架空輸電線路無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡檢關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用

李 凱，徐梅根，湯國(guó)鋒，袁 煒

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司宜春供電分公司，江西宜春 336000；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司新余供電分公司，江西新余 338000）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司全面推廣直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工協(xié)同的輸電線路立體巡檢新模式，輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢得到快速發(fā)展和應(yīng)用。多旋翼無(wú)人機(jī)具有體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單、起降方便等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于220 kV及以下輸電線路巡檢具有很大優(yōu)勢(shì)，并可深入班組規(guī)模應(yīng)用，隨著續(xù)航能力的不斷提升，具有廣闊應(yīng)用前景[1]。

輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢最簡(jiǎn)單的應(yīng)用方式是人工手動(dòng)操控進(jìn)行故障巡視、特殊巡視等，相比于傳統(tǒng)人工巡檢，巡視效率和質(zhì)量極大提升。但人工手動(dòng)操控方式對(duì)操控技能要求高、工作強(qiáng)度大，且有效巡視距離短，巡視效率提升和應(yīng)用范圍受限。為充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)巡檢優(yōu)勢(shì)，降低巡視成本、提高巡視效率，無(wú)人機(jī)程控飛行得到廣泛研究和應(yīng)用。程控飛行只需在智能操控終端導(dǎo)入任務(wù)，無(wú)人機(jī)會(huì)按照預(yù)定航線自主飛行、持續(xù)自動(dòng)拍攝，巡檢照片通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行智能化處理，極大提升了巡檢效率。然而程控飛行巡檢模式仍需要作業(yè)人員始終在野外操作并進(jìn)行大量干預(yù)，不僅轉(zhuǎn)移場(chǎng)地耗時(shí)耗力，而且巡檢數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳回處理分析。

為有效解決現(xiàn)有問(wèn)題，原國(guó)網(wǎng)江西贛西供電公司（已劃轉(zhuǎn)調(diào)整為宜春公司和新余公司）充分應(yīng)用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的無(wú)人機(jī)控制、人工智能、云計(jì)算等相關(guān)前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡視、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸處理分析、成果自動(dòng)上傳共享，全程無(wú)需人工干預(yù)[2-5]。

1 基于人機(jī)協(xié)同巡檢的輸電智能運(yùn)檢模式

目前，宜春公司和新余公司均已實(shí)現(xiàn)可飛行區(qū)域輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢全覆蓋并常態(tài)開(kāi)展。為提高協(xié)同巡檢綜合效率，同步研發(fā)并使用人巡移動(dòng)作業(yè)終端，建設(shè)了輸電線路智能運(yùn)檢管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享和智能化處理，建立了基于“無(wú)人機(jī)+人工”協(xié)同巡檢的輸電智能運(yùn)檢模式，具體見(jiàn)圖1。

圖1 基于人機(jī)協(xié)同巡檢的輸電智能運(yùn)檢模式

2 無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡檢系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡檢系統(tǒng)主要由長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、無(wú)人值守機(jī)場(chǎng)（機(jī)巢）、中央控制系統(tǒng)、云監(jiān)控平臺(tái)組成，見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡檢系統(tǒng)

機(jī)巢主要部署在變電站，由中央控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)從變電站機(jī)巢開(kāi)機(jī)、起飛、按航線自主飛行拍照，完成任務(wù)后在相鄰變電站機(jī)巢精準(zhǔn)降落，巡檢數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)既可以實(shí)時(shí)回傳，也可以降落至機(jī)巢后邊充電邊回傳至中央控制系統(tǒng)，由人工智能圖像識(shí)別模塊進(jìn)行智能處理分析，分析成果自動(dòng)上傳輸電智能運(yùn)檢管控平臺(tái)。

3 無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡檢關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無(wú)人值守技術(shù)

3.1.1 機(jī)巢

機(jī)巢和長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)一起構(gòu)成無(wú)人值守平臺(tái)，機(jī)巢是一款為無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)定向研發(fā)的一體化設(shè)備，可以遠(yuǎn)程控制和傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的狀態(tài)以及任務(wù)前的準(zhǔn)備情況，配合無(wú)人機(jī)完成無(wú)人值守任務(wù)，并為無(wú)人機(jī)提供完整的后勤保障，是無(wú)人值守系統(tǒng)中不可缺少的一部分，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 機(jī)巢模型與實(shí)物

圖4 無(wú)人機(jī)在機(jī)巢起飛和降落示意圖

機(jī)巢具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

1）機(jī)巢嚴(yán)格按照長(zhǎng)期野外靜置的條件研制，采用防拆除、防移動(dòng)、防雷電的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備防水、防潮、恒溫性能，內(nèi)部使用模塊化設(shè)計(jì)，方便后期維護(hù)。

2）機(jī)巢具備無(wú)人機(jī)輔助降落平臺(tái)，保證無(wú)人機(jī)通過(guò)視覺(jué)、RTK定位的方式安全降落，回收后的無(wú)人機(jī)封閉式存放于機(jī)巢內(nèi)部，確保安全。

3）機(jī)巢具備氣象監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)通信功能，巡視時(shí)如果遇到天氣突變，機(jī)巢會(huì)發(fā)出返航指令，控制無(wú)人機(jī)自動(dòng)就近返航回收。機(jī)巢狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至中央控制系統(tǒng)，輔助維護(hù)保養(yǎng)決策。

4）機(jī)巢具備獨(dú)立應(yīng)急電源，即使突然出現(xiàn)斷電情況，也能保證機(jī)巢的正常使用，為無(wú)人機(jī)安全降落和執(zhí)行任務(wù)的安全性保駕護(hù)航。

5）機(jī)巢具備為無(wú)人機(jī)自動(dòng)充電功能，充分保障無(wú)人機(jī)續(xù)航能力。

3.1.2 長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)

長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)（見(jiàn)圖5）是一款為機(jī)巢定向研發(fā)的高端無(wú)人機(jī)，配合機(jī)巢實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守作業(yè)，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

圖5 長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)模型和實(shí)物

1）長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)采用了全新的飛控和動(dòng)力方案，擁有超長(zhǎng)的續(xù)航能力。在正常工作條件下，新型智能電池能夠在30 min之內(nèi)完成充電，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)58 min，單向航程超過(guò)30 km。

2）內(nèi)置飛管計(jì)算機(jī)，由4顆ARM Cortex-A9處理器組成，主頻高達(dá)1.2 GHz，同時(shí)還搭載2 GB DDR3運(yùn)行內(nèi)存和16 GB EMMC存儲(chǔ)空間，具備強(qiáng)大的運(yùn)算能力。還內(nèi)置4G模塊，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和通信。

3）搭載RTK定位系統(tǒng)，可以提供厘米級(jí)精度的定位，同時(shí)雙天線的配置為飛控準(zhǔn)確定向，可提供強(qiáng)大的抗電磁干擾能力，在高壓線、金屬建筑等強(qiáng)磁干擾的環(huán)境下保障可靠的飛行。

4）搭載高清可見(jiàn)光云臺(tái)相機(jī)，最大可達(dá)2010萬(wàn)像素。

3.2 遠(yuǎn)程自主精準(zhǔn)降落技術(shù)

無(wú)人機(jī)具備雷達(dá)測(cè)高、光流測(cè)速等定位技術(shù)，并搭載了RTK定位系統(tǒng)，可以提供厘米級(jí)精度的定位，但是降落過(guò)程受地面效應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，而且機(jī)巢降落平臺(tái)面積小，為確保降落安全和足夠精準(zhǔn)，還配置了視覺(jué)輔助降落系統(tǒng)，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落。

圖6 視覺(jué)輔助降落系統(tǒng)

視覺(jué)輔助降落系統(tǒng)如圖6所示，降落過(guò)程中，機(jī)載高清攝像機(jī)拍攝的實(shí)時(shí)圖像會(huì)傳給機(jī)載飛管計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，自動(dòng)提取標(biāo)識(shí)信息并進(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)時(shí)估計(jì)無(wú)人機(jī)的位置和姿態(tài)，輔助飛控修改策略，控制無(wú)人機(jī)全自主精準(zhǔn)降落。目前降落誤差控制在±3 cm以?xún)?nèi)。

3.3 人工智能圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別模塊內(nèi)置于中央控制系統(tǒng)中，對(duì)傳回的巡檢照片進(jìn)行智能處理分析。圖像識(shí)別采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，具有強(qiáng)大的自學(xué)能力、容錯(cuò)能力，通過(guò)大量樣本訓(xùn)練進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)在圖像中自動(dòng)提取目標(biāo)[6-9]。目前已建立70萬(wàn)張巡檢圖像樣本庫(kù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，可高效識(shí)別施工外破、漂浮物、速生樹(shù)種、鳥(niǎo)窩等缺陷隱患，見(jiàn)圖7。

圖7 巡檢圖像智能識(shí)別

巡檢圖像處理結(jié)果會(huì)自動(dòng)上傳至輸電智能運(yùn)檢管控平臺(tái)進(jìn)行共享和大數(shù)據(jù)分析，危急缺陷可直接形成工單推送到相應(yīng)班組人員的手持移動(dòng)作業(yè)端，極大提高缺陷閉環(huán)效率，見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 輸電智能運(yùn)檢管控平臺(tái)

圖9 移動(dòng)作業(yè)終端

4 實(shí)踐應(yīng)用

2019年，在原國(guó)網(wǎng)贛西供電公司轄區(qū)新余東北部輸電網(wǎng)架密集的地區(qū)，選擇了220 kV馬洪變、獅山變、渝水變?nèi)齻€(gè)變電站部署機(jī)巢開(kāi)展遠(yuǎn)程自主巡檢作業(yè)，覆蓋了新余東北部近400 km架空輸電線路，見(jiàn)圖10。

只要天氣條件允許，無(wú)需人員乘車(chē)到現(xiàn)場(chǎng)，在中央控制室即可一鍵啟動(dòng)任務(wù)遠(yuǎn)程巡檢，可機(jī)群作業(yè)，巡檢成果實(shí)時(shí)自動(dòng)生成并回傳。遠(yuǎn)程自主巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用極大的節(jié)約了人力、物力和時(shí)間，有效破解了電網(wǎng)規(guī)模增長(zhǎng)和運(yùn)檢人員不足的矛盾難題。經(jīng)測(cè)算，若全面應(yīng)用，每年至少可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1 580萬(wàn)元。贛西公司已制定無(wú)人機(jī)巡檢管理制度、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)指導(dǎo)書(shū)共13項(xiàng)，建立了完善的無(wú)人機(jī)巡檢管理體系。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡檢系統(tǒng)融合無(wú)人值守技術(shù)、遠(yuǎn)程自主精準(zhǔn)降落技術(shù)和人工智能圖像識(shí)別技術(shù)三大關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸電線路巡視、數(shù)據(jù)傳輸處理分析無(wú)人自主化和智能化，解決了之前手控或程控?zé)o人機(jī)巡檢過(guò)程中需要耗費(fèi)大量人力物力、人員始終在野外等痛點(diǎn)問(wèn)題，可在電力行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，并可推廣至電信、石油等其他行業(yè)，有廣闊的應(yīng)用前景。此外，基于人機(jī)協(xié)同巡檢的輸電智能運(yùn)檢模式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)檢數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析和可控預(yù)警，為運(yùn)檢管理決策提供有力支撐，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指揮及決策的高度智能化和集約化，大幅提升設(shè)備狀態(tài)管控能力和班組管理穿透力。