關(guān)于風(fēng)電場無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用

邢 濤 趙建芳 姜廷剛 王宇昊

華電山東新能源有限公司 山東 濟(jì)南 250013

1 前言

為了提高發(fā)電效率，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的尺寸越來越大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障點(diǎn)多[2]。所以一旦出現(xiàn)故障問題，處理不及時(shí)，所造成的后果也往往是更加嚴(yán)重。因此電站運(yùn)維團(tuán)隊(duì)需要定期對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行巡檢，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行，提高設(shè)備可利用率。但風(fēng)電場大多地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)機(jī)排布分散，人工巡檢這種模式不僅存在安全性差、工作量大、效率低等問題，而且受觀測角度影響，不能全面及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題。另一方面，風(fēng)電系統(tǒng)24小時(shí)運(yùn)作，特別是有些風(fēng)電場的發(fā)電高峰反而是在夜間，往往需要更多的人力配給，來實(shí)現(xiàn)24小時(shí)持續(xù)性的管理維護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)能力。隨著5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字化工業(yè)技術(shù)手段，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也迎來了轉(zhuǎn)型與變革，智能化、數(shù)字化風(fēng)電運(yùn)維，無人值守少人值班，是風(fēng)電的未來。

本文分析了當(dāng)前風(fēng)電場巡檢技術(shù)現(xiàn)狀，介紹了無人機(jī)自動化巡檢和人工智能數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的解決方案和落地應(yīng)用，對于長時(shí)間的保障風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定、低成本的運(yùn)行，具有極其重要的價(jià)值。

2 風(fēng)電場巡檢技術(shù)

傳統(tǒng)的風(fēng)電場巡檢方式是運(yùn)維人員通過望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)距離觀測或繩索垂降人工近距離檢測，以及在風(fēng)機(jī)附近仔細(xì)聆聽葉片是否有刺耳的異常噪音，憑借經(jīng)驗(yàn)判斷。望遠(yuǎn)鏡觀測無法近距離對風(fēng)機(jī)葉片表面進(jìn)行仔細(xì)的故障排查，很難達(dá)到較高水平的巡檢效果。繩索垂降方法工作效率低，工作人員工作強(qiáng)度高，工作危險(xiǎn)系數(shù)較高[3]。

無人機(jī)可以從空中視野，快速高效地巡查和拍照，通過搭載高清RGB相機(jī)、紅外相機(jī)等載荷，可對特定目標(biāo)多維度、快速、立體化、精準(zhǔn)地完成巡檢工作。由于無人機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢，部分風(fēng)電單位已經(jīng)開始采購應(yīng)用[4]。首先，風(fēng)機(jī)和線路巡檢需要無人機(jī)飛至檢查點(diǎn)附近進(jìn)行觀測，對無人機(jī)操控技術(shù)要求較高，尤其在風(fēng)電場這種復(fù)雜的環(huán)境中，很容易因?yàn)槿藶槭д`而導(dǎo)致墜機(jī)等安全事故，甚至損傷地面設(shè)備和人員。其次，單一的無人機(jī)硬件采購，無法做到與信息化系統(tǒng)對接，隨之帶來業(yè)務(wù)流程脫節(jié)、數(shù)據(jù)無法歸檔等問題。與此同時(shí)，通用的巡檢模式是由運(yùn)維人員對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行人工甄別，工作量大且效率低下[5]。因此，亟需一套智能無人機(jī)+數(shù)據(jù)管理平臺的系統(tǒng)，解決無人機(jī)分級管理、任務(wù)派發(fā)、巡檢取證、數(shù)據(jù)管理、使用監(jiān)督、缺陷識別等問題，充分發(fā)揮無人機(jī)巡檢的優(yōu)勢。

3 智能巡檢無人機(jī)

多旋翼無人機(jī)由于具備懸停和低速飛行能力，并且操控簡易,維修方便,經(jīng)濟(jì)性好，是風(fēng)電廠日常巡檢的理想工具[6]。本方案從抗風(fēng)能力、起飛重量、續(xù)航時(shí)間、成像穩(wěn)定性、操控難度等因素綜合考慮，以大疆經(jīng)緯系列M300 RTK飛行平臺為載體，搭載H20T雙光相機(jī)進(jìn)行無人機(jī)風(fēng)電場巡檢應(yīng)用研究。

無人機(jī)技術(shù)不僅可以用于風(fēng)機(jī)葉片巡檢，在集電桿塔、送出線路的巡檢也可以應(yīng)用。本方案針對風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)巡檢、線路桿塔巡檢兩個(gè)場景開發(fā)了兩套獨(dú)立的自動化航線規(guī)劃算法。操作人員只需將無人機(jī)放到合適的起飛場地，就可以讓無人機(jī)自主起飛并完成全部的巡檢過程，期間巡檢數(shù)據(jù)會通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)自動上傳至云平臺進(jìn)行AI智能識別，云平臺上可以看到無人機(jī)實(shí)時(shí)軌跡和巡檢畫面，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)巡檢和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜詣踊?/p>

3.1 無人機(jī)風(fēng)機(jī)自動化巡檢

巡檢對象：風(fēng)力發(fā)電機(jī)3支葉片的六個(gè)表面、塔筒及吊艙的外部缺陷。

巡檢內(nèi)容：整機(jī)表面是否有裂紋、腐蝕、剝落、雷擊損。

巡檢過程：(1)控制風(fēng)機(jī)停機(jī)，順槳并將葉輪鎖死。(2)無人機(jī)起飛后，飛至風(fēng)機(jī)上方，根據(jù)風(fēng)機(jī)吊艙上的特征點(diǎn)自動計(jì)算出風(fēng)機(jī)朝向，調(diào)整飛機(jī)航向與風(fēng)機(jī)朝向呈180°。自動飛至風(fēng)機(jī)前方80米距離處懸停，以輪轂中心為特征點(diǎn)自動調(diào)整飛機(jī)高度和方位，使其與之對中。同樣在計(jì)算機(jī)視覺的輔助下計(jì)算葉片旋轉(zhuǎn)角，順時(shí)針方向以垂直向上為旋轉(zhuǎn)角0°，葉片一位于0°至120°之間，依次編號葉片二和葉片三。飛機(jī)會根據(jù)葉片旋轉(zhuǎn)角計(jì)算相機(jī)俯仰角，自動切換上/下云臺。(3)無人機(jī)基于以上參數(shù)自動生成航線，并開始風(fēng)機(jī)巡檢作業(yè)。第一個(gè)航點(diǎn)位于葉片一和葉片二夾角中線延長線上點(diǎn)1(至輪轂距離>葉片長度)，在此處對葉片一分5段(從葉尖至葉根)進(jìn)行拍照，完成葉片一迎風(fēng)面的采集，接著在同一位置完成葉片二背風(fēng)面采集。之后無人機(jī)將飛行至點(diǎn)2位置，完成葉片二迎風(fēng)面和葉片三背風(fēng)面采集。無人機(jī)自動重復(fù)以上過程完成3支葉片的全部表面采集過程。(4)葉片采集結(jié)束后將飛行到風(fēng)機(jī)正上方，對吊艙上表面進(jìn)行垂直拍照。飛至吊艙后方對后表面進(jìn)行水平拍照。接著飛機(jī)垂直降低高度，對塔筒背面分5段進(jìn)行懸停拍照。飛機(jī)繞至風(fēng)機(jī)一側(cè)，由下向上對塔筒側(cè)面分5段拍照，在上方對吊艙側(cè)面進(jìn)行拍照。從風(fēng)機(jī)上方繞至另一側(cè)，由上向下進(jìn)行采集，完成吊艙和塔筒另一側(cè)拍照。飛機(jī)回到風(fēng)機(jī)前方，完成塔筒前側(cè)的采集。

圖一 風(fēng)機(jī)葉片巡檢示意圖

圖二 風(fēng)機(jī)吊艙和塔筒巡檢示意圖

(5)降落：作業(yè)結(jié)束后，無人機(jī)將自動返回起飛點(diǎn)自主降落。

3.2 集電桿塔和送出線路通道巡檢 對集電桿塔和送出線路通道的巡檢采用航點(diǎn)學(xué)習(xí)+航點(diǎn)復(fù)飛的方式實(shí)現(xiàn)自動化。航點(diǎn)學(xué)習(xí)過程中，飛機(jī)會記錄下每一個(gè)航點(diǎn)的位置，并在拍照時(shí)同步記錄飛機(jī)位置和攝像頭角度并生成新的航點(diǎn)。記錄下來的航線將保存在本地或云端。執(zhí)行航點(diǎn)復(fù)飛時(shí)，可以從本地和云端加載航線，無人機(jī)可全自動飛行完成航線任務(wù)，無需人工操作。

根據(jù)桿塔安裝位置，在其正上方一定距離設(shè)定航點(diǎn)，沿線路通道進(jìn)行自動飛行。飛機(jī)搭載紅外和可見光雙光攝相機(jī)，用紅外熱成像自動判別異常發(fā)熱點(diǎn)并用可見光檢測細(xì)節(jié)，飛行過程中采用錄像方式保存巡飛視頻，也可直接推流到遠(yuǎn)程大屏中實(shí)時(shí)查看。在特定位置設(shè)置無人機(jī)起、降點(diǎn)，供無人機(jī)單次飛行開始及自動降落用。

4 人工智能缺陷分析識別

無人機(jī)自動巡檢能夠快速地進(jìn)行故障檢測和故障信息確認(rèn)，可以很好地完成風(fēng)機(jī)表面損傷地記錄，然而對缺陷地檢測仍然主要依靠人工才能完成，這并沒有滿足巡檢的真正要求。為了進(jìn)一步提高檢測效率，本方案應(yīng)用了AI圖像識別技術(shù)，能夠更精準(zhǔn)地進(jìn)行缺陷初篩、更快速地分類識別，自動生成分析報(bào)告，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場快速高效的巡檢。

在現(xiàn)場采集到的視頻或照片，經(jīng)過后續(xù)的分析處理，可形成數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行識別模型訓(xùn)練。

缺陷識別內(nèi)容

(1)葉片缺陷識別：對于每張葉片圖片通過模型識別得到該圖片中是否含有缺陷。對于沒有缺陷的圖片,直接過濾掉；對于有故障的圖片,進(jìn)行類別和嚴(yán)重程度的評定[8]。用戶可以通過賬號登錄平臺，查看葉片照片并進(jìn)行缺陷查看、缺陷測量、報(bào)告導(dǎo)出等操作。

(2)集電線塔鳥窩缺陷識別：根據(jù)集電線塔安裝位置，設(shè)定特定的至少兩處拍攝備選航點(diǎn)，無人機(jī)將根據(jù)巡查時(shí)的具體時(shí)間，判定背光拍照點(diǎn)，自動飛行和拍照。圖片將回傳至平臺中由AI算法自動判讀是否有鳥窩缺陷。

5 巡檢數(shù)據(jù)可視化展示

利用傾斜攝影技術(shù)和三維建模軟件對風(fēng)電場的地形地貌進(jìn)行了三維數(shù)字化建模，從而判斷風(fēng)電場場地的變化，如地質(zhì)變化、風(fēng)塔地基沉降、塔筒歪斜等。另外，通過將風(fēng)機(jī)三維模型、無人機(jī)模型、無人機(jī)巡檢航線與現(xiàn)場的同步設(shè)置，可以在平臺上直觀地看到風(fēng)機(jī)朝向、停轉(zhuǎn)角度、無人機(jī)巡檢航線和巡檢進(jìn)度等實(shí)況。結(jié)合無人機(jī)第一視角現(xiàn)場直播畫面，可以在指揮中心完全還原作業(yè)現(xiàn)場，便于統(tǒng)一指揮和決策。

6 結(jié)語

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，風(fēng)電場的無人機(jī)自動巡檢是可以實(shí)現(xiàn)的，能做到全方位無死角、省時(shí)省力省錢地完成風(fēng)機(jī)、桿塔、線路等部件的巡檢任務(wù)。本方案的創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾項(xiàng)：(1)更安全：傳統(tǒng)的無人機(jī)需要距離1米左右，才能進(jìn)行全面檢測[7]。本方案通過使用30倍光學(xué)變焦云臺相機(jī)，可以與風(fēng)機(jī)保持20-30米的安全距離對風(fēng)電場的相關(guān)部件進(jìn)行巡查，避免了飛機(jī)近距離飛行可能帶來的問題。無人機(jī)具有自動避障和全向感知功能，可以360°測距、顯示和報(bào)警，避免突然出現(xiàn)的障礙物造成的碰撞事故。(2)更高效：無人機(jī)所帶成像設(shè)備雖然能在俯仰及水平方向調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)范圍有限。為了覆蓋全部巡查點(diǎn)，需要飛機(jī)調(diào)整位置和航向來獲得合適拍攝角度。本方案使用上下雙云臺相機(jī)，無人機(jī)在同一位置可以從更多角度觀測，極大降低了航點(diǎn)數(shù)量和航線長度，提高了巡檢速度。(3)更智能：無人機(jī)風(fēng)機(jī)自動巡檢的難點(diǎn)之一是風(fēng)機(jī)高度、朝向和葉片旋轉(zhuǎn)角度的判斷。本方案首次實(shí)現(xiàn)了，僅采用視覺手段對風(fēng)機(jī)基本參數(shù)的精準(zhǔn)設(shè)置。另一方面，在缺陷識別中將計(jì)算機(jī)視覺和圖像識別相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了巡檢和缺陷識別的全自動化。

綜上所述，本文中的無人機(jī)智能巡查系統(tǒng)以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，以更精確、更安全、更高水平的自動化、信息化、智能化，提高人員與設(shè)備的安全性，助力智慧風(fēng)場的建設(shè)管理。