無人機區(qū)域巡檢電氣化鐵路接觸網(wǎng)預(yù)測分析與前景展望

◇神華新朔鐵路集團公司供電分公司 秦 龍

本文從我國無人機電力巡檢的發(fā)展歷程、無人機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、無人機電力巡檢的優(yōu)勢、無人機的分類適用范圍、技術(shù)特性等多方面，與現(xiàn)階段鐵路接觸網(wǎng)巡檢現(xiàn)狀、無人機運用于接觸網(wǎng)巡檢的技術(shù)優(yōu)勢，詳盡闡述了無人機巡檢電氣化鐵路接觸網(wǎng)的可行性與安全性，并預(yù)測無人機區(qū)域巡檢電氣化鐵路接觸網(wǎng)將成為現(xiàn)實成為鐵路供電系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備，從而實現(xiàn)接觸網(wǎng)巡檢工作的高效和自動化開展。

1 我國電力巡檢的發(fā)展歷程

我國電力巡檢起源于國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司，他們承擔(dān)著全國的電網(wǎng)運營任務(wù)。從最早開始，我國電力巡檢主要以人力巡檢為主，隨著無人機技術(shù)的進(jìn)步與設(shè)備應(yīng)用的快速拓展，出現(xiàn)了載人直升機電力巡檢的方式，而后在2004年我國南方電網(wǎng)公司開始初次試用直升機巡視電力線路，開創(chuàng)了直升機電力巡檢作業(yè)的先河。2015年國家電網(wǎng)系統(tǒng)全面推行直升機、無人機與人力巡檢相協(xié)同的電力巡檢新模式，南方電網(wǎng)公司計劃于2020年基本實現(xiàn)以“機巡為主，人巡為輔”的協(xié)同巡檢新目標(biāo)。

1.1 我國電力巡檢無人機發(fā)展回顧

（1）成立試點項目。2009年國家電網(wǎng)公司立項成立了無人機巡檢專項項目，六年時間內(nèi)各地電力公司不斷試點并獲取實效。2011年南方電網(wǎng)開始試點，四年時間完成了各項調(diào)試與驗收等工作。

（2）部署、試點推廣。2013年制定“在全網(wǎng)逐步推廣輸電線路機巡作業(yè)”部署。3月份開始，國家電網(wǎng)公司出臺輸電線路直升機、無人機和人工協(xié)同巡檢模式試點工作方案。國家電網(wǎng)公司在十個省份推廣新興巡檢模式試點工作。

（3）人巡為主，機巡為輔。2015年，各地試點工作陸續(xù)完成驗收，并總結(jié)試點經(jīng)驗，完善標(biāo)準(zhǔn)體系。2014年，南方電網(wǎng)開始在班組試用多旋翼無人機，以賽促練，開展第一屆多旋翼無人機競賽。

（4）機巡為主，人巡為輔。2015年國家電網(wǎng)系統(tǒng)全面推行直升機、無人機與人工巡檢相協(xié)同的輸電線路巡檢新模式。為提升巡檢效率和質(zhì)量，南方電網(wǎng)公司計劃于2020年基本實現(xiàn)“機巡為主，人巡為輔”的協(xié)同巡檢新目標(biāo)。

1.2 無人機電力巡檢的優(yōu)勢與分類

（1）無人機巡檢的優(yōu)勢。無人機電力巡檢方式可以較好地突破人力巡檢與載人直升機巡檢的局限。與人力巡檢和載人直升機巡檢相比，無人機巡檢有著機動靈活、安全性高、成本低、環(huán)境要求低、便于攜帶和運輸?shù)泉毺貎?yōu)勢。隨著該技術(shù)的日益成熟，無人機將成為輸電網(wǎng)巡線更為有效的工具，無人機合理搭載配置其它資源、提高電力巡檢總效率的優(yōu)勢將不斷顯現(xiàn)，人力巡檢和載人直升機巡檢對無人機巡檢的替代作用將變得越來越小。

（2）無人機電力巡檢的種類與方式。無人機適用于定點巡檢、精細(xì)巡檢、范圍巡檢與其他巡檢。定點巡檢：混凝土桿、鐵塔、基座、斜拉線、變電設(shè)備巡檢。精細(xì)巡檢：防震錘、拉線、耐張線夾、懸垂線夾、連接器、瓷瓶、彈簧銷、絕緣子等巡檢。范圍巡檢：違章樹木、違章建筑、新架線路、新增建筑物、施工、大型設(shè)備移動、偷竊巡檢。其他巡檢：防雷、接地、驚鳥器、警告牌巡檢等。

1.3 無人機的分類與適用范圍

（1）無人機的分類。用于巡檢作業(yè)的無人機，屬于工業(yè)級無人機，按照機身構(gòu)造又可分為：直升無人機、多旋翼無人機、固定翼無人機。

無人直升機分為：中型與小型直升無人機；中型直升無人機：適用于精細(xì)化多任務(wù)中等距離的巡檢工作任務(wù)；小型直升無人機：適用于故障巡檢與短距離、多方位、精細(xì)化巡檢。多旋翼無人機可以分為：四、六、八旋翼無人機。中、小型旋翼機，主要任務(wù)是架線塔體的精細(xì)巡檢，小型多旋翼無人機主要用于3公里之內(nèi)的單塔或多塔巡檢，通常一次可巡檢1～2個塔，并可替代人員登桿檢查等。固定翼無人機分為：中型與小型固定翼；中型固定翼，適用于應(yīng)急巡檢與災(zāi)情普查及大范圍通道巡檢。小型固定翼，適用于小范圍應(yīng)急巡檢、通道巡檢和災(zāi)情普查等。

（2）無人機的適用范圍。在電力巡檢中，直升無人機適用于精細(xì)化多任務(wù)中等距離的巡檢或適用于故障巡檢與短距離、多方位、精細(xì)化巡檢等任務(wù)。固定翼無人機適用于應(yīng)急巡檢與災(zāi)情普查及大范圍通道巡檢。多旋翼無人機則主要適用于精細(xì)巡檢。

1.4 無人機的生產(chǎn)銷售與服務(wù)

電力巡檢無人機的產(chǎn)業(yè)鏈分為上游研發(fā)制造，中游銷售整機和解決方案，下游提供維修保養(yǎng)、培訓(xùn)操作人員等服務(wù)。下游客戶國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司及各分公司等是電力巡檢無人機軟硬件及相關(guān)服務(wù)的主要需求方。

1.5 無人機安全巡檢系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)

（1）無人機巡檢控制系統(tǒng)構(gòu)成。電力線路安全巡檢系統(tǒng)主要由基于遙感技術(shù)的無人機平臺與多傳感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、地面測控站等四個分系統(tǒng)構(gòu)成。

（2）無人機各分控系統(tǒng)功能。無人機平臺及多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)：主要用于巡檢數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)：用于整個系統(tǒng)通信連接，包括機載與地面測控站的信號接收/發(fā)射設(shè)備、通信中繼設(shè)備等，負(fù)責(zé)無人機飛行平臺與地面測控站之間的數(shù)據(jù)通信。地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：用于后期數(shù)據(jù)處理、存儲與應(yīng)用。包括多傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理與集合處理系統(tǒng)等。地面測控站子系統(tǒng)：主要用于無人機飛行狀態(tài)的監(jiān)測和控制、飛行領(lǐng)航、傳感器數(shù)據(jù)獲取方式等的控制，此外對飛行獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；該子系統(tǒng)包括：多傳感器地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)編解碼系統(tǒng)以及實時分析系統(tǒng)、無人機平臺地面控制系統(tǒng)等。

（3）巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。巡檢系統(tǒng)中遙感技術(shù)的應(yīng)用，特別是后期數(shù)據(jù)處理、多傳感器集成等方面，仍處于摸索與研究階段，有待于繼續(xù)深入探索研究與開發(fā)。包括飛行姿態(tài)控制技術(shù)；多傳感器高精度時間同步；線路缺陷、隱患探測技術(shù)；多源控制信息的激光掃描各系統(tǒng)參數(shù)校驗等技術(shù)仍然需要繼續(xù)完善與探索研究。隨著我國無人機技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展和低空空域的開放與管理的進(jìn)步，上述問題在短時期內(nèi)都能得到有效的解決。

2 現(xiàn)階段電氣化鐵路接觸網(wǎng)巡檢現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路運行中至關(guān)重要的系統(tǒng)構(gòu)成，它的運維質(zhì)量與所處狀態(tài)對鐵路運輸能力將產(chǎn)生直接的影響，關(guān)系到該區(qū)段鐵路區(qū)間能否安全可靠運行。為確保電力機車供電安全穩(wěn)定，就應(yīng)加強對接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位、重點設(shè)備的巡視檢查與監(jiān)測管控，增加巡檢次數(shù)，縮短檢查周期時間。傳統(tǒng)的供電接觸網(wǎng)巡視，一般是以人巡為主，結(jié)合工區(qū)以及站段調(diào)度室（技術(shù)室）安排進(jìn)行巡視，以檢測車和傳統(tǒng)工具為主的接觸網(wǎng)巡視檢查模式。技術(shù)、供電部門一直在尋求一種可以擺脫檢測車和傳統(tǒng)工具巡檢的新方式，即能適用于單個接觸網(wǎng)工對局部區(qū)段供電接觸網(wǎng)的巡視任務(wù)。

3 無人機運用于接觸網(wǎng)巡檢的優(yōu)勢

被視為“空中機器人”的無人機，在執(zhí)行電力巡檢中所具備的諸多優(yōu)勢，同樣適用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)巡檢工作，且具備如下優(yōu)勢。

（1）可低空作業(yè)，獲取高清圖像。配備專業(yè)航空攝影儀的衛(wèi)星遙感無人機負(fù)載較小，型體輕便，與傳統(tǒng)航空測量相比，可以低空飛行，甚至貼地飛行，應(yīng)用于接觸網(wǎng)工程時不僅可以巡視監(jiān)控接觸網(wǎng)施工，也可以通過高清圖像觀測腕臂定位裝置安裝工藝及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是否達(dá)標(biāo)。依此可準(zhǔn)確的獲取一桿一檔的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，給施工人員和巡檢人員節(jié)省時間，檢測、施工，精確到點，提高了工作效率。

（2）測量精度高，比例尺在1:1000以上。低空飛行無人機可貼地面飛行，精度可達(dá)0.1 m以上，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)工程航攝在距離地面10 m的高度便可獲得高清晰圖形，可準(zhǔn)確測量出承導(dǎo)線高度，拉出值，側(cè)面限界，跨距，里程等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（3）體積小、起降飛行靈活方便，利于全方位測量。無人機體型輕巧，運用于接觸網(wǎng)工程時，可沿線飛行、繞桿螺旋飛行、空中懸停等，方便的穿梭于上下航線間距小的線路之間進(jìn)行全方位檢測，獲得更詳細(xì)準(zhǔn)確的一桿一檔數(shù)據(jù)。現(xiàn)代航攝無人機采用特殊材料制造，輕便，無需在特殊跑道上起降，可隨處起降，多采用彈射起飛、直升直降、滑跑起飛等方式。

（4）運行成本低，操作簡便。無人機低空航攝系統(tǒng)造價低，費用低，操作人員學(xué)習(xí)培訓(xùn)周期相對較短，無人機系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)簡單，一般場所都能自由起降，無需專用機場。

（5）具有周期短效率高等特點。對于接觸網(wǎng)線路這類長距離巡檢任務(wù)，受天氣因素限制較多，檢測人員來回跑比較麻煩。全野外數(shù)據(jù)采集時，成本比較高，作業(yè)也比較量大。若將無人機遙感系統(tǒng)進(jìn)行實用化、工程化開發(fā)改造，則可利用其快捷機動的優(yōu)勢，在輕陰霧天或在其它風(fēng)雨、雷暴等不良?xì)庀髼l件到來前也能在短時間內(nèi)及時獲取合格的影像信息資料，從而將大量的野外工作轉(zhuǎn)入室內(nèi)，既能提高作業(yè)的安全、效率和精度。同時，也能適度減輕工作人員的勞動強度。

（6）大范圍內(nèi)巡視作業(yè)，接觸網(wǎng)CAD圖紙實物化。無人機航攝憑借其優(yōu)異的靈活性和便捷性，可以很好的完成區(qū)域性的全方位航攝任務(wù)，以及大范圍內(nèi)反復(fù)巡視接觸網(wǎng)作業(yè)情況。經(jīng)過對目標(biāo)區(qū)域航攝后保存下來的圖像數(shù)據(jù)資料，經(jīng)后期處理可以與接觸網(wǎng)設(shè)計圖紙點、線、面一一對應(yīng)。目前國內(nèi)廣鐵集團廣州供電段已開始采用無人機航攝新型作業(yè)方式，通過對既定目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航攝作業(yè)，對管轄范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)供電分段示意圖以及接觸網(wǎng)平面圖轉(zhuǎn)換成了影像資料，并與CAD圖紙點與點對應(yīng)，各個接觸網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備一覽無余，極大的簡便了后期檢修與巡視工作，從曾經(jīng)的大面積巡檢到目前的精準(zhǔn)到點，工作效率得到了極大的提升。

4 無人機在接觸網(wǎng)區(qū)域巡檢中的應(yīng)用與前景展望

無人機輸電線路巡檢作為一種新型技術(shù)，與人工巡檢相比具有許多優(yōu)點。用于電力巡檢無人機的關(guān)鍵技術(shù)已日漸成熟，成本降低，規(guī)模推廣，其適用性、穩(wěn)定性、安全性也在日趨提高。目前，我國一些專業(yè)無人機企業(yè)已經(jīng)研制開發(fā)出了多種型號能夠滿足各種需求的無人機。隨著無人機設(shè)備應(yīng)用的拓展與操控技術(shù)成熟，無人機信息系統(tǒng)與原有的接觸網(wǎng)巡檢信息管理系統(tǒng)可實現(xiàn)有效對接，采用無人機巡檢電氣化鐵路接觸網(wǎng)也將會成為現(xiàn)實，在不久的將來必將涉足本行業(yè)，成為鐵路供電系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備。巡檢效率和質(zhì)量會顯著提高，并可相對降低工人的勞動強度，提升接觸網(wǎng)設(shè)備的運行維護能力。伴隨著多旋翼無人機的不斷發(fā)展，小型無人機將逐步涉足鐵路供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)。首先，無人機的售價和維護成本低于直升機，這使得無人機進(jìn)行接觸網(wǎng)巡檢成為可能。其次，無人機具備實時性，成本低，響應(yīng)快，靈活度高等特點，可出色完成任務(wù)，并且操作難度不大，工人經(jīng)過短期培訓(xùn)都可以掌握。最后，無人機對災(zāi)難預(yù)警、事故預(yù)警可以起到意想不到的作用。因此，無人機的應(yīng)用是接觸網(wǎng)巡檢智能化發(fā)展的有效解決方案。

5 結(jié)語

將無人機技術(shù)應(yīng)用于電力線路巡檢，包含了融合圖像識別、電子、通信等多個技術(shù)系統(tǒng)領(lǐng)域，形成了無人機巡檢系統(tǒng)較為完整的成套技術(shù)體系，可以很大程度減輕電力巡檢人力投入，同時又能安全快捷與精準(zhǔn)地完成巡檢任務(wù)，是一個很具實用價值、很有前途的研發(fā)方向。無人機輕便快捷，它與載人機相比載有先進(jìn)的航測系統(tǒng)，受陰雨霧等惡劣天氣限制較小。它的這些優(yōu)越性能必將成為電力巡檢更為有效的工具。將無人機巡檢通過系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃與智能診斷等軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)，以不斷提升技術(shù)水平和巡檢質(zhì)量。更將擴展它的應(yīng)用范疇，同時增近了無人機區(qū)域巡檢接觸網(wǎng)的可能，奠定了無人機巡檢接觸網(wǎng)的基礎(chǔ)，增強了巡檢自動化綜合能力，無人機巡檢接觸網(wǎng)必將在短期內(nèi)實現(xiàn)，為國家創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益。