無人機在輸電線路巡檢中的應用

蔚曉寧 王敏

【摘 ?要】受制于地形因素，有些線路段無法人工巡檢。直升機技術發展至今已有20多年，這種方法有著不受地理條件限制、巡線速度快的優勢，但是直升機電力巡線的飛行技術屬于精確飛行的范疇，它要求直升機必須沿著輸電線路的走向隨著導線弧垂的起伏保持相對穩定的間距進行飛行。這對飛行員來說無論是在心理上還是在技術上都帶來不小的壓力，沒有經過專門訓練的飛行員很難從事這項飛行業務。人工定期巡線是現階段運用最廣泛的巡線方法，這種方法不但勞動強度大、耗時多，而且效率低下。

【關鍵詞】無人機;輸電線路巡檢應用;

近年來，架空輸電線路規模日益擴大，且絕大部分線路偏遠，巡線工作環境惡劣。隨著數據采集技術的進步以及遙感技術的發展，利用無人直升機多傳感器獲取多源數據，為輸電線路巡線提供了新的途徑。無人機輸電線路巡檢系統不僅可以大幅提高工作效率，還能減少野外工作，降低巡線成本。

一、概述

無人機技術的發展為架空電力線路巡檢提供了新的移動平臺。利用無人機搭載巡檢設備進行巡線，有著傳統巡線方式無法比擬的優勢：①無人駕駛，不會造成人員傷亡，安全性高;②不受地理條件的限制，即使遇到地震、洪澇等自然災害，依然能夠對受災區域的電力線路進行巡檢;③巡線速度快，每小時可達幾十公里。雖然無人機巡線會受到機體載重、天氣以及空域申請等條件的限制，但隨著無人機技術的高速發展和空域管理水平的提高，這些問題都能夠得到解決。將無人機這項技術應用于電力線路巡檢，在無人機平臺上集成電子、通信、圖像識別等多個領域的先進技術，形成一整套無人機巡檢系統，可以彌補人工巡檢的不足，實現對輸電線路的快速、安全巡檢，具有重要的研究價值和良好應用前景。無人機巡檢技術是最近十年才開始發展的一門新興技術，融合了航空、遙感、電子、電力、飛行控制、通信、圖像識別等多個高尖技術領域，實現起來難度比較大，世界范圍內專門研究無人機用于巡線技術的并不多。國內關于無人機巡線研究的報道比較少，研究人員通過對飛行姿態控制系統等硬件平臺開發和多傳感器軟硬件集成研究，利用無人機搭載高清相機和紅外熱成像儀對線路進行拍攝，并通過人工分析視頻和照片，甄別出主要的缺陷和隱患。

二、無人機在輸電線路巡檢中的應用

1.無人機巡檢系統。無人機巡檢系統通常由無人機、通信設備、機載設備和地面站4大子系統組成。無人機巡檢的各部分功能分析如下。對于無人機系統來說，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對電網輸電線路重點部位的拍照取樣，或對輸電線路的全線拍攝。對于無人機機載設備來說，它是無人機獲取輸電線路圖像信息的媒介。對于通信設備來說，它是無人機系統與地面工作站之間的橋梁，接收無人機系統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指令并發送給無人機系統。對于地面工作站來說，它的主要功能是協調無人機的遙測、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。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對電網輸電線路重點部位的拍照取樣，或對輸電線路的全線拍攝同時將采集到的圖像信息由通信設備傳輸到地面終端工作站，工作人員針對取得的圖像結合專家知識分析輸電線路運行狀態，并對可能發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、導線、線路走廊和金具等。

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，需經過前期豐富的理論研究，結合輸電線路現場測試效果，合理地制定規范的無人機線路巡檢流程，1）制定巡檢計劃并審批。在學習線路巡檢方式方法的基礎上，充分了解巡檢任務，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）線路巡檢前期準備。獲取現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、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）現場線路巡檢作業。這一部分主要包括無人機起飛前的準備和飛行巡檢作業2個階段。①無人機起飛前的準備。根據所獲得的桿塔及地標物的精確GPS信息，確定無人機飛行具體巡檢路線。檢查無人機系統，確認無人機處于良好運行狀態，若采用自主巡檢模式，應對巡檢路徑進行航跡路徑規劃。②飛行巡檢作業。使無人機以平穩控制方式按預定巡檢方案飛行，當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。

3.無人機巡檢路徑規劃。當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劃，并將所規劃路徑導入到無人機機體導航系統中。現階段，多采用的線路巡檢路徑規劃方法是操作人員逐點計算飛行路徑，然后將這些路徑數據人工手動事先輸入到機體導航系統中，這種飛行路徑規劃方法對于操作人員的計算技巧要求極為嚴格，且計算中不允許出現差錯，否則會帶來安全隱患。為了有效地規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劃方法。基于遺傳算法來優化無人機輸電線路巡檢路徑的方法，它采用極坐標編碼方式來構造染色體，結合實際無人機巡檢中的約束條件設計遺傳算子，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起飛點、降落點以及線路巡檢作業各目標點經緯度位置信息。在使用無人機進行輸電線路巡檢時，其路徑規劃會受到無人機性能參數和巡檢任務等多種約束條件，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。線路巡檢路徑規劃是在可設定路徑空間中找到符合各約束條件的最優飛行路線，在實際應用中，可由在所設定路徑空間中的一系列路徑節點來計算出總飛行路徑，且任意2個相鄰路徑節點用線段接連。該方法是將無人機線路巡檢路徑規劃問題轉化為路徑適應度函數最小化的問題，可采用單目標優化方法直接優化得出最佳規劃路徑。當然，在無人機路徑規劃中，也可將路徑與其他優化目標（如飛行路徑終點與給定終點之間的距離）一起組成多目標優化模型，利用多目標優化算法得到優化結果。

4.無人機線路巡檢作業中故障診斷與預測。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，且不能處理復雜故障類型。為了快速有效地檢測并發現輸電線路的故障，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。開展故障預測是減少輸電線路突發故障、提高預知維修的重要手段。使用遺傳算法對輸電線路故障進行預測，有效解決了電網輸電線路復雜故障情況下的預測問題。

現階段，無人機巡檢大多依靠相機、攝影機或紅外感光儀器等設備進行監測，且智能化水平不足。雖然無人機巡檢技術有這些不足之處，但其具有非常廣闊的應用前景。無人機巡檢與人工巡檢進行結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。

參考文獻：

[1]徐華東.無人機電力巡線智能避障方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2018.