡檢模式。雖然巡視的效率有了提高，但是無人機(jī)巡視仍然存在著一些不足，制約著輸電線路巡視向自主化、智能化方向發(fā)展。

1 目前的無人機(jī)巡檢模式

以國網(wǎng)江西省電力有限公司贛西供電分公司為例，目前的無人機(jī)巡檢模式主要以無人機(jī)智能操控終端APP為平臺(tái)，在飛行的過程中按照設(shè)定的高程、拍攝角度、拍攝頻率對(duì)輸電線路設(shè)備、通道進(jìn)行持續(xù)拍攝。智能操控終端APP主要功能模塊有通道巡視、樹障巡視、快速測(cè)繪和全景采集等。

首先作業(yè)人員根據(jù)線路長度規(guī)劃好線路的若干個(gè)作業(yè)點(diǎn)，然后通過乘坐車輛到達(dá)作業(yè)點(diǎn)，釋放無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)。無人機(jī)作業(yè)完成后手動(dòng)控制降落，前往下一個(gè)作業(yè)流程。

現(xiàn)場巡視完成后，作業(yè)人員需對(duì)無人機(jī)拍攝回來的照片進(jìn)行人工整理分析處理，然后形成巡視報(bào)告發(fā)送至相關(guān)人員。

2 現(xiàn)有無人機(jī)巡檢模式的不足

從現(xiàn)場飛行至人工數(shù)據(jù)處理，目前的無人機(jī)巡視模式依然存在以下不足：

1）無人機(jī)巡線方案不夠智慧，飛機(jī)起降、數(shù)據(jù)拷貝、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)還需要人工干預(yù)，耗費(fèi)大量人力。

2）無人機(jī)作業(yè)路途及轉(zhuǎn)場耗時(shí)耗力，每天車旅時(shí)間就占工作時(shí)間約3/8；

3）寒冬酷暑期間，輸電人員依然需要在野外艱苦開展機(jī)巡作業(yè)；

4）數(shù)據(jù)處理及時(shí)性、準(zhǔn)確性還不夠，尤其在特殊天氣、特殊時(shí)期例如鳥害高發(fā)期等需要頻繁開展特殊巡視時(shí)。

3 無人機(jī)巢-巢巡檢新模式

3.1 巢-巢巡檢模式介紹

無人機(jī)“巢-巢”巡檢新模式為：在有條件的變電站或桿塔部署無人機(jī)機(jī)巢，通過遠(yuǎn)程發(fā)送指令控制，實(shí)現(xiàn)輸電線路無人機(jī)遠(yuǎn)程無人自主巡視。新的巡檢模式融合了無人機(jī)控制技術(shù)、人工智能圖像識(shí)別技術(shù)、4G通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)巡視、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理分析、成果自動(dòng)上傳，無需人工干預(yù)，詳見圖1。

圖1 “巢-巢”智慧巡檢流程示意圖

具體內(nèi)容為：1）在變電站或桿塔建設(shè)全方位遠(yuǎn)程監(jiān)控的無人值守機(jī)場（機(jī)巢），在運(yùn)檢部辦公室建設(shè)中央控制系統(tǒng)；2）在云端部署監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)管，并預(yù)留空域管理接口便于接受相關(guān)部門的監(jiān)管；3）采用長航時(shí)無人機(jī)（航時(shí)不小于50 min，單向巡航里程不小于30 km）。通過中央控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理機(jī)巢系統(tǒng)、無人機(jī)設(shè)備和氣象站等輔助設(shè)備，遠(yuǎn)程發(fā)送指令，控制無人機(jī)自動(dòng)開機(jī)、起飛、按航線自主飛行拍照，完成任務(wù)后異地精準(zhǔn)降落；控制機(jī)巢系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)充電、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸；控制云端對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)智能分析、成果自動(dòng)上傳管控平臺(tái)。

“巢-巢”巡檢技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)包括無人機(jī)續(xù)航、無人機(jī)遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、數(shù)據(jù)自動(dòng)智能分析、遠(yuǎn)程精準(zhǔn)起降等。經(jīng)過深入研究，利用長航時(shí)電池解決了無人機(jī)續(xù)航問題；利用4G通信控制技術(shù)解決無人機(jī)遠(yuǎn)程控制和無線數(shù)據(jù)傳輸問題；利用深度學(xué)習(xí)人工智能圖像識(shí)別技術(shù)解決了數(shù)據(jù)自動(dòng)智能分析問題，利用多傳感器技術(shù)解決了遠(yuǎn)程精準(zhǔn)起降問題。

3.2 巢-巢巡檢模式創(chuàng)新點(diǎn)

1）無人機(jī)平臺(tái)：無人機(jī)平臺(tái)包括全方位遠(yuǎn)程監(jiān)控的無人值守機(jī)場（機(jī)巢）、中央控制系統(tǒng)、長航時(shí)無人機(jī)。詳見圖2。

（1）機(jī)巢配備充電樁，氣象站、數(shù)據(jù)傳輸模塊等，具備自動(dòng)充電、氣象監(jiān)控、安全防護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖2 無人值守機(jī)場展示圖

（2）中央控制系統(tǒng)（見圖3）可遠(yuǎn)程發(fā)送指令，控制無人機(jī)自動(dòng)開機(jī)、起飛、按航線自主飛行拍照，完成任務(wù)后異地精準(zhǔn)降落。控制機(jī)巢系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)充電、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。控制云端進(jìn)行數(shù)據(jù)智能分析、成果自動(dòng)上傳管控平臺(tái)等。

圖3 中央控制系統(tǒng)界面

（3）基于智能充電技術(shù)與長航時(shí)電池，采用的U880（見圖4）長航時(shí)無人機(jī)航時(shí)不小于50 min，單向巡航里程不小于30 km，充電時(shí)間約20min，可搭載可見光或紅外云臺(tái)相機(jī)、內(nèi)置微型PC和4G通信模塊，可實(shí)現(xiàn)4G遠(yuǎn)程控制、在“變電站”傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)自動(dòng)充電。

圖4 U880四旋翼無人機(jī)

2）圖像識(shí)別模塊：深度學(xué)習(xí)人工智能圖像識(shí)別技術(shù)能夠解決數(shù)據(jù)自動(dòng)智能分析問題。基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的圖像自動(dòng)識(shí)別軟件如圖5所示：

圖5 圖像自動(dòng)識(shí)別軟件界面

不同于以往簡單的圖像對(duì)比識(shí)別，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力巡檢圖像目標(biāo)智能識(shí)別算法采用“端對(duì)端”的特征學(xué)習(xí)，通過多層處理機(jī)制揭示隱藏于數(shù)據(jù)中的非線性特征。能夠從大量訓(xùn)練集中自動(dòng)學(xué)習(xí)全局特征（這種特征被稱為“學(xué)習(xí)特征”），是其能夠在影像中自動(dòng)提取目標(biāo)重要原因。具有強(qiáng)大的自學(xué)能力、容錯(cuò)能力、無需事先假設(shè)概率模型等特點(diǎn)。通過該技術(shù)可高效智能識(shí)別如施工外破、漂浮物、速生樹種、鳥窩等缺陷隱患，能夠?qū)⒔Y(jié)果形成工單直接推送到相應(yīng)班組移動(dòng)作業(yè)端，真正做到及時(shí)準(zhǔn)確，見圖6。

圖6 智能識(shí)別效果

3）遠(yuǎn)程4G通信控制模塊：通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信和控制（見圖7、8），作業(yè)人員在辦公室通過中央控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程給無人機(jī)下發(fā)任務(wù)及控制，同時(shí)遠(yuǎn)程獲取無人機(jī)的飛行信息、實(shí)時(shí)影像等，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)超視距控制無人機(jī)，保證無人機(jī)+機(jī)槽+云平臺(tái)的互聯(lián)互通。此外無人機(jī)每條航線都是通過4G+云監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)管，使飛行更加安全高效。

圖7 4G+云監(jiān)控示意圖

4）遠(yuǎn)程精準(zhǔn)起降模塊：通過RTK差分、可見光引導(dǎo)降落、紅外引導(dǎo)降落、雷達(dá)避障、光流測(cè)速、雙目避障等多種先進(jìn)技術(shù)保障飛行安全并引導(dǎo)無人機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)降落。

圖8 多傳感器示意圖

5）全方位安全保障體系：（1）硬件保障。無人機(jī)本體，防護(hù)性能采用抗風(fēng)7級(jí)、IP54等級(jí)設(shè)計(jì)，適應(yīng)更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，飛行可靠性大大增強(qiáng)。機(jī)巢，防潮防蟲設(shè)計(jì)，避免雨水昆蟲侵?jǐn)_；充電保護(hù)設(shè)計(jì)，避免電池過充防止火災(zāi)。（2）軟件保障。飛控系統(tǒng)，冗余飛控設(shè)計(jì)，飛行更加安全、精準(zhǔn)；增加飛行前安全檢查關(guān)口，避免帶傷飛行；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：數(shù)據(jù)2道冗余備份；雙密鑰啟動(dòng)設(shè)計(jì)，只有通過中央認(rèn)證與現(xiàn)場認(rèn)證才能開始飛行，避免黑客侵入與擅自飛行。

4 巢-巢巡檢模式效果分析

1）更少的人力、物力投入。通道巡視無需人員乘車到現(xiàn)場作業(yè)，在中央控制室即可實(shí)現(xiàn)機(jī)群作業(yè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理反饋，實(shí)現(xiàn)了人力資源、車輛的節(jié)約。

2）更高效的作業(yè)能力。每架無人機(jī)均可遠(yuǎn)程操作異地起降，單架次作業(yè)里程超過30 km，省去無人機(jī)返航耗時(shí)、人員轉(zhuǎn)場時(shí)間。

3）更快速的工作響應(yīng)、更及時(shí)的成果反饋。只要天氣條件允許，計(jì)劃下達(dá)即可執(zhí)行，一鍵啟動(dòng)任務(wù)。成果在很短時(shí)間內(nèi)即可回傳，實(shí)現(xiàn)輸電線路巡視即時(shí)服務(wù)模式。

4）更安全的保障體系。融合多種先進(jìn)技術(shù)，具備氣象監(jiān)控、安全防護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)通訊等功能，滿足安全規(guī)程作業(yè)要求。具備云監(jiān)控平臺(tái)，未通過云監(jiān)控平臺(tái)的無人機(jī)不能起飛，預(yù)留空域管理接口便于接受相關(guān)部門的監(jiān)管。

5）巡檢新模式的運(yùn)用提升了輸電線路設(shè)備狀態(tài)管控力，大幅減少線路跳閘次數(shù)和停電時(shí)長，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民日常生活用電打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2018年初，贛西公司在新余南部輸電網(wǎng)架密集的地區(qū)選擇了220 kV白沙變、珠珊變和110 kV坂橋變作為基站，覆蓋了新余南部近400 km架空輸電線路，實(shí)現(xiàn)輸電線路“巢-巢”智慧巡檢。

5 結(jié)語

1）“巢-巢”巡檢模式能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路無人機(jī)完全自主化巡視。此外，通過智慧巡檢作業(yè)的開展，飛行作業(yè)頻次大幅增加，快速積累海量線路通道各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)平臺(tái)為支撐，為輸電線路狀態(tài)管控、運(yùn)行分析與檢修決策打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)圖像智能識(shí)別、狀態(tài)預(yù)警等技術(shù)發(fā)展。

2）對(duì)于大多數(shù)地市級(jí)公司，現(xiàn)狀和贛西公司相似，巢-巢巡檢模式能夠推廣出去。通過后期對(duì)高電壓等級(jí)線路的測(cè)試與驗(yàn)證，可逐步應(yīng)用于更高電壓等級(jí)的更長線路上，在電力系統(tǒng)可大范圍推廣。