輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統研發與應用

陶雄俊 阮峻 王飛 李紅盛

【摘 要】受輸電線路精細化內容和要求的限制，人工操控無人機由于操作水平的不同，使得無人機精細化巡檢的拍攝位置、高度、部位、順序、質量等因人而異，規范性較差，這不僅增加了巡視的安全風險，還加大了缺陷分析的難度。本文針對輸電線路精細化巡檢的內容和要求，采用智能飛行控制技術和機器學習算法，自主研發了一款針對輸電線路無人機精細化巡檢的自動駕駛系統。該系統通過利用搭載RTK的無人機，可自動記錄無人機巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過程信息，形成全自動化桿塔精細化空中飛行巡視采集作業流程，實現無人機輸電線路的自動精細化巡檢。

【關鍵詞】輸電線路;精細化巡檢;自動駕駛系統

隨著高等級輸電線路的不斷發展，輸電線路的精細化巡檢作業對維護區域電網的安全、穩定和高效運行越來越重要，也是電網運行的當務之急。輸電線路跨區域分布，點多面廣，所處地形復雜，自然環境惡劣，輸電線路設備長期暴露在野外，受到持續的機械張力、雷擊閃電、材料老化、覆冰以及人為因素的影響容易造成倒塌、斷股、磨損、腐蝕和舞動等現象，絕緣子還存在被雷擊損傷、樹木生長引起高壓放電以及絕緣劣化而導致輸電線路事故，桿塔存在被偷盜等意外事件。傳統的人工輸電線路精細化巡檢工作強度大、時效差、巡視效果差，難以多方位觀察線路本體、線路附屬設備、桿塔本體、塔上附屬設備的狀況，需要巡檢人員爬塔，并借助輔助器材對電力設施進行近距離巡視，對人身安全構成很大威脅。無人機技術的發展和通航領域政策的逐步放開，有效地解決了電力巡檢的難題，推進了傳統人工巡檢模式向機巡模式的轉變。

1.無人機精細化巡檢現狀

隨著無人機市場的不斷擴大和無人機精細化巡檢的不斷深入，多旋翼無人機由于靈活快速、安全性高、操作簡單、具有中、近距離的定點和機動巡查等特點，通過搭建RTK高精度定位模塊，可實現輸電線路的精細化巡檢。無人機飛手通過采用人工操控多旋翼無人機的方式進行精細化巡檢，由于操作水平的不同，無人機的拍攝位置、高度、部位、順序等均會有較大差異，每次的拍攝質量也因人而異，規范性較差，這不僅增加了巡視的安全風險，還使得后續缺陷分析的難度加大。為有效地解決上述問題，本文基于輸電線路精細化巡檢的內容和要求，采用智能飛行控制技術和機器學習算法，自主研發了一款針對輸電線路無人機精細化巡檢的自動駕駛系統，以減少人工操作，降低職業門檻，保證飛機的飛行安全，減少事故率，實現無人機輸電線路的自動精細化巡檢。

2.輸電線路精細化巡檢方法及內容

2.1 輸電線路精細化巡檢方法

電力巡檢是指對電力線路及附屬設備的運行狀態以及對電力線路走廊周邊環境狀況進行及時和準確的巡視檢測，通過排查發現故障點及危及電力安全的潛在隱患并進行有效排除，確保輸電線路安全可靠運行。目前，常用的電力巡檢方法有傳統人工巡檢、特種機器人巡檢、載人直升機巡檢、固定翼無人機巡檢、多旋翼無人機巡檢等，各種巡檢方法的優缺點對比如下。

通過對比分析可知，將無人機應用于電力巡檢，可以大幅度減輕電力巡檢方面的各項投入，降低人工成本和勞動強度，提高工作效率，保障作業安全，解決傳統巡線中所遇到的困難，有利于推動智能電網數字化建設，實現安全、高效、精細、經濟的電力巡檢目的。電力巡檢主要包括線路外界環境巡視、線路通道巡視、線路設備巡視等。其中線路設備巡視包含桿塔基礎、接地裝置、桿塔本體、導地線、絕緣子、金具及附件、標志牌等非常多的設備部件，為了保證這些部件的良好狀態運行，需要線路運維工作人員對這些設備進行精細化巡視，發現缺陷、及時檢修、消除隱患。由于線路設備主要分布在鐵塔和導地線上，需要運維巡檢人員翻山越嶺到達塔位、導地線下，爬上鐵塔逐一查看，工作量極大。

多旋翼無人機能夠搭載相機和紅外等任務設備在空中對巡視線路進行中、近距離的定點和機動巡查，通過搭建自主研發的RTK高精度定位模塊，可實現輸電線路的精細化巡檢。該方法靈活、快速、安全性高、操作簡單、便于攜帶、環保無污染、運行與維護成本低、不受地形、環境等條件制約。因此本文采用多旋翼無人機進行輸電線路精細化巡檢的研究，具體參數如下。

2.2 輸電線路精細化巡檢內容

無人機技術的發展大大減輕了電力巡檢人員的作業負擔，通過多旋翼無人機精細化巡檢可以清楚判斷輸電線路的重要部件是否受到損壞，保證輸電線路的安全，保障居民用電。多旋翼無人機精細化巡檢通常用于220kV及以上輸電線路的架空輸電線路巡檢，主要巡檢方式為拍照、錄像等，巡檢對象為線路本體、線路附屬設備、桿塔本體和塔上附屬設備。巡檢內容具體如下：1）輸電線路本體導地線損傷、松股、斷股、跳股、補修、綁扎、線松散、弧垂偏差過大等;2）桿塔本體傾斜、倒塌、塔材被盜缺失、塔基災害、移動等;3）塔上線路金具線夾斷裂、裂紋、磨損、銷釘脫落或嚴重腐蝕;均壓環、屏蔽環燒傷、螺栓松動;防震錘跑位、脫落、嚴重銹蝕、阻尼線變形、燒傷;間隔棒松脫、變形或離位;各種連扳、連接環、調整板損傷、裂紋等;金具銹蝕、變形、磨損、裂紋，開口銷及彈簧銷缺損或脫出;4）塔上絕緣子與瓷橫擔臟污，瓷質裂紋、破碎，鋼化玻璃絕緣子爆裂，絕緣子鐵帽及鋼腳銹蝕，鋼腳彎曲;合成絕緣子傘裙破裂、燒傷;絕緣子與絕緣橫擔有閃絡痕跡和局部火花放電留下的痕跡;絕緣子串、絕緣橫擔偏斜;絕緣橫擔綁線松動、斷股、燒傷;絕緣子槽口、鋼腳、鎖緊銷不配合，鎖緊銷子退出等;重要交跨是否采用了獨立懸掛點的雙串絕緣子;5）防鳥裝置、監測裝置缺失、破損、變形、螺栓松脫等。

多旋翼無人機精細化巡檢分為正常巡檢、故障巡檢和特殊巡檢。其中，正常巡檢主要對輸電線路導線、地線和桿塔上部的塔材、金具、絕緣子、附屬設施、線路走廊等進行常規性檢查。巡檢時根據線路運行情況、檢查要求，選擇性搭載相應的檢測設備進行可見光巡檢、紅外巡檢;故障巡檢主要是線路發生故障后，根據故障信息，確定重點巡檢區段和部位，采用無人直升機查找故障點及其他異常情況;特殊巡檢主要是根據季節特點、設備內外部環境及特殊生產需要做出的加強性、防范性及針對性巡檢，如鳥害巡檢、樹竹巡檢、防火燒山巡檢、外破巡檢、災后巡檢等。除正常巡檢、故障巡檢、特殊巡檢外，還可將無人機應用在電網災后故障巡檢。當災害導致道路受阻、人員無法巡檢時，無人機可以發揮替代作用，開展輸電線路巡查，準確定位桿塔、線路故障，且視角更廣，能避免“盲點”。無人機巡檢提高了電力維護和檢修的速度和效率，使許多工作能在完全帶電的情況下迅速完成，比人工巡檢效率高出數十倍。

2.3 輸電線路精細化巡檢要求

多旋翼在保證最小安全距離的情況下，通過無人機對桿塔各個巡檢部位進行可見光拍攝，照片像素為2400萬，最終成像效果能清晰分辨出螺栓及開口銷細節。根據架空輸電線路實際運行情況，結合不同塔型作業經驗，本文將架空輸電線路精細化巡檢的照片數量劃定為單回路直線塔至少14張、單回路耐張塔至少27張、雙回路直線塔至少25張、多回路耐張塔至少40張、單回路換位塔至少30張、雙回路換位塔至少50張。下面僅以單回路杯型直線塔（表3）及雙回路“干”字型塔為例詳細說明拍攝部位及巡檢效果（表4）。

3.輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統研發

輸電線路無人機精細化巡檢通常采用人工操作RTK高精度定位多旋翼無人機的方式進行，但由于人為操作的影響，無人機的拍攝位置、高度很難準確地到達指定位置和高度，每次的拍攝質量因人而異，規范性較差，受到人員操控技術的限制，拍攝的部位、順序等均會有較大差異，這不僅增加了巡視的安全風險，還導致后續缺陷分析的難度加大。為有效地解決上述問題，本文基于輸電線路精細化巡檢的內容和要求，采用智能飛行控制技術和機器學習算法，研發了輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統。

輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統是基于Android移動操作系統和大疆SDK自主研發的、針對輸電線路精細化巡檢的作業特點深度定制的無人機自動駕駛系統。系統首先采用智能飛行控制技術人工操控無人機進行精細化巡檢，無人機控制程序將自動記錄人工操控無人機巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過程信息，詳細記錄巡視路徑節點，并通過優化處理剔除無效飛行，優化拍攝方法，調整每個位置相機方向、角度、拍攝順序，刪除多余拍攝，形成每個點位的最佳采集方案，存貯在系統中，形成機器學習的全自動化桿塔精細化空中飛行巡視采集作業流程。后續可通過程序控制實現無人機自動進行輸電線路的精細化巡檢，實現無人機的自動化、智能化操作控制，減少人工操作，降低職業門檻，保證飛機的飛行安全，減少事故率。此外，還可以一個架次巡視多基鐵塔，實現超視距飛行，避免依靠人工視覺定位。系統功能分為數據采集、模式切換、任務管理和飛行記錄四大模塊，具體功能如下。

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要用于精細化巡檢作業的顯示，內置Google地圖和高德地圖兩種互聯網主流地圖，每種地圖均包含常用路網地圖或衛星影像地圖，可通過地圖切換完成轉換顯示。提供快速定位功能，當設備連接時，定位功能進行的是無人機定位;當設備未連接時，定位功能進行的是手機定位。在無人機的飛行過程中，可實時顯示無人機在飛行過程中的位置、視頻以及各種姿態參數等信息，并提供GPS信號強度、衛星數量、圖傳信號強度、遙控器信號強度、電量、云臺角度、飛行高度、飛行距離、飛行速度、垂直速度、飛行時長、曝光數量、曝光補償、相機模式等參數的顯示功能。此外，還提供實時天氣預報功能和禁飛區提示功能（圖1）。

3.2 精細巡視模塊

精細巡視模塊分為學習模式和巡檢模式。學習模式可以記錄飛行的軌跡和拍攝位置，記錄下來的信息將會在巡檢模式中作為飛行依據，而巡檢模式可以按照學習模式記錄下來的信息進行自動飛行。該模塊具備KML或者Excel格式的桿塔坐標位置導入功能，可以新增桿塔、追加桿塔、刪除桿塔、保存單點桿塔的飛行路徑，還可同時保存多個桿塔的飛行路徑，并將其保存為KML文件。為確保每個巡視人員能夠安全操作無人機進行精細化巡視，可以在學習模式下由有經驗的巡視人員先控制無人機進行巡視，完成之后由其他的非專業巡視人員在巡檢模式下按照學習模式記錄的軌跡和拍照位置進行自動化巡檢（圖2）。

3.3 任務管理模塊

任務管理模塊用于記錄所有飛行任務的名稱、日期、高度、重疊度、航線規劃以及完成狀態，支持任務的預覽、刪除、編輯、上傳、斷點續飛等功能。提供影像預覽、上傳圖像、拼接圖像、刪除任務等功能，可以通過藍牙將任務的信息同步到其他移動端，也可以將影像數據上傳到云端或者傳輸到深度影像處理系統中進行處理（圖3）。

3.4 飛行記錄模塊

飛行記錄模塊具有飛行記錄預覽、飛行信息統計、飛行記錄查看、飛行記錄刪除等功能，可查看每次飛行任務的日期、經度、緯度、里程、飛行時長等基本信息，提供該架無人機的總飛行時間、里程、次數等統計信息，并可瀏覽、刪除飛行記錄（圖4）。

4.輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統應用

基于多旋翼無人機，利用研發的輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統，在廣東省廣州市黃浦區沖坑尾對某220KV的輸電線路進行精細化自動巡檢測試應用，獲取的精細化巡檢影像如圖5所示。輸電線路精細巡檢數據的獲取是進行桿塔缺陷隱患分析的前提和基礎，將本文獲取的精細化巡檢數據應用于桿塔的缺陷隱患分析中，可實現缺陷隱患的自動識別與分類，缺陷自動識別的結果如圖6所示。

結果表明，輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統具有高精度定位、航線自動規劃、一鍵起飛、自主作業、自動返航、斷點續飛、智能避障等特點，可有效地完成精細化的輸電線路無人機巡視作業，保證作業安全。利用無人機自動駕駛系統采集得到的影像數據質量好，距離桿塔近，能夠清楚的展示桿塔的部件信息，將其應用于缺陷隱患識別軟件中，可實現缺陷的自動識別，具有較高的效率。由此可知，本文研發的輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統對于無人機輸電線路的精細化巡視作業具有良好的適用性。

5.結論

本系統具有高精度定位、航線自動規劃、一鍵起飛、自主作業、自動返航、斷點續飛、智能避障等特點，可有效地解決受無人機飛手水平影響而造成的拍攝位置、高度、質量、順序等不一致的問題，保障作業安全。輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統具有數據采集、模式切換、任務管理和飛行記錄四大模塊，可自動記錄人工操控無人機巡檢的起飛位置、桿塔部位的選定位置、拍攝角度等全過程信息，詳細記錄巡視路徑節點，形成每個點位的最佳采集方案，并存貯在系統中，形成機器學習的全自動化桿塔精細化空中飛行巡視采集作業流程。利用輸電線路無人機精細化巡檢自動駕駛系統對在廣東省廣州市黃浦區沖坑尾某220KV的輸電線路進行精細化自動巡檢測試應用。結果表明，利用無人機自動駕駛系統采集得到的影像數據質量好，距離桿塔近，能夠清楚的展示桿塔的部件信息，將其應用于缺陷隱患識別軟件中，可實現缺陷的自動識別，具有較高的效率。

參考文獻：

[1]吳洪昊.基于電力巡檢的無人機導航系統[D].安徽理工大碩論，2017.

[2]王志剛.旋翼無人機應用于高壓輸電線路的巡檢[J].技術與市場，2018（10）：140-141.

[3]李建峰等.無人機在輸電線路巡檢中的應用[J].電網與清潔能源，2017（08）：62-65.

[4]劉典安.輸電線路無人機巡檢作業管理系統[J].農村電氣化，2017（08）：46-47.

[5]程耀鴻等.無人機巡檢精細化管理[J].中國新技術新產品，2016（19）：120-121.

作者簡介：

陶雄?。?983-），男，漢族，湖北孝感市人，學士學歷，中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局輸電管理所班長，主要研究方向：特高壓直流輸電線路運行與維護工作。

（作者單位：1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局;2.廣州地理研究所）