無人機智能巡檢在輸電線路中的應(yīng)用與發(fā)展研究

(國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著成都電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，對線路的運行維護效率和安全水平提出了更高的要求。成都電網(wǎng)所轄約30%的輸電線路分布于丘陵、山區(qū)地帶，巡視環(huán)境較為惡劣，給線路的運行維護帶來了較大的困難。同時，輸電線路的運行維護人員日趨老齡化，難以適應(yīng)輸電線路運行維護日益增長的安全需求，因此尋求新的線路運行維護模式并實現(xiàn)線路運行維護的智能化具有十分重要的意義[1-8]。

傳統(tǒng)人工巡視勞動強度高、作業(yè)安全風(fēng)險大、缺陷識別率和精確率低下且易受天氣和地形等的影響，遠遠不能適應(yīng)當(dāng)今泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的需求。無人機智能巡檢通過搭載物聯(lián)網(wǎng)裝置(包括激光雷達、攝像機、紅外測溫儀等)實現(xiàn)了對輸電線路運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的高效收集，對缺陷的精準(zhǔn)識別，有效地提高了線路的安全運行水平。相比傳統(tǒng)人工巡視，無人機智能巡檢效率提高了2.5倍，一定程度上緩解了線路運行維護人員不足的困境。隨著無人機新技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機智能巡檢將逐步替代人工巡視成為線路運行維護的主要手段。

下面首先簡述了無人機在輸電運行檢修中的應(yīng)用成果，然后分析了無人機智能巡檢發(fā)展中的各種制約因素，探討了實現(xiàn)無人機巡檢智能化的關(guān)鍵技術(shù)，為無人機巡檢在線路運行維護中的深化使用提供參考。

1 無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

1.1 桿塔本體的精細(xì)化巡檢

通過無人機搭載高清攝像頭，對桿塔絕緣子串、連接金具、保護金具等重要部件進行拍照，以第一視角完成對桿塔本體的精細(xì)化巡檢。桿塔精細(xì)化巡檢主要包括人工純手動飛巡和無人機自主巡檢兩種方式。人工純手動飛巡效率比較低，具有一定安全風(fēng)險，且對無人機巡檢作業(yè)人員(以下簡稱飛手)的飛行技能要求比較高，很難做到圖像拍攝的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化。因此，純手動飛巡目前正逐漸被自主巡檢所替代[9]。

圖1 無人機自主精細(xì)化巡檢

無人機自主巡檢按照不同的技術(shù)路線分為人工示教航線規(guī)劃和激光三維建模航線規(guī)劃兩種。人工示教為通過手動飛行記錄航拍點，再通過深度學(xué)習(xí)算法優(yōu)化拍照位置，形成平滑連接的飛行航線。激光三維建模航線規(guī)劃通過對輸電線路進行激光點云三維建模，規(guī)劃最精準(zhǔn)、高效的巡檢路徑，自主完成桿塔巡檢。

在輸電線路的航跡規(guī)劃中，人工示教對飛手的技能要求更高，而激光三維建模的數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。但是采用激光三維建模的方法，得到的線路信息更全面，且可進行不同拍照點和拍攝角度的調(diào)整以及航點的優(yōu)化重組。兩種方法的優(yōu)劣對比如表1所示。

表1 人工示教與激光三維建模航線規(guī)劃的對比

目前，人工示教和激光三維建模航線規(guī)劃得到的應(yīng)用都比較多，總體經(jīng)濟成本也相差不大，可以根據(jù)自身具備的條件及實際需求來選擇合適的航跡規(guī)劃方案。但從長遠看來，激光三維建模航線規(guī)劃的數(shù)據(jù)優(yōu)勢會越來越突出。

1.2 通道樹障測距

目前，輸電線路通道樹障測距可采用激光掃描和可見光兩種方法。

激光掃描樹障測距是通過無人機搭載激光雷達對線路通道進行三維建模，并對電力導(dǎo)線和植被進行不同顏色的渲染，明確導(dǎo)線和線下樹木的絕對坐標(biāo)，從而獲取線路和樹木之間的精確距離。

圖2 輸電線路通道激光三維建模

可見光樹障測距是采用RTK技術(shù)采集桿塔坐標(biāo)，在保證地面分辨率和飛行安全的情況下，自主規(guī)劃巡檢航線對線路通道進行正射拍攝，通過空三加密解算等實現(xiàn)導(dǎo)線和地面植被相對位置的計算。

圖3 輸電線路可見光樹障測距

目前，激光樹障測距測量精度高，高程誤差僅為±10 cm，且后續(xù)數(shù)據(jù)處理速度快，但經(jīng)濟成本較高，在經(jīng)濟欠發(fā)達的地區(qū)推廣較難。可見光樹障測距成本低廉，但數(shù)據(jù)處理耗時多，且測量精度較低，不利于樹障隱患的及時發(fā)現(xiàn)和管控。兩種方法的對比情況如表2所示。

表2 激光與可見光樹障測距的對比

隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展和市場的推廣，激光樹障測距的優(yōu)勢會越來越突出，將得到電力公司等越來越多的青睞。

1.3 輸電線路應(yīng)急搶險

采用無人機新技術(shù)，能夠及時深入一線災(zāi)害現(xiàn)場，為快速搶險提供第一手資料，提高線路應(yīng)急搶險的效率。如某供電公司110 kV線路桿塔所在區(qū)域發(fā)生山體滑坡，人員無法到達現(xiàn)場，使用無人機現(xiàn)場飛巡及時發(fā)現(xiàn)了桿塔基礎(chǔ)邊緣5 m處，有一條長幾十米、深6～7 m左右的壕溝，如圖4所示。這為搶險方案的制定提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖4 110 kV某線路區(qū)域發(fā)生山體滑坡

此外，采用無人機搭載照明等裝置可為線路搶修提供應(yīng)急照明。如無人機對220 kV某線夜間更換架空地線進行持續(xù)3 h的搶修照明，如圖5所示，有效地保證了施工的安全進行。

圖5 220 kV某線路夜間更換架空地線

隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展與日趨成熟，其應(yīng)用將越來越廣泛，無人機智能巡檢模式將逐步取代傳統(tǒng)的人工運檢模式。

2 無人機巡檢發(fā)展中的制約因素

1)飛巡空域限制條件多

一是空域管制嚴(yán)格，申請流程復(fù)雜且周期長；二是空域管制機構(gòu)多且多重管制區(qū)域劃分不明確；三是部分適航區(qū)軍事活動頻繁；四是空域管制機構(gòu)人員少且通訊占線率高。應(yīng)優(yōu)化空域申請的管理流程，提高飛巡空域的申請效率。

2)無人機續(xù)航能力低

目前，純電動無人機續(xù)航時間一般在30 min左右，不能滿足連續(xù)大檔距的輸電線路巡檢作業(yè)要求。對于油電混合的無人機，續(xù)航能力可達到2 h左右，但由于油電混合無人機體積較大，不方便單人作業(yè)且有發(fā)生爆炸的危險，故目前的推廣使用受到較大的約束。

3)無人機圖傳距離短

現(xiàn)市場上比較成熟的大疆系列無人機圖像傳輸距離理想狀態(tài)下一般在3～7 km，但在城區(qū)及近郊等地方，由于受到信號干擾以及建筑物的影響，只能保持2 km左右的圖像傳輸。對于無人機桿塔巡檢，當(dāng)線下樹木植被較高時，將進一步影響圖像傳輸效果，導(dǎo)致圖像傳輸距離不到1 km，嚴(yán)重制約了無人機巡檢的質(zhì)量。

4)自主巡檢RTK通訊鏈路信號差

無人機桿塔精細(xì)化自主巡檢需要較強的RTK網(wǎng)絡(luò)信號，但由于輸電線路所處地區(qū)比較偏遠，網(wǎng)絡(luò)信號一般比較弱，很難滿足自主巡檢的要求，嚴(yán)重阻礙了無人機自主巡檢的進程。

5)手動無人機電力巡檢效果欠佳

電力巡檢因其具有高電壓的風(fēng)險，需要專業(yè)的電力培訓(xùn)和無人機飛巡實踐才可實現(xiàn)輸電線路通道和桿塔本體的精準(zhǔn)飛巡，采集到滿足生產(chǎn)需求的圖像數(shù)據(jù)。但由于受到輸電線路運維人員年齡結(jié)構(gòu)偏大、學(xué)習(xí)新技術(shù)能力較差等的制約，目前輸電線路的人工飛巡技能一直處于較低的行業(yè)水平。

6)數(shù)據(jù)存儲容量嚴(yán)重不足

通過統(tǒng)計某電力公司一運維班組3個小組6名運維人員年度桿塔精細(xì)化巡檢和通道巡視的影像數(shù)據(jù)量大小發(fā)現(xiàn)，每個班組需要存儲的數(shù)據(jù)達到84 TB(其中通道巡視視頻所需容量為2 GB/檔×40檔/(組×天)×3組×20天/月×12月≈60 TB，桿塔精細(xì)化巡檢照片大小為0.2 GB/基×1100基≈0.2 TB，年度A、B類樹竹隱患通道掃描數(shù)據(jù)量為180檔×5 GB/(次×檔)×2次/月×12月≈24 TB)。同時，為了保證數(shù)據(jù)的安全可靠以及后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘，對部分?jǐn)?shù)據(jù)需要備份操作，故目前數(shù)據(jù)的存儲容量基本不能支撐無人機巡檢大規(guī)模的發(fā)展。可考慮配置大容量分布式陣列存儲器解決以上問題。

7)人工缺陷隱患判別工作量大

按照國網(wǎng)運行維護管理規(guī)定，對上述班組采集的圖片數(shù)量估計，年度精細(xì)化巡檢圖片數(shù)據(jù)量為1100基×30張/基≈3.3萬張，通道巡視視頻為60 TB。同時，通道A、B類樹障測距數(shù)據(jù)處理時間需約360 h(180檔×1 h/檔×12=2160 h)，給人工缺陷隱患的判別帶來巨大的工作量。

3 無人機智能巡檢的未來發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

隨著泛在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用將得到越來越多的重視。無人機巡檢將逐漸替代單一傳統(tǒng)人工巡視，解放人員勞動力，降低線路運行維護成本，實現(xiàn)線路本體運行狀態(tài)的精準(zhǔn)把控，提高線路抗風(fēng)險水平[10-12]。

無人機巡檢提高了線路運行維護的效率，但仍存在續(xù)航能力不足、圖像缺陷識別差異性大等明顯不足，未來將主要從以下幾方面實現(xiàn)輸電線路運行維護的自主化、智能化。

3.1 “巢-巢”巡檢新模式

對于線路距離較短、供電密度較大的區(qū)域，選擇有條件的變電站部署無人機機巢(如圖6所示)。結(jié)合激光導(dǎo)航、視覺識別、RTK精確定位等技術(shù)，實現(xiàn)無人機巡檢過程中的精準(zhǔn)降落、自主更換電池、快速充放電等操作。通過遠程指令實現(xiàn)“巢-巢”之間的接力續(xù)航和無人機的自主巡檢，從而解決了無人機續(xù)航能力低的問題，并保證了重要負(fù)荷地區(qū)輸電線路的高可靠性運行維護。

對于分布比較偏遠、距離較長的線路，部署無人機機巢將需要巨大的經(jīng)濟成本和維護費用，故主要采用人工操控?zé)o人機配置移動充電車輛(如圖7所示)進行桿塔本體精細(xì)化巡檢，并結(jié)合固定翼無人機進行遠距離通道巡視。

3.2 “5G+”通信實現(xiàn)低延遲自主巡檢

目前，無人機自主巡檢主要依賴于4G網(wǎng)絡(luò)信號，控制信號存在200 ms左右的延遲，不利于無人機的精準(zhǔn)懸停和對桿塔本體部件位置的精準(zhǔn)拍攝，同時易造成無人機在飛行中出現(xiàn)碰撞等事故。因此利用5G通信技術(shù)低延遲、高效的優(yōu)勢，將更加有利于無人機自主巡檢影像數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集以及巡檢過程的安全可靠，解決了自主巡檢中RTK通訊鏈路信號差的問題。

圖6 無人機機巢

圖7 移動充電車輛

3.3 超短波遠程高清圖傳技術(shù)

為了保證無人機巡檢圖像傳輸?shù)男剩瑹o人機通常采用壓縮算法對圖像進行壓縮，因此無法保證圖像的清晰度。同時，目前無人機的圖傳距離尚不能滿足遠距離自主巡檢的需求，且容易受到周圍無線電信號的干擾，故選擇合適的圖像傳輸技術(shù)對于缺陷的及時發(fā)現(xiàn)具有十分重要的意義。超短波通信因其傳輸性能好、頻帶較寬等優(yōu)點，目前正逐漸應(yīng)用于無人機的遠距離高清圖傳。

3.4 圖像缺陷的全過程實時智能識別

大量的機巡作業(yè)使得采集到的線路影像數(shù)據(jù)呈幾何級增長，給人眼對圖像缺陷的識別帶來巨大的工作量，很難保證缺陷的精準(zhǔn)識別和缺陷識別的實時性。在條件合適的變電站、供電所、機巢等部署邊緣計算處理器，將傳輸至此的機巡作業(yè)圖像數(shù)據(jù)進行AI識別預(yù)處理，篩選大類明顯缺陷并將統(tǒng)計信息發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)處理中心，同時將其他圖像數(shù)據(jù)進行流式計算，采用更精確的人工智能算法實現(xiàn)對細(xì)小缺陷的精準(zhǔn)識別，保證缺陷識別的實時性和可靠性。

4 結(jié) 語

現(xiàn)階段無人機巡檢仍然主要依賴于搭載攝像機、紅外測溫掛件等對線路進行狀態(tài)監(jiān)測，雖然智能化水平不足，但仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著無人機機巢技術(shù)、圖像智能識別技術(shù)、超短波通信技術(shù)、邊緣計算等的快速發(fā)展，將逐步實現(xiàn)輸電線路的無人機全線自主巡檢、圖像的實時傳輸、缺陷的智能識別、缺陷的實時上報等全天候、全天時、全自動的線路運行維護，進一步提高線路運維效率和質(zhì)量，增強線路智能化運行維護水平。