無(wú)人機(jī)在電力工程全生命周期中的應(yīng)用

樂(lè)志豪

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

0 引言

無(wú)人機(jī)硬件的發(fā)展和軟件技術(shù)的不斷完善，使得搭載各種傳感器獲取空間數(shù)據(jù)的能力得到大幅提升。無(wú)人機(jī)的使用成本低，獲得的數(shù)據(jù)精度高，在工程領(lǐng)域的運(yùn)用也不斷成熟，在項(xiàng)目建設(shè)的各個(gè)階段發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。電力行業(yè)對(duì)項(xiàng)目全過(guò)程化管理需求，項(xiàng)目的全生命周期綜合管理成為當(dāng)前電力設(shè)計(jì)企業(yè)轉(zhuǎn)型的迫切需求，原有的單要素、碎片化、單過(guò)程的資源管理方式難以滿足管理提升的需求，急需在技術(shù)上從二維到三維的轉(zhuǎn)變。工程項(xiàng)目建設(shè)對(duì)無(wú)人機(jī)的需求也從單一的拍照、攝像、展示等應(yīng)用，深入到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的各個(gè)階段，工程項(xiàng)目生命周期各階段的無(wú)人機(jī)需求如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目生命周期各階段的無(wú)人機(jī)需求

很多學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)在電力工程中的應(yīng)用做了大量的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用。許粲玲[1]等對(duì)無(wú)人機(jī)智能技術(shù)在新能源工程管理中的應(yīng)用前景進(jìn)行了論述。周冰[2]等在電廠地形圖測(cè)量中應(yīng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行勘測(cè)作業(yè)，并對(duì)地形圖精度進(jìn)行了分析。林宇龍[3]等在特高壓基建工程施工中運(yùn)用無(wú)人機(jī)高頻次、長(zhǎng)距離巡查施工現(xiàn)場(chǎng)，既提高了管理效率、減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，又有利于擴(kuò)大對(duì)施工管控的覆蓋范圍，同時(shí)也加強(qiáng)了基建管控力度。周誠(chéng)[4]等結(jié)合無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)在地鐵深基坑施工過(guò)程中制訂了詳細(xì)的應(yīng)急救援流程，對(duì)深基坑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)采集分析，并傳達(dá)指令實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警響應(yīng)和疏散人員，實(shí)現(xiàn)深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化管控。王柯[5]等對(duì)無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)展及典型行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了綜述，展望了無(wú)人機(jī)電力線安全巡檢的優(yōu)越性。楊玉川[6]等探討了無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)在工程全生命周期中的應(yīng)用思路并介紹了該技術(shù)在水利水電工程等領(lǐng)域的實(shí)踐操作應(yīng)用。結(jié)合公司近年使用無(wú)人機(jī)的項(xiàng)目工程，對(duì)無(wú)人機(jī)在電力工程不同階段中的應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 決策階段

在電力工程項(xiàng)目的決策階段，電廠(水電、火電、風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)發(fā)電)、變電站的選址和線路的路徑選擇，對(duì)項(xiàng)目的立項(xiàng)和項(xiàng)目的成敗至關(guān)重要。電力項(xiàng)目選址須全面收集現(xiàn)有資料并進(jìn)行分析，找出影響項(xiàng)目選址的重要控制因素，但傳統(tǒng)小比例尺地形圖的現(xiàn)實(shí)性較差，難以全面反映擬選站址的現(xiàn)實(shí)情況。往往電力設(shè)施的建設(shè)地就在城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊，而這些地方規(guī)劃調(diào)整的需要、環(huán)保的需求、房屋建設(shè)增長(zhǎng)的變化，對(duì)廠站址及路徑選擇帶來(lái)挑戰(zhàn)。如采用傳統(tǒng)方式勘察并實(shí)測(cè)，短期內(nèi)所測(cè)的范圍有限、測(cè)量效率低，很難滿足宏觀對(duì)比分析的需要，往往很難優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)可行的方案。

近年來(lái)，在光伏、變電站、生物質(zhì)電廠中應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行站址優(yōu)選，獲得不錯(cuò)的效果。運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，在擬選廠站址區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)快速高效地獲取測(cè)區(qū)影像，從而獲得擬選站址的詳實(shí)信息。在項(xiàng)目決策階段根據(jù)擬建廠站的實(shí)景三維模型，將擬建位置的地形地貌地物等周邊環(huán)境信息“搬到”屏幕，設(shè)計(jì)人員利用模型結(jié)合規(guī)劃、交通、進(jìn)出線路徑及經(jīng)濟(jì)分析等要求和限制條件就能優(yōu)選合理的廠站及路徑。如圖2所示為廣西靖西變電站優(yōu)選站址模型。

圖2 廣西靖西變電站優(yōu)選站址模型

2 設(shè)計(jì)階段

在電力工程設(shè)計(jì)階段，涉及測(cè)繪、地質(zhì)、水文氣象、電氣、土建、結(jié)構(gòu)、通信、水工、技經(jīng)等多專業(yè)間的通力合作。無(wú)人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)生成的三維模型，作為各專業(yè)間設(shè)計(jì)溝通的載體，提供可視化的設(shè)計(jì)環(huán)境。怎樣深度融合實(shí)景三維模型與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和建筑信息模型(building information modeling，BIM)等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并高效協(xié)作，已成為亟待突破的難點(diǎn)。田先斌[7]等利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行激光探測(cè)及測(cè)距(light detection and ranging，LiDAR)測(cè)繪作業(yè)，探索了其成果數(shù)據(jù)作為BIM 前期工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)的可行性。薛向華[8]等對(duì)BIM 技術(shù)在水庫(kù)工程設(shè)計(jì)及施工階段應(yīng)用分析進(jìn)行研究，并對(duì)水庫(kù)運(yùn)行維護(hù)階段應(yīng)用方式開展探討和研究，促使項(xiàng)目相關(guān)建設(shè)主體能協(xié)同工作、提高項(xiàng)目全過(guò)程精細(xì)化管理水平、為項(xiàng)目建設(shè)的各階段提供有力的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

勘測(cè)設(shè)計(jì)各專業(yè)，通過(guò)三維實(shí)景模型與設(shè)計(jì)模型的無(wú)縫融合應(yīng)用，讓設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程及工程信息從二維到三維轉(zhuǎn)變。多專業(yè)空間數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，將為勘測(cè)設(shè)計(jì)工作提供一個(gè)信息協(xié)同交互平臺(tái)，減少各專業(yè)溝通障礙，提高勘測(cè)設(shè)計(jì)水平和工程設(shè)計(jì)管理效率。設(shè)計(jì)人員通過(guò)三維可視化的設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)原則，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全方位優(yōu)化，做到精細(xì)化設(shè)計(jì)，用一個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)模型來(lái)協(xié)同設(shè)計(jì)管理工作。項(xiàng)目空間數(shù)據(jù)融合如圖3所示。

圖3 勘測(cè)設(shè)計(jì)各專業(yè)數(shù)據(jù)融合示意圖

在對(duì)220 kV平果變電站初步設(shè)計(jì)中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘查，測(cè)區(qū)地形平坦，地塊主要為旱地。通過(guò)少架次正射及傾斜攝影，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得測(cè)區(qū)三維模型，模型中站址附近高速公路、道路、植被、電力線路和水系等清晰可見，如圖4所示。

圖4 220 kV平果變電站實(shí)景三維模型

在巫山光伏施工圖設(shè)計(jì)中，分布式光伏電廠的地塊分布綿延數(shù)十公里，采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集方式難以滿足光伏電廠施工進(jìn)度及工期的要求。在引入無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)后，工作效率得以提升。在施工過(guò)程中隨著征地的困難，施工受阻，常規(guī)的測(cè)量手段難以滿足項(xiàng)目的迫切需求。運(yùn)用無(wú)人機(jī)快速補(bǔ)測(cè)，在施工過(guò)程中快速選址，擬定新方案，已成為項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的常態(tài)。

在雅安—資陽(yáng)500 kV線路施工圖設(shè)計(jì)中，線路經(jīng)過(guò)區(qū)域房屋、重要交叉跨越數(shù)量眾多，固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)配合航測(cè)作業(yè)，為線路方案的優(yōu)選及定位工作提供了極大的技術(shù)支持，獲得了全長(zhǎng)100 km以上的清晰的影像數(shù)據(jù)。在青海—湖南±800 kV特高壓輸電線路工程中，運(yùn)用旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)全線路塔位三維建模，對(duì)后期土地確權(quán)管理提供了重要數(shù)據(jù)支撐，為工程項(xiàng)目用地協(xié)調(diào)工作節(jié)省了大量時(shí)間。

3 施工階段

項(xiàng)目施工過(guò)程中按施工工序和建造流程把三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分割與拼接，將建筑物基礎(chǔ)、各層或區(qū)域的布置結(jié)構(gòu)及設(shè)備在三維空間中的布局和施工過(guò)程結(jié)合起來(lái)進(jìn)行管理，與施工現(xiàn)場(chǎng)情形進(jìn)行比對(duì)，為施工管理帶來(lái)便利。運(yùn)用無(wú)人機(jī)對(duì)貞豐電廠生活區(qū)及道路測(cè)圖，在工程施工階段用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)度分析、現(xiàn)狀調(diào)查、施工管理、檢查施工填挖方量、設(shè)計(jì)與施工數(shù)據(jù)比對(duì)。通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)施工過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的具體情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與設(shè)計(jì)圖紙、模型進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的監(jiān)管、改善和優(yōu)化。施工現(xiàn)狀進(jìn)度對(duì)比如圖5所示，物質(zhì)堆放及施工機(jī)具檢查管理如圖6所示。

圖5 施工現(xiàn)狀進(jìn)度對(duì)比

圖6 物資堆放施工機(jī)具檢查

4 竣工驗(yàn)收

竣工驗(yàn)收階段，無(wú)人機(jī)航測(cè)資料可用于檢查統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目竣工后的質(zhì)量和數(shù)量，檢查竣工圖的真實(shí)性，可避免未按規(guī)劃、設(shè)計(jì)施工及施工有偏差情況的發(fā)生。用施工前設(shè)計(jì)圖紙、規(guī)劃紅線與竣工后模型比較，直觀地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目占地情況、周圍的生態(tài)恢復(fù)狀況，對(duì)工程竣工是否符合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行監(jiān)管，同時(shí)也有利于資金的結(jié)算工作。貞豐電廠生活區(qū)設(shè)計(jì)圖與竣工影像對(duì)比如圖7～圖8所示。

圖7 生活區(qū)施工布局與設(shè)計(jì)對(duì)比

圖8 生活區(qū)填挖方與設(shè)計(jì)對(duì)比

5 運(yùn)行維護(hù)

無(wú)人機(jī)對(duì)電力工程運(yùn)維監(jiān)測(cè)的手段和方法越來(lái)越豐富，搭載不同的傳感器將完成不同的特定任務(wù)。很多學(xué)者利用無(wú)人機(jī)對(duì)輔助巡檢進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)電力線路安全巡檢工作的高效和全自動(dòng)化開展而努力。彭向陽(yáng)[9]等將無(wú)人直升機(jī)用于電力線路巡檢工作的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了較為全面的闡述。范怡敏[10]等設(shè)計(jì)了一種配備紫外光傳感器的無(wú)人機(jī)巡視系統(tǒng)，專門針對(duì)輸電線路的電暈放電現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)和檢查。郭敬東[11]等進(jìn)行災(zāi)后電力線路巡檢，獲取災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況評(píng)估，為解決災(zāi)后檢測(cè)電力桿塔的狀態(tài)，提出了一種基于YOLO 深度學(xué)習(xí)算法的無(wú)人機(jī)巡檢視頻實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)模型。

樂(lè)志豪[12]等在石棉—雅安500 kV送電線路工程10號(hào)塔位滑坡處理中，用無(wú)人機(jī)測(cè)繪并進(jìn)行了塔位及周圍環(huán)境的三維建模，并對(duì)模型精度進(jìn)行了評(píng)定工作。實(shí)景模型可以清晰地展現(xiàn)滑坡體、滑坡范圍、植被覆蓋、大面積裸露基巖等鐵塔與周圍環(huán)境的關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查可以更準(zhǔn)確地判斷場(chǎng)地整體穩(wěn)定性、是否會(huì)出現(xiàn)較大的滑坡導(dǎo)致整體失穩(wěn)、滑坡主要破壞形式是否為淺表層滑坡的情形，為滑坡成因分析和滑坡災(zāi)害應(yīng)急處理能夠迅速研究可行的治理方案提供有力的技術(shù)支持。通過(guò)對(duì)滑坡情況現(xiàn)場(chǎng)勘查和模型研究，科學(xué)選擇制定“改線方案”或“治理方案”，如圖9～圖10所示。

圖9 塔位“改線方案”三維模型

圖10 塔位“治理方案”三維模型

6 結(jié)論

運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)在電力工程項(xiàng)目各階段中，①在決策階段：有助于選出更為合理的方案，這對(duì)項(xiàng)目的立項(xiàng)和項(xiàng)目的成敗至關(guān)重要；②在設(shè)計(jì)階段：通過(guò)各設(shè)計(jì)專業(yè)間的通力合作，三維模型成果可作為各專業(yè)間設(shè)計(jì)溝通的載體，為設(shè)計(jì)工作提供可視化的設(shè)計(jì)環(huán)境；③在施工階段：無(wú)人機(jī)對(duì)施工過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡查，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的監(jiān)管、改善與優(yōu)化；④在竣工驗(yàn)收階段：無(wú)人機(jī)航測(cè)資料可從宏觀上對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行檢查，避免未按規(guī)劃、設(shè)計(jì)施工以及施工有偏差情況的發(fā)生；⑤在運(yùn)維階段：無(wú)人機(jī)搭載不同的傳感器將完成不同的特定任務(wù)，保障電力工程的安全運(yùn)行。探索無(wú)人機(jī)技術(shù)在電力工程各階段的應(yīng)用實(shí)踐，以期不斷拓展和豐富無(wú)人機(jī)在電力工程項(xiàng)目中的應(yīng)用場(chǎng)景。