無人機裝備智能化通信光纜巡檢巡修應用探要

陳 東 陳紅林 傅 彤 曹如琢

1.戰略支援部隊信息工程大學 河南鄭州 450001；2.中國人民解放軍31401部隊 吉林長春 130012

一、概述

通信光纜線路是整個光纖通信系統的重要組成部分，加強通信光纜線路的維護是保證通信暢通的主要措施。為此，通信運營商往往通過人工步巡或車巡的方式，對光纜線路隱患進行排查或看護，但直埋敷設的光纜一般貫穿于公路、農田、山林或者河流之中，受地形、天候等因素影響較大，直接導致巡檢周期長、人力消耗大、投入產出比高、隱患排查時效性差等問題。隨著無人機裝備和人工智能等前沿技術不斷向民用領域延伸拓展，傳統的巡線員分段承包、定期巡檢的值維模式已不再適應當前發展形勢，探索把具備智能識別隱患功能的無人機系統應用于光纜巡檢巡修，可節省部分人力物力，降低環境因素影響，提高安全性和時效性，是未來信息通信行業轉型發展的必然趨勢。

二、無人機系統概況

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一種利用電磁波控制或者由其自身程序操縱的，能夠在空中進行持續、可控的飛行，或是在航空航天空間均可實現可控飛行，能攜帶民用或軍用性質的任務載荷執行任務，可一次性使用或可重復使用的無人駕駛飛行器。

(一)無人機系統及其組成

實際上，無人機并不能獨立完成任務，它還需要地面控制設備、數據通信設備、維護設備，以及指揮控制和必要的操作、維護人員等，較大型的無人機還需要專門的發射/回收裝置。因此，完整意義的能夠執行任務的無人機應稱為無人機系統，通常包括飛機系統、地面系統、任務載荷和綜合保障系統等。

(二)無人機系統的應用現狀

無飛行員座艙駕駛的特性使得無人機系統在執行任務時無須考慮人員的生命安全問題，更不必考慮任務的危險性，由此帶來的是無人機的設計和使用要求被大大放寬，加之可借鑒的技術相對成熟、應用潛力巨大等原因，無人機系統被大量運用于軍事領域，其發揮出的獨特戰斗效能極大地提高了各國軍方對無人裝備的重視程度；我國對無人機系統的研究雖然起步相對較晚，但發展速度迅猛，成效顯著，近年來大批具有自主可控優勢的無人機已逐步在態勢感知、偵察監視、通信中繼、電子對抗、目標識別等方面嶄露頭角。

隨著軍民融合程度的不斷深化，無人機系統在諸多民用領域也迎來了蓬勃發展，比如在航空拍攝、電力巡檢、消防救援、應急通信等方面得到了大量應用。我國無人機每年都在世界市場上不斷發展，技術和制造成為世界上最好的系統之一。例如，隨著國產某型產品組合的推出，以卓越的設計、低廉的價格和簡單的操作方式，迅速占據了大多數消費者的位置。同時，為規范航空器管制，中國民航局于2016年修訂下發《民用無人機駕駛員管理規定》《民用無人駕駛航空器系統空中交通管理辦法》等文件，進一步規范了無人機行業的設計發展和應用范圍。

(三)無人機系統的發展趨勢

隨著科學技術的進步和應用領域的延伸，未來無人機系統必然向“信息化、體系化、智能化”方向發展。一是成體系協同發展。一方面，無人機系統內各組成部分之間高度集成融合，協調配合起來將更加穩定高效；另一方面，各種功能、各種層次的無人機與其他系統間將實現互聯互通，進而級聯成功能互補、協同作業的有機整體。二是具有超強的續航能力。基于動力源和控制信號的穩定性要求，長航時將是未來無人機系統發展的一個重要指標。三是趨于小型化、精細化。針對無人機遙感等應用范圍，要求其具有目標小、噪聲低、材料輕便、機動靈活、可在復雜環境下作業等特點。四是高度的智能化特征。減少無人機系統對操作人員或地面控制站的依賴程度，將基于深度學習的AI算法應用于無人機系統的開發和優化，以提高其自動化和智能化水平。

三、光纜線路巡檢巡修的主要內容

光纖通信具有傳輸容量大、抗干擾能力強、保密性能好等優點，是目前主要的有線通信手段之一，而光纜線路是信號的傳輸通道，是整個光纖通信系統的重要組成部分，按敷設方式一般可分為直埋、架空、管道、水底四種，據某維護單位統計，光纖通信系統業務中斷原因中屬于線路故障的占2/3以上，因此維護通信暢通，信息通信從業人員執行光纜線路巡檢及應急搶通修復等任務實踐則顯得尤為重要。其中，線路巡檢的目的就是及時發現威脅線路安全的潛在隱患，并按有關操作規程，科學有效予以處置，減少或避免外力破壞光纜的可通性。巡線需排查的隱患通常包含以下兩種：

(一)涉線施工隱患

隨著地方經濟建設步伐的不斷加快，各類型土建施工項目逐漸增多，一旦動用大型機械在直埋或管道光纜上方動土開挖，將直接造成通信系統局向性全阻，由此帶來的人為隱患稱為涉線施工隱患。此類人為隱患具有一定的計劃性，一般有所征兆，比如，在線路附近有施工動土跡象或有挖掘機、推土機等大型機械頻繁活動等，需要巡線員預判風險，提前采取制止或加固措施“防斷”。

(二)自然災害隱患

通信光纜敷設區域內可能突發地震、洪水、泥石流、山體滑坡等自然災害，由此引發線纜被抻斷、桿路遭折損等嚴重后果，這類隱患一般稱為自然災害隱患。其具有一定突發性，難以預知，通常做法是與當地氣象水文部門溝通聯系，預先采取應對措施，對于已經發生線路故障的情況，可用OTDR儀表測定出障礙點與測試點之間的距離和障礙性質，進而推算出斷點概略位置，巡線員應及時掌握現場情況，引導搶修小組實施應急搶修作業“保通”。

四、傳統人力巡線方式的缺點和不足

由于信息技術的迅猛發展和通信用戶的迫切需要，我們對光纖通信傳送網的可靠性和安全性要求越來越高，通信運營商“防斷保通”的壓力也持續增大，傳統的人力巡線方式往往耗時耗力、產出投入比低下，主要存在以下三方面不足：

(一)受地形、天候因素影響較大

光纜線路的敷設與運維環境較為復雜，總體呈現點多、線長、面廣的特點，多數線路埋設于農田、山林之中，巡線員爬溝過坎易引發安全事故；突發地震、塌方、強降雨、山洪、泥石流等自然災害后，人車出行不便，需要現地查看重點災損地段時，人身安全難以保證。

(二)巡線間隔周期長影響時效性

不論是步巡還是車巡，均受到位移速度和出動頻次的制約，巡修量受日均峰值限制，一般單次巡修僅能滿足一個路由方向，同一中繼段兩三天才能被巡檢一次，而按照目前土建單位的施工進度，這種巡檢頻率顯然無法滿足時時盯防的要求。

(三)對巡線員的專業性和責任心依賴程度高

光纜線路巡檢巡修任務不單單是體力活，還是技術活，更是良心活。一方面，巡線人員要具備一定的專業化素質，明晰路由走向和維護標準，掌握政策法規和防護手段；另一方面，巡線員可能會因體力消耗大、動態監管難而產生僥幸心理，出現跳巡、漏巡甚至是不巡的情況，對人員素質“軟指標”提出了相當高的要求。

五、智能化無人機系統在光纜線路巡檢中的應用分析

針對上述人力巡線方式的缺點和弊端，我們應有效利用無人機小巧靈活，運行成本不高，可輕易快速到達巡檢巡修區段，人為因素限制少等特點，探索將具有智能化特征的無人機系統引到光纜線路巡檢巡修任務當中。為此，本文提出如下技術開發路徑和設計需求分析。

(一)外觀設計及動力源

利用無人機巡檢線路，可采用重量輕、體積小、機動靈活的多旋翼無人機，由車輛攜帶或者單人攜帶，方便轉場和調度。此類型適用于小微型無人機實施巡檢伴隨保障時使用，其動力源可采用鎳氫、鎳錳、鋰聚合物和鋰離子等化學電池作為主用手段，機載太陽能電池板作為備用手段提供動能。另外，在使用無人機系統實施自主巡航保障時，則可采用垂起式固定翼無人機，體型稍大，可搭載各類附屬設備，因其以更小的能耗來實現大范圍的覆蓋。因此可完成對長距離線路的快速巡檢，其動力源一般包括微型渦輪發動機和過氧化氫火箭/渦輪組合發動機以及脈沖噴氣發動機等，同時，也可將太陽能采集板附著在機身，飛行中積蓄光能，作為備用保底手段來使用。

(二)智能導航技術

依托北斗衛星導航系統和地理信息系統(GIS)，建立地理空間三維數據云，加載數據類型包括衛星影像設計、電子地圖數據、路網數據、地名地址數據等，并將通信光纜線路路由圖、標識(桿號)與纖長對照表等竣工資料進行數字化、標準化，在此基礎上對線路數據及維護站點數據進行矢量化處理并上圖，與影像地圖及電子數據進行無縫疊加，航跡規劃的一種方式是通過地面控制站與無人機時時數據傳輸，按照既定路線遠程操控進行全巡；另一種方式是將巡線航跡程序寫入無人機導航系統，依托自主飛行模式開展智能化巡航，遇有通信信號微弱、續航能力不足、極端惡劣環境等情況，無人機可依托預定的自主返航程序，利用慣導模式實施“自保式”返航。

(三)圖像攝取傳輸功能

可見光和紅外成像是無人機系統巡線的主要途徑，它是利用在無人航空設備上裝備穩定的可見光檢測儀與紅外成像儀等載荷，通過對光纜線路及其周邊環境進行檢查和錄像，實現實時采集、實時回傳、實時高清影像呈現，并附帶數據存儲回溯和動態分析等功能。地面站人員在顯控系統中觀察判讀各類隱患，發現異常可通過操縱系統使無人機盤旋于隱患點上空，對畫面高精度放大攝取，并可利用遠程廣播系統實施喊話，發出護線宣傳警告，制止涉線施工等危險行為。

(四)無人機通信中繼平臺

無人機在復雜環境下的應用效果和巡檢安全都受到通信能力的制約。采用無人機系統巡線的關鍵在于通信信號能否穩定、準確傳輸，目前無人機通信方式主要有衛星、中繼基站和無線網絡三種，但都各自存在一定局限性：衛通信號傳輸時延大、信號易中斷、通信誤碼率高；中繼基站通信受地形影響和通信距離限制；無線網絡保密性差，在覆蓋不完全的山區、森林等地無法使用。由此考慮引入另一架無人機“伴飛”執行通信中繼任務，在原有的線路巡檢無人機、數據傳輸電臺、圖像傳輸設備、地面控制站四部分的基礎上，“伴飛”無人機搭載5G通信中繼設備作為空中基站臨時架設，以保證通信信號的高效、穩定、時時傳輸。

(五)自動躲避障礙物

無人機在巡線期間，可能會在既定航跡中遇到高壓電塔、樹木、鳥群等障礙物，通常采用的做法是通過裝配在機身上的雷達反饋系統及時發現并檢測，形成告警信號回傳給地面控制站，經人工確認后再做出調整飛行姿態的決策，這一信息交互的時間將對無人機的飛行安全構成一定威脅。因此，在后續的改進設計中，應搭建起一套障礙反應系統，基于AI技術等實施自主航跡修正，達到自控避障的目標要求。

(六)圖像數據的智能化判讀

目前，無人機系統采集到的隱患圖像一般以人工方式判別，存在效率低下和人為誤判等缺點，尚未實現計算機的智能檢測識別，無人機巡線的自動化水平還有待提升。為此，探索運用深度學習算法中的更快的基于區域的卷積神經網絡(Faster Region-based Convolutional Neural Network，Faster R-CNN)目標檢測的方法，通過人工預置航空影像，形成工程車輛、地質變化、桿路受損等影像數據集，基于仿真訓練和測試，實現航拍圖像中挖掘機、推土機等工程車輛，線路附近地形、地貌變化等目標檢測，對比傳統的機器學習檢測算法，當檢測精度(AP)達到一定閾值時，即可實現無人機航拍圖像中光纜線路隱患的自動目標檢測，觸發的告警信息經通信傳輸到達地面控制站，值勤人員再根據情況做進一步處理，提高了值維管理手段的智能化、精確化水平。

結語

目前，無人機系統裝備具有強大的遠程機動、圖像采集、信息交互和數據處理等能力，具備通信光纜線路巡檢巡修的應用前景。后續研究可通過技術賦能和工程設計使無人機系統形成航跡規劃、自主導航、5G通信中繼、自動避障和智能判讀等能力，最大限度減少巡線任務對通信從業人員和外界條件的依賴程度，以技術革新推動值維模式深入轉型，著力探索更加完善的管理措施和人才支撐，實現智能化運維管理手段的高效運轉。