多旋翼無人機在輸電線路巡線中的應用

王剛 孟瑩梅

摘 要：當下輸電線路巡檢自動化已成為電力系統維護的必然趨勢和發展方向，無人機巡檢方式的普及，將極大減輕送電線工在線路日常巡視、緊急搶修、狀態監測等方面的工作壓力，在消除人工巡檢盲點的同時，提高了巡檢效率與巡視質量，保障了巡檢過程中的人身安全。本文簡述了國內外無人機巡線技術的研究現狀，將常見的巡線用無人機進行分類比較，得出不同種類無人機巡線的優缺點，并以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，詳細介紹了小型旋翼機巡檢過程中的操作流程和基本注意事項。最后還展望了圖像、數據處理技術，以及要求更高的激光雷達巡線技術。

關鍵詞：輸電線路；無人機；巡檢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.148

0 引言

隨著電力網架構成的進一步豐富、智能電網的迅速發展，繼續依靠傳統人力巡檢輸電線路已無法滿足現階段的巡線要求?；诋斍盁o人機在民用領域的應用日益廣泛，相應軟、硬件技術日趨完善，利用無人機代替人力進行巡線，可以到達人力很難到達的地方，且巡線效率高，范圍廣，具有極其廣闊的應用前景。國家電網公司關于輸電線路無人機巡檢技術的相關研究和應用也在逐年加強。

1 無人機分類比較

固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機為常用電力專用無人機，其各有優缺點，應用于不同的巡線場合。固定翼無人機飛行速度快，續航時間長，但不能懸停于空中，適用于進行輸電線路通道大范圍、長距離巡檢。無人直升機飛行靈活，能快速準確的進行輸電線路作業，現已基本運用到對輸電線路通道環境監測，交叉跨越復核檢查，重要隱患監控等方面的巡視工作。多旋翼無人機最大的特點便是能垂直起降，飛行控制靈活，穩定性高，可應用在電氣線路設備的參數收集、故障查找等任務中。在故障段確定的情況下，多旋翼無人機能在接近線路處進行空中懸停，完成輸電線路桿塔設備、絕緣子等定點目標的精益化巡檢工作?？偨Y以上各類無人機的優缺點與當前電力生產工作實際相結合，架空輸電線路的巡線建議使用固定翼無人機搭配小型旋翼機或無人直升機進行。而固定翼無人機和無人機直升機的價格相對較高，基于巡線頻率與性價比綜合考慮，價格便宜且操控靈活的小型旋翼機是現階段最值得推廣的機型。

2 無人機巡檢流程

我們以1000kV同塔雙回耐張塔巡線拍攝為例，對無人機巡檢流程進行簡要介紹。小型旋翼機巡線一般巡檢流程如下：第一、收集巡檢線路資料，確定巡檢線路的地點、巡檢時間、人員和車輛安排等內容；第二、確定桿塔類型、桿塔數量、桿塔巡檢對象、拍攝要求、拍攝數量；第三、勘查巡檢現場，了解桿塔位置、線路走向、地形、地貌、風向、風速、光源方向、信號塔、山丘、河流、樹木、礦藏、地下管道等；第四、制定飛行計劃，確定地面站放置點、飛手站立地點、飛機起飛點、飛行方向、飛行路線，尤其需要注意桿塔方位、風向、風速、光源、樹木、通訊塔、山丘、礦藏、管道、溫度、飛手站位與桿塔電線的角度；第五、根據巡線需求調整相機中設置的照片質量，實施巡檢，每個拍攝對象拍攝5張以上的照片，以防止因為無人機抖動造成的相片重影，圖像發虛等情況，從中選擇最優照片，避免因為不合格照片而需重新飛行，以便提高飛行的效率。

下面將對實際應用過程中桿塔巡檢拍攝步驟進行簡要介紹：

步驟一：起飛后緩慢上升至左線下相，機身與線路左線大號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具；緩慢下降，機身與線路左跳線硬管母水平，拍攝硬管母整體及連接金具；緩慢上升，機身與線路左線小號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串、金具等。

步驟二 ：緩慢上升至左線中相，重復步驟一。

步驟三 ：緩慢上升至左線上相，重復步驟一。

步驟四 ：緩慢上升至塔頂，略高于地線，拍攝左側地線及掛點和金具。

步驟五 ：翻越桿塔至另一側，緩慢下降，拍攝右側地線。

步驟六：緩慢下降至右線上相，機身與線路右線大號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具；緩慢下降，機身與線路右跳線硬管母水平，拍攝右跳線硬管母整體及連接金具；緩慢上升，機身與線路右線小號側絕緣子串水平，拍攝絕緣子串及連接金具。

步驟七 ：緩慢下降至左線中相，重復步驟六。

步驟八 ：緩慢下降至左線下相，重復步驟六。

步驟九：拍攝大小號側通道及周圍危險點。

以上九個步驟為巡檢1000kV同塔雙回耐張塔時的拍攝方式，其他電壓等級的線路巡檢過程與其類似。同時我們還應該注意到小型旋翼機巡線時天氣狀況影響較大，當風力高于 3 級時，無人機會出現飄移的情況，可能導致其與輸電線路、輸電桿塔設備等無法滿足有效的安全距離，甚至發生碰撞。因此加裝測距系統也是目前眾多巡線用無人機的標準配置。目前使用最多的是超聲波測距模塊，超聲波模塊的特點是必須符合探測角度足夠大的要求，測量距離的范圍適中即可。小型旋翼機機體較小，能近距離飛抵輸電線路附近，我們這里選用的測試距離以 6-10 米為宜，檢測的精度能夠達到毫米級，這也是我們將小型旋翼機作為線路巡檢設備首先的考慮因素之一。

3 后期數據處理

目前，無人機巡檢作業已然成為了輸電線路智能巡檢的主要方式。無人機在巡檢作業時拍攝了大量的數據資料，對于這些數據，國內相關從業單位主要還是以人工處理為主，或由人工在線監視、實時判斷發現輸電線路設備的異常情況。人工處理的模式，一方面會增加很大的勞動強度，另一方面個人因素對后期數據的分析質量也會造成不確定的影響。而采用人工在線監視、實時判斷發現輸電線路設備的異常情況，又比較容易遺漏或誤報關鍵信息，因此采用人工處理無人機巡檢數據的方法實際上并不值得繼續推廣。

可喜的是，隨著近些年基于嵌入式系統和圖像處理技術的輸電線故障檢測技術的迅速發展，我們可以讓無人機搭載圖像傳感器和嵌入式處理器，將采集的圖像進行預處理、輸電線識別與定位、輸電線上附件識別，將輸電線從復雜背景中進一步分離出來，再進行導線弧垂監測、絕緣子狀態評估、異物掛線、導線斷股、金具形變等故障檢測，加之對報警信息及分析后的視頻信號進行存儲，以及對存儲數據的快算檢索，并通過GPRS網絡將輸電線狀態實時反饋至地面控制臺。新技術的革新、新產品的研究與推廣，使得無人機巡檢能夠做到有效快速地進行故障檢測和分析，安全便捷地向控制中心提供輸電線路狀況，無論是在輸電線路巡檢質量，還是在巡檢設備承載力上都有了質的飛躍。

4 總結與展望

我們可以清晰的看到，以美國為主的發達國家依托于先進的無人機研發基礎，在無人機電力設施巡檢領域一直處于領先地位?？v觀國內近幾年的無人機發展狀況，各類基于無人機類型產品的科技公司層出不窮，例如大疆、3D Robotics、派諾特、零度、極飛等，這些公司生產的無人機產品更多傾向于民用航拍，國內無人機行業在機身材料革新、位置及姿態傳感技術、無人機地面站技術等方面的發展也是有目共睹的。

但是在電力行業，特別是在輸電線路巡檢方面，由于輸電線路巡檢復雜多變的巡檢環境以及需要基于輸電線路進行無人機任務規劃、無人機禁飛區設置等多方面的特殊功能需求，截至目前國內還沒有專門針對輸電線路巡檢所開發的系統的無人機量化產品。且國內無人機行業還處于硬件開發層面，配合無人機巡檢的地面監控系統，以及后續的數據在線處理、智能識別、診斷技術等類型的軟件技術開發方向的研究還是收獲甚微。

目前電力巡檢監控系統與無人機之間依舊是一對一的工作模式，即一臺地面監控系統只能監控一架巡檢無人機，監控系統和巡檢無人機間的通信策略研究，將會是影響電力用無人機發展的重中之重，如何能夠通過地面監控系統的智能監控，實現多無人機智能、自主和協同巡檢，以便進一步提升巡檢效率，也會成為巡檢用無人機的重點研究方向。隨著電子信息技術的發展，引入具有真正意義上的人工智能計算機視覺分析技術，使巡檢系統具備人眼的識別和人腦的分析能力，利用無人機巡檢系統圖像的仿生視覺處理，我們可以清晰的識別輸電線路的桿塔、導線、附屬設備、弧垂變化等情況，對無人機巡檢數據中重要的缺陷和隱患進行及時、有效的處理，以便提高無人機巡檢水平，減少人為后期巡檢數據處理的工作量。隨著尖端技術的發展和普及，在軍工領域運用較多的激光雷達技術，也將會成為未來電力專用無人機巡檢技術可拓展延伸的方向。我相信，利用數字圖像處理技術實現對巡檢圖像進行預處理功能，實現復雜自然背景下輸電線路及附屬設備的自動提取與識別，實現無人機巡檢數據處理分析的智能化將是國內外電力用無人機發展的必然趨勢。

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作者簡介：王剛（1991-），男，江蘇南通人，本科，助理工程師，從事送電線路方面工作。