基于無人機的抽水蓄能電站巡檢方案分析

鄒彬，羅自學(xué)，陳金穎，劉壯，李斌

(1.國網(wǎng)新源華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；3.深圳市科比特航空科技有限公司,深圳 518100;4.中國電力科學(xué)研究院有限公司,武漢 430000;5.國網(wǎng)新源華東宜興抽水蓄能有限公司，宜興 214205)

0 引言

本文主要針對實例來了解互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式，同時針對實例中的巡檢方案設(shè)定進(jìn)行分析。實例抽水蓄能電廠屬于日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電廠，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相的重要功能，該電廠周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其上下庫區(qū)的邊坡、連接公路邊坡面積曠闊，下水庫海拔84 m、上水庫海拔473 m，可見其地勢環(huán)境起伏較大。在此基礎(chǔ)上，實例抽水蓄能電廠傳統(tǒng)人工巡檢模式每次耗時約5 h，出于人性化管理概念巡檢每4天一次，而在傳統(tǒng)人工巡檢制度之下，該電廠的每年故障率依舊高達(dá)30%，為了對此進(jìn)行改善，實例電廠采用了互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式，同時針對此模式進(jìn)行了方案設(shè)定。

1 實例電廠互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式應(yīng)用分析

1.1 實例電廠地勢環(huán)境分析

實例電廠下水庫海拔84 m、上水庫海拔473 m，地勢環(huán)境起伏較大，通過測量該電廠從最高處至最低處直線距離4.5 km，下水庫距上水庫附近公路直線距離為9 km。在上水庫處，因為海拔較高，所以市場存在陣風(fēng)現(xiàn)象，瞬時風(fēng)速最高可達(dá)7 m/s。此外，該電廠的電磁環(huán)境方面，因為其電視發(fā)射塔位于上水庫附近，所以在此處采用了頻譜儀對此進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示，該電廠在892 m、896 m、899 m處發(fā)現(xiàn)了電磁信號較強的表現(xiàn)[1-6]。

實例電廠地勢陡峭，根據(jù)測量其坡度傾角均達(dá)到了60°以上，并且其內(nèi)部氣候為潤，野外環(huán)境當(dāng)中存在許多蛇蟲鼠蟻，容易對巡檢人員造成一定的威脅，同時實例電廠夏季降雨量較大，所以容易發(fā)生較大的塌方現(xiàn)象，對于電廠以及巡檢人員而言，均具有較大的風(fēng)險性，上述因素同樣會給人工巡檢模式帶來困難。

此外，實例電廠在初期修建時因為技術(shù)水平以及地勢環(huán)境的限制，采用了爆炸開山的方式來改變山體結(jié)構(gòu)，通過之后的應(yīng)用，該地區(qū)時常會發(fā)生落石現(xiàn)象，可能會導(dǎo)致巡檢道路堵塞，同時具有一定的危險性，實例電廠詳細(xì)安全隱患如表1所示。

表1 實例電廠詳細(xì)安全隱患

1.2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機巡檢特點

本文所設(shè)計的互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式技術(shù)結(jié)構(gòu)

通過實際測驗結(jié)果，互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式具有以下4大特點。

1、可進(jìn)入低空環(huán)境進(jìn)行巡檢，同時通過視頻傳輸，可以依靠系統(tǒng)終端判定飛行直線路徑前50 m是否存在遮擋物，如存在遮擋物則直線上升直至無遮擋物為止，實現(xiàn)自動化巡檢[7-11]。

2、同樣通過視頻傳輸，可以將巡檢內(nèi)容實時傳輸?shù)较到y(tǒng)終端，再由系統(tǒng)終端將內(nèi)容傳輸?shù)斤@示設(shè)備上，整個過程在信號通常的情況下，速度在1 s以內(nèi)，所以此巡檢模式的實效性較強[12-14]。

3、在顯示設(shè)備處，監(jiān)控人員可以觀測到巡檢信息，根據(jù)此信息建工人員能夠判斷無人機飛行軌跡是否存在異常，如果存在異?？梢酝ㄟ^控制功能來進(jìn)行處理，體現(xiàn)出可控性[15]。

4、多旋翼無人機設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力較強，可以在陣風(fēng)、低溫、高溫、降雨量較小的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，并保障傳輸信息的高分辨率[16]。

2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式設(shè)計

2.1 總體系統(tǒng)框架設(shè)計

本文互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式總體系統(tǒng)框架設(shè)計如圖2所示。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式總體系統(tǒng)框架

在總體系統(tǒng)框架當(dāng)中，本文主要采用了接收鏈路、控制鏈路來連接框架內(nèi)的各個結(jié)構(gòu)。在接收鏈路方面，主要從多旋翼無人機設(shè)備開始，將無人機設(shè)備所拍攝到的視頻圖像傳輸?shù)降孛嬲?，再由地面站通過轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的方式連接網(wǎng)絡(luò)，依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸能力將視頻圖像信息傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，后臺服務(wù)器接收到視頻圖像之后將自動進(jìn)行儲存，在依靠web實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問；在控制鏈路方面，當(dāng)接收鏈路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問之后，如果需要進(jìn)行控制，那么系統(tǒng)終端或人工會發(fā)出控制指令，同時web會與后臺服務(wù)器連接將指令發(fā)送至后臺服務(wù)器，后臺服務(wù)器再依靠通訊協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸將指令發(fā)送到地面站，地面站再將指令通過信號傳輸發(fā)送到多旋翼無人機設(shè)備，多旋翼無人機設(shè)備的接收端將會接受并執(zhí)行指令。

2.2 多旋翼無人機設(shè)備原理

本文所采用的多旋翼無人機設(shè)備與普通的多旋翼無人機設(shè)備不同，為了實現(xiàn)自動化控制，本文對此進(jìn)行了改造。本文改造后的多旋翼無人機設(shè)備，能夠通過無線電信號遠(yuǎn)程控制儀器、自身自帶的控制程序來實現(xiàn)無人飛行，同時依靠高精度、高分別率的拍攝設(shè)備，即可實現(xiàn)無人巡檢。

在系統(tǒng)架構(gòu)上，該設(shè)備主要分為硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩種，其中硬件系統(tǒng)主要包括飛機端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地面站監(jiān)控系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)主要包括航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)預(yù)處理等程序。

2.3 系統(tǒng)實驗

為了驗證本文互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式的有效性，本文將通過5個步驟來進(jìn)行實驗，具體如下文所述。

1、常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢實驗。針對實例蓄能電廠進(jìn)行巡檢，要求系統(tǒng)實現(xiàn)全覆蓋巡檢，同時記錄無人機在飛行過程當(dāng)中是否出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，如果存在異?，F(xiàn)象則需要對異常地點進(jìn)行分析，尋找異常原因。

2、飛行航路設(shè)定。為了確認(rèn)無人機飛行的正確性，在實驗當(dāng)中，針對無人機飛行路徑進(jìn)行了規(guī)劃，同時將規(guī)劃路徑輸入系統(tǒng)控制當(dāng)中，由系統(tǒng)自動控制無人機進(jìn)行飛行，同時通過人工在顯示端進(jìn)行觀測，記錄無人機飛行的速度、高度等參數(shù)，同時當(dāng)發(fā)現(xiàn)無人機出現(xiàn)路徑偏移現(xiàn)象時，同樣需要進(jìn)行記錄。此外，如果無人機路徑偏移過大，監(jiān)控人員需要對此進(jìn)行控制。

3、網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗。為了驗證無人機飛行的可控性，在上述實驗步驟完成的條件下，對無人機人工控制功能進(jìn)行測驗，此舉一方面可以了解人工控制功能的形態(tài)、一方面可得知網(wǎng)絡(luò)指令傳輸?shù)乃俣取⒎€(wěn)定性。

4、無人機各角度拍攝功能實驗。因為無人機在巡檢過程當(dāng)中，難免會因為部分因素發(fā)生拍攝角度傾斜的現(xiàn)象，在理論上傾斜角度可能會限制無人機拍攝功能開展，因此為了對此進(jìn)行驗證，本文通過控制功能，刻意要求無人機在各傾斜角度下進(jìn)行拍攝，了解無人機是否能夠正常進(jìn)行拍攝。

5、拍攝圖像清晰度、分別率驗證。針對無人機在各環(huán)境、各傾斜角度下拍攝的圖像信息進(jìn)行分析，驗證拍攝圖像的清晰度、分別率是否達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)果分析

針對上述5個步驟的實驗結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢實驗結(jié)果

本文的互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢系統(tǒng)，在常規(guī)實驗當(dāng)中病危出現(xiàn)異常現(xiàn)象，說明該系統(tǒng)能夠勝任常規(guī)的巡檢工作，本文互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢系統(tǒng)的常規(guī)實驗結(jié)果，如表2所示。

表2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢系統(tǒng)的常規(guī)實驗結(jié)果

3.2 飛行航路設(shè)定實驗結(jié)果

在飛行當(dāng)中，互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢系統(tǒng)出現(xiàn)了1次較大的路徑偏移現(xiàn)象，具體數(shù)值為2 m，針對此現(xiàn)象，監(jiān)控人員及時的停止了無人機飛行，并針對異常地點進(jìn)行了分析，分析后發(fā)現(xiàn)因為當(dāng)時風(fēng)力過大，到達(dá)了7.5 m/s左右的分離，導(dǎo)致無人機飛行受阻，此現(xiàn)象出于自然原因，并不能說明本文系統(tǒng)有誤，所以無人機分析的正確性依舊得到了保障。同時在飛行速度與高度上，無人機直線飛行速度為1.3 m/s～1.5 m/s、直線拔高速度為0.9 m/s～1.1 m/s，說明其速率性較高；無人機飛行最低高度為1.2 m，最高高度為456 m左右，基本滿足實例電廠的地勢要求，可以實現(xiàn)自動化無人機巡檢。

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗結(jié)果

要求人工針對每項控制功能進(jìn)行5次操作，發(fā)現(xiàn)無人機在每次單項控制功能中的表現(xiàn)一致，說明無人機功能控制有效，而在指令傳輸方面，首先針對實例電廠的892 m、896 m、899 m等電磁信號較強的部分進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)在此環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)指令傳輸速度在1.2 s左右，滿足合理需求，在其他電磁信號較弱的部分，網(wǎng)絡(luò)指令傳輸速度在0.9 s～1.0 s左右，同樣滿足合理需求，因此說明本文系統(tǒng)的速度、穩(wěn)定性較好。

3.4 無人機各角度拍攝功能實驗結(jié)果

本文通過控制功能，使無人機在30°、60°、90°、180°的角度下進(jìn)行拍攝，通過排拍攝結(jié)果可見，無人機在各角度下均能進(jìn)行正常的拍攝功能，僅在180°情況下，出現(xiàn)了1此卡頓現(xiàn)象，其原因在于電磁信號的干擾。

3.5 拍攝圖像清晰度、分別率驗證結(jié)果

在各環(huán)境、各傾斜角度下，無人機拍攝功能運作正常，在拍攝圖像的清晰度、分別率上來看，結(jié)果較為清晰，拍攝例圖,如圖3所示。

圖3 圖人機拍攝例圖

4 總結(jié)

主要分析了無人機抽水蓄能電站巡檢的巡檢方案。分析當(dāng)中，首先針對實例電廠互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式應(yīng)用進(jìn)行分析，了解其中地勢環(huán)境特點以及互聯(lián)網(wǎng)+無人機模式特點，之后針對互聯(lián)網(wǎng)+無人機自動化巡檢模式進(jìn)行設(shè)計工作，包括了總體系統(tǒng)框架設(shè)計、多旋翼無人機設(shè)備原理、系統(tǒng)實驗3個部分，在總體系統(tǒng)框架設(shè)計當(dāng)中采用了接收鏈路、控制鏈路設(shè)計方式，以此連接系統(tǒng)各個板塊，同時闡述了其中運作流程；在多旋翼無人機設(shè)備原理方面，主要對傳統(tǒng)多旋翼無人機進(jìn)行了改造，闡述了其功能原理；在系統(tǒng)實驗，通過5個步驟對此進(jìn)行驗證，最終進(jìn)行了結(jié)果分析。