通信光纜無人機長距離巡線系統

葛大江，王洪梅，魏 巍

（78156部隊，重慶 400000）

1 通信光纜線路巡檢面臨的問題

近年來，隨著各單位編制體制改革帶來的巡線人員精減，以及光纜線路建設規模的進一步擴大，由此產生的巡線力量有限與維護線路長且作業頻次多的矛盾日益突出。雖然隨著軍地融合的深入發展，各單位可以依托運營商進行線路代維，但由于當前體制機制不健全、配套政策法規不完善，重要干線要求各單位必須自行維護等原因，短期內，這種矛盾仍將存在。

通信光纜網作為傳送網的主要構成部分和基礎鏈路，是通信的核心網絡。通信光纜網按照線路級別分為長途干線、本地骨干、本地匯聚和本地接入。鋪設方式多為直埋方式。通信光纜線路敷設里程長，途經地域廣，工作環境復雜多變，因此，巡線（路由巡檢）是確保光纜線路無障礙運行的重要措施。

通信光纜線路的巡檢方式以人巡為主，車巡為輔。傳統的人工徒步巡線方法是通過人眼的近距離觀察，了解掌握光纜沿線的地形和地貌變化，及時察覺施工動土等一些可能引發線路傳輸故障的隱患因素，從而避免線路故障的發生。雖然這種手段能夠提供可靠的巡查數據，但效率低、成本高且耗時費力，巡線質量易受人員主觀因素和地形環境變化影響，難以實現巡線業務活動的標準化、規范化和信息化，難以滿足當前光纜線路的建設維護需求，故迫切需要引入新技術、新手段來改進傳統作業方式。

2 無人機應用的現狀

無人機關鍵技術主要包括數據鏈技術、飛行控制技術、動力系統技術及機身結構設計技術等。而人們關注的重點則是數據鏈技術和飛行控制技術的發展。

當前，無人機系統多使用點對點的雙向通信鏈路，具體分為上行鏈路和下行鏈路：上行鏈路即對地面站及無人機控制指令傳輸的通信鏈路；下行鏈路即無人機與地面站間傳輸圖像數據、遙感數據及其他種類數據的通信鏈路。通信鏈路的可靠性和抗干擾性是無人機系統設計需要考慮的重要因素。

飛行控制技術目前廣泛采用PID控制、魯棒控制、動態逆控制、模糊控制等。人們將這些主流的飛行控制方法分類為局部線性化控制、非線性控制及智能控制等。

無人機巡檢系統目前已在電力、油氣管道和河道巡護等行業有了初步的實際應用，該系統已經應用了自動飛行控制技術、衛星導航差分定位技術、模式識別技術、遙感載荷技術和遙測遙控通信等多個領域的先進技術，并取得顯著成效。在線路巡檢方面，無人機系統具有飛行距離長、機動靈活、應急性強、分辨率高、成本低廉、維護簡單和操作簡便的優勢，不僅可以省去耗時耗力的人工監測，而且巡線速度快，信息反饋及時，為問題及時發現和修復提供可靠的信息支撐，最大程度降低損失。

國外對無人機巡線系統研究起步較早。1995年，英國威爾士大學就已經通過改裝以色列MLAvia013公司的“鬼怪”式無人機研制了面向輸電線路巡檢的飛行機器人RIPL；2000 年，西班牙馬德里理工大學的Campoy、Mejias等人致力于將計算機視覺技術應用于無人機巡線導航的研究，在GPS的輔助下實現了無人機的巡線導航；2004 年，日本千葉大學聯合Chugo 電力及Hirobo Limited直升機公司開發了針對電力巡線及其他類似城市應用的垂直起降無人機檢測系統并進行了驗證試驗。

我國關于無人機系統研究起步較晚。2002年，華北電力集團公司成功完成直升機巡線研究，但此時的巡線飛機是有人駕駛的；2010 年，山東魯能智能技術有限公司與山東電力研究院合作，研發有效載荷為20 kg 的巡線無人機；2011 年，福州電業局研發的“海西號”無人直升機，用時20 min完成了對7基鐵塔的巡視任務；2014 年，廣東電網公司探索了大載荷無人機配合可擴展通信中繼系統的基于遙感的電力線路巡檢方案。

未來無人機系統將主要向著智能化方向發展，隨著人工智能的飛速發展，人工智能技術將大量地應用于無人機系統中，使無人機系統更為高效。

3 無人機管線巡護系統應用場景

利用無人機進行光纜線路巡檢，能滿足一線基層主動巡護需求，可以在某些巡查區域完全取代人工作業方式，為光纜線路故障隱患排查、自然災害現場勘查和違規作業警示等提供科學依據與監測手段。在大范圍的光纜線路常規巡檢故障隱患排查中，無人機平臺通過搭載可見光等任務吊艙，可對光纜線路進行全天候、全天時的監控，可及時掌握長距離光纜架空線路的危險源，迅速發現直埋光纜地表沿線施工動土、人為破壞等事故隱患，及標石、人井蓋、電桿等設施變化情況，及時準確地對光纜線路和地表各類地物變化類型、規模、持續時間等進行智能分析，尤其在山區、高原和自然災害發生之后等巡護危險性較高的巡護段，無人機巡檢的優勢便非常明顯。在遭遇洪水、泥石流、地震、山體滑坡等突發自然災害之后，無人機可以進入受災現場勘查光纜受損位置、受損情況及周邊次生災害情況，利用通信鏈路將信息傳回地面，為制定搶修方案提供情報信息支撐，同時，定位引導后續救援作業，迅速恢復光纜線路通信，最大限度地降低災害造成的損傷。

在光纜線路周邊違規作業現場，無人機平臺可以在指定目標上空懸停詳查，利用傳感裝置獲取線路周圍地理環境、周邊違規作業等信息，發現情況即可定位報警，可以鎖定和跟蹤地面目標探查細節，配合無人機聲光警示系統（如喊話器），威懾和制止破壞光纜行為，并現場取證。無人機巡檢作業方式不僅可以提高線路巡護作業的智能化程度和巡檢效率，而且可保證巡護人員的人身安全，降低巡查成本和風險。運用無人機遙感技術進行通信光纜線路巡檢，已具備成熟的、可行的技術優勢。因此，有必要加強無人機光纜線路巡檢系統技術的研究：開展無人機日常和應急的巡檢任務測試試驗，獲取長距離光纜線路監測數據，依托高精度地理信息平臺開展融合分析，生成長距離光纜線路運行態勢和基礎數據庫，從而實現對光纜線路地表沿線、地物變化及重要設施狀況的監測，排查光纜線路安全隱患，降低重大事故發生概率，為相關業務人員提供情況處置和指揮決策的數據支持，為光纜線路故障隱患排查提供科學依據和監測手段，有效提升光纜線路維護單位的保障能力。

目前，無論是地方還是部隊都沒有無人機光纜巡線系統，本文首次提出基于4G 通信信號的無人機通信光纜巡線系統。該系統除了可巡護光纜線路外，還擔負協助通信光纜線路搶修的任務，幫助搶修分隊勘測光纜故障地域情況，運送部分搶修工具，運送和架設搶修光纜，同時擔負應急通信樞紐與指揮部開設前的預設地點現地勘測的任務，對開設地點進行拍照，并形成3D地圖圖像傳回指揮中心，為領導決策提供信息支持。

4 總體設計方案

通信光纜無人機長距離巡檢系統由無人機分系統、測控網絡分系統和無人機管控數據中心分系統組成，如圖1所示。

圖1 系統設備組成圖Fig.1 Diagram of system equipment composition

4.1 無人機分系統

無人機分系統主要用于執行空中機動巡查和航空遙感測繪等任務，它由飛行平臺和探測載荷組成。飛行平臺的選擇要適應巡線地區的地理環境和多變的氣候條件，選擇混合翼電動無人機（飛行半徑100 km），適用于長距離遙感探測、日常視頻巡查和應急情況處置等典型任務場景；機載探測載荷主要針對光纜路由巡查任務的全天時、全天候特點，選擇測繪相機，適用于不同天候條件下的航空攝影和視頻巡查任務。

長航時電動復合翼無人機適用于多種作業環境。該無人機機體采用高強度、輕量化復合材料設計，在滿足機身結構強度、剛度需要的同時，最大限度地減輕質量。IP54級設計，抗風6級，可在小雨、小雪、云霧等不利天氣下作業，適應惡劣氣候條件。長航時無人機，如圖2所示。

圖2 長航時無人機Fig.2 Long-endurance UAV

4.1.1360°

目前，無人機拍攝360°全景圖已是主流應用，通過操控無人機可以自動完成全景圖的拍攝和生成，其工作流程，如圖3所示。

圖3 全景圖自動生成流程Fig.3 Automatic panorama generation process

4.1.2

無人機搭載高精度RTK系統時，所拍攝生成的正射影像圖能夠輕松達到1 ∶500 的國家規定測繪精度。在功能上與360°一鍵全景有些許不同，主要是當無人機正射影像拍攝時，輸出的圖片信息由于精度不同而使數據量存在諸多差異，工作流程，如圖4所示。

圖4 正射圖自動生成流程Fig.4 Automatic orthomosaic generation process

4.2 測控網分系統

該系統主要為無人機和無人機管控數據中心提供連續可靠的寬帶數據通信鏈路，保障遙控指令、遙測數據和探測、業務數據的實時傳輸，由固定測控基站組成。

固定測控站依托現有4G 移動通信基站，能夠與所在區域的無人機建立無線電數據通信鏈路，通過地方運營商的4G網絡實現對無人機的測控。通信光纜無人機長距離巡檢系統的運行路由圖，如圖5所示。

圖5 無人機長距離巡檢系統運行路由圖Fig.5 UAV long-distance inspection system running route

4.2.1

在光纜巡線中一般是100 km 左右為1 個巡護中繼段，根據低空飛行器移動特點和容量需求，低空蜂窩移動通信系統主要解決覆蓋問題，容量是次要問題。可行的方法是在地面蜂窩移動通信網絡基礎上疊加1個低空蜂窩移動通信網絡。采用間隔抽樣的方法，在多個地面基站中選定1個位置、高度都合適的基站作為覆蓋低空空間的基站源，從宏基站中分出1 個小區來覆蓋低空。低空蜂窩移動通信系統的天線安裝在基站附近較高的樓頂上，采用定向天線俯仰天空向上覆蓋，如圖6所示。

圖6 天線俯仰天空向上覆蓋示意圖Fig.6 Antenna pitching the sky towards to cover

4G 網聯無人機覆蓋測試結果：20 m 以下信號覆蓋強度較好（信號強度RSRP 在-80～-90 dBm），但120 m 以上容易失聯，需要專門調整天線下傾角往天空覆蓋，以免影響現網用戶。

數據通信交互能力差，頻繁切換影響傳輸性能。如果無人機高度較高，不在地面站天線主瓣覆蓋范圍內，空中信號雜亂，無主覆蓋小區，頻繁切換，造成終端下行干擾較大，部分區域可能出現無法解調現象，導致出現斷線失聯，觸發無人機降落或返航的情況。同時，TDD站點可能存在超遠覆蓋導致上行底噪抬升，推薦使用FDD網絡覆蓋，避免超遠覆蓋干擾。

速率測試結果：TDD 峰值速率受限，在邊緣無法滿足上行速率要求，推薦使用FDD 網絡，上行速率更有優勢。

時延測試結果：TDD時延范圍基本在200～300 ms之間，300 m 高空時延會達到500～600 ms，滿足上行狀態信息采集時延，部分滿足飛行管控命令下發（高于300 m的空域時延較大），難以滿足高下行時延的控制信令傳輸需求，推薦使用FDD，可以滿足更短時延需求。

4.2.2

根據現有編碼技術，圖傳的最小帶寬為2 Mbps，所以只要傳輸帶寬大于2 Mbps 就能夠滿足無人機信號傳輸要求。根據計算單扇區覆蓋4 km 左右便能夠滿足邊緣速率3 Mbps 的路損要求，站間距6 km，鏈路預算終端功率按照23 dBm 計算，比無人機終端發射功率（36 dBm）偏小，所以實際站間距可以達到10 km左右。由此可計算出100 km左右的中繼段大約需要7個站點。

4.2.3

基于鏈路預測算的結果進行的線路站點規劃，相關站點站間距為6～10 km 之間。目前小區的半徑設置為8 km。

由于無人機飛行軌跡采用固定線路，故基站的天線采用2扇區背靠背安裝覆蓋無人機，如圖7所示。

圖7 站點間信號覆蓋示意圖Fig.7 Schematic diagram of signal coverage between stations

由于無人機飛行高度較高，通過調整天線俯仰角無法做到兼顧飛行網絡需求以及運營商原有公眾網絡需求，同時，項目對安全性要求也較高，本次需要在沿途現有基站處增加基帶單元、射頻單元、天線對天覆蓋，為項目建設一套專用網絡。

4.3 無人機管控數據中心

無人機管控數據中心工作流程，如圖8所示。

圖8 無人機智能飛行任務平臺運行流程Fig.8 Operation process of UAV intelligent flight task platform

無人機管控數據中心操作人員依托測控網絡接收無人機遙測數據，掌握飛行和任務完成狀態，指揮控制無人機按計劃完成通信光纜巡視任務；無人機搭載的可見光等探測載荷，獲取光纜上方的遙感數據，可及時發現上方可能出現的威脅安全運行的突發事件，如地形變化、非法施工等。通過測控網絡匯集傳遞到無人機管控數據中心，輔助操作人員實現空中巡視，為后續的情況處置和消除隱患提供支持；同時分析處理航空遙感數據，更深層次地挖掘通信光纜運行的隱患和規律，提升長距離光纜巡護的運維效率。

4.3.1

無人機管控數據中心由無人機巡線任務規劃席、巡檢管控席、信息處理與分析席、顯示大屏，通信中心、服務器機房和供電機房組成，如圖9所示。

圖9 無人機管控數據中心示意圖Fig.9 Diagram of UAV control data center

4.3.2

管控數據中心系統由測控站代理、數據路由、無人機飛行管控、無人機運營管理和無人機數據處理5個分系統組成，如圖10所示。

圖10 無人機管控數據中心系統架構圖Fig.10 System architecture diagram of UAV control data center

目前，市面上有1種固定翼無人機，可設定航線進行無干預自主飛行，自動拍攝，返航后將拍攝數據導出可供分析。然而這種方式并不適用于通信光纜巡線，主要是因為根據光纜線路維護規定，光纜線路的可通率必須達到99%，光纜線路上的情況比較復雜，變化較快，實時性要求較高。無人機巡線時只有及時將線路信息傳回，線路維護分隊才能以最快的速度處理線路上出現的隱患問題。同時，本文所設計的無人機巡線系統可以進行自動巡航和手動控制的切換，如果發現有人破壞通信光纜或存在威脅通信光纜安全的行為，監控人員可手動降低無人機高度，抵近觀察，通過無人機攜帶的喇叭進行喊話，及時制止人為破壞光纜的非法行為，這是無干預自主飛行無人機無法做到的。

5 保密措施

出于數據保密的要求，巡檢數據在系統和無人機終端之間傳輸以及在無人機終端存儲時均需要加密，對數據加密采用的國密算法為國家密碼局認定的國產密碼算法，主要有SM1、SM2、SM3 和SM4，密鑰長度和分組長度均為128位。

巡檢數據在數據中心系統和無人機終端之間傳輸時，數據由SM4 加密算法加密，SM4 加密密鑰再使用SM2 非對稱加密算法加密。SM2 公鑰存放在數據中心系統上，私鑰存放在無人機終端上，公、私密鑰均在終端注冊時產生并分配。在數據加密的同時能夠實現數據簽名功能，防止非注冊終端的接入和使用。

無人機終端本地存儲數據由SM4加密算法加密，本地存儲的密鑰由程序根據終端特征實時生成，不存儲在存儲器上，這樣可保證數據的安全。

地方通信公司和部隊的光纜每隔100 m就有1個巡線標石，這是為了方便光纜巡線人員能夠按照正確的線路路由進行人工巡線。無人機巡線的飛行路徑并不與光纜路由重合，而是要比光纜路由短。無人機飛行路徑要根據光纜路由和地形地貌進行具體設置，因此，不會通過無人機飛行路徑泄漏光纜路由。

6 結束語

通過研究，無人機光纜線路巡檢系統具有完全可行性，能夠代替人工巡線。目前，無人機系統技術已經成熟，功能也十分的強大，如果將該系統運用到通信光纜巡護中：將為傳統巡線工作引入新的維護模式和科學技術；精準判定線路隱患，通過海量樣本智能比對多種線路隱患問題，為指揮者處置線路隱患提供決策建議；降低人力和物力投入成本，緩解線路維護壓力，減少安全管控風險，提高維護管理水平；可對臨時或長期執行搶險救災，緊急通聯、施工勘察設計等任務的無人機進行管理，提高整體巡線效率。