配電網架空線路無人機自主巡檢技術分析

廣東電網公司廣州天河供電局 任 杰

近幾年來伴隨著科學技術的快速發展，無人機技術以及相應的機器視覺技術都得到了突破性的研發和推廣，這些技術設備可以模仿人類視覺功能，對各類事務進行分辨和數據收集。無人機設備中運用了光學裝置和傳感器，可以獲得客觀環境中的各類具體圖像，進而感知事物變化。傳感器可以將所收集到的模擬信號轉化為數字信號，并利用數字圖像處理技術對這些客觀事物進行智能化的理解與辨析。

配電網架空線路會因故障而導致一定規模停電，修復時間長、用戶投訴壓力大，所以需要及時發現配電網架空線路安全隱患和技術缺陷，并采取有效的處理措施，防患于未然。應用無人機自主巡檢技術，對配電網架空線路進行定期巡檢有著十分重要的意義。

1 無人機自主巡檢技術工作原理及功能

配電網架空線路無人機自主巡檢技術是一種基于計算機、攝像機、圖像采集技術、圖像處理技術以及光源于一身的視覺巡檢系統。攝像機和圖像采集系統能夠在光源的支持下進行圖像數據的收集與拍攝，而圖像處理技術則需要在計算機內對所收集到的圖像數據信息進行智能化的處理。無人機自主巡檢技術實際上就是將各類成像設備人工智能技術進行融合應用，可以實現對客觀事物數據信息進行獲取、收集、傳輸、分析、處理和存儲，整個技術系統會通過檢測配電網架空線路典型特征信息，對配電網架空線路位置、狀態、形狀、物理屬性等各類信息進行分辨識別。該技術是以數據處理為核心，包含數據采集、圖像處理以及智能處理等工作模塊[1]。

由無人機自主巡檢技術所組成的系統結構可以分為四個功能部分，分別為數據收取功能、地面控制功能、通信功能、數據處理功能。

數據收取功能。需根據配電網架空線路巡檢任務要求選擇不同類型的技術與設備。如，在日間開展快速巡檢工作，可以選擇使用小型固定翼無人機；而針對配電網架空桿塔進行紫外線和紅外線巡檢時，為了保證巡檢結果的高精度性，需要選擇使用技術層次更高的、能夠維持較長時間穩定飛行姿態的大型多旋翼無人機。無人機上攜帶數碼相機、紫外線成像儀和紅外線成像儀能夠更好的滿足巡檢任務要求。

地面控制功能。主要是指工作人員所依賴的功能系統，該系統用于對無人機進行飛行控制，包括領航、數據收取、飛行狀態監測等，同時該系統也能夠對無人機在巡檢過程中所獲得的數據進行初步分析。

通信功能。是指構建無人機控制系統通信聯系的系統體系，包括監控站、信號接收和發送設備通信中繼設備等，它連接的是無人機與人之間的數據互聯，可以保障無人機維持可靠的通信。數據通信系統必須能夠保障無人機服從命令、準確到達定點位置，并且可以支持無人機各項工作狀態。為了保障無人機巡檢過程中數據傳輸的質量和效率，通信系統會有一定的指標要求，目前普遍認為數據通信系統的速率至少能夠達到4到8Mbps 之間，而且這一速率越快越好，以此來保證實時拍攝效果，使工作人員可以及時的了解到無人機的飛行狀況和巡檢現場的實際情況[2]。

數據處理功能。是指當無人機完成巡檢任務后會獲得大量的數據信息，該系統將對這些數據信息進行后期的處理與存儲，處理的方式是預處理和幾何處理，將結合光學原理，紫外線、紅外線等特點，實現配電網架空線路在計算機系統上的三維可視化。在三維可視化圖上，可以展現出配電網架空線路的特點以及實際的運行情況。在地面數據處理系統中，會有人工智能功能和模糊辨識功能，可以對配電網架空線路所出現的缺陷進行快速的辨識，以此來幫助工作人員精準、高效率的定位配電網架空線路的安全隱患，能夠對線路所存在的風險故障進行自動排查。

2 配電網架空線路無人機自主巡檢路徑設計

配電網架空線路無人機自主巡檢技術總設計，首先是利用無人機圖像拍攝功能和數據傳輸功能等方式來獲取配電網架空線路圖像信息，然后對這些圖像信息進行一系列的處理。具體功能模塊包括圖像采集、圖像預處理、缺陷分割、缺陷存儲、缺陷圖像分類識別。具體的工作流程包括：地面控制中心獲得由無人機傳送的圖像數據后會對這些圖像數據進行預處理，分類識別和缺陷判別之后，對所發現的缺陷問題進行定位，同時也會將相關的數據信息進行存儲，計算機端將對缺陷圖像進行進一步的讀取，并將其展現給工作人員。

2.1 配電網架空線路無人機自主巡檢技術總設計

為了發揮出無人機所具備的精細化巡檢優勢，需要在無人機上搭載高精度的定位裝置，目前廣州地區普遍應用的為RTK 或北斗定位裝置，輔助無人機可以在復雜的地理環境或氣候環境下，仍然保持較為精準的定位能力，必要時補充手持基站，這也將保障無人機自主航行時的線路準確性，同時高精度定位裝置也將配合云平臺控制保障無人機的拍攝可以維持最佳的朝向精度。巡檢路徑規劃上要求無人機需要對配電網架空線路每一個基桿塔進行逐一的巡檢，會自動記錄自己的飛行路線，以此來幫助云臺控制系統以及相關的工作人員獲取無人機飛行路徑[3]。

這項工作會與配電網架空線路基桿塔巡檢數據記錄同步進行。根據以往的飛行數據，對無人機自主巡檢路徑進行規劃一般包括五個流程：關鍵位置點的獲取（點云采集）、路徑的整理、點位的核查、多基點規劃和定點重拍。路徑整理要求對路徑點進行數據的整理記錄，刪除位置不恰當的點位，按照空間距離和角度要求對路徑點科學性進行判斷，如果水平距離小于半米而高度相等則應將該點位刪除。點位的核查將采取部分測點校對的方式，通過進行實地測飛來保障所收集到的路徑點位置，準確計算點與點的位置關系，確保路徑點位置關系恰當。多基點規劃要求將多基桿塔的連接設置出一定的算法邏輯，每一個連接點都能夠實現互相通訊，連接點可以將單機桿塔的巡檢路徑連起來，并且構建器整體巡檢路線。

2.2 配電網架空線路無人機自主巡檢路徑分析

2.2.1 利用北斗定位系統的巡檢路徑分析

為了能夠發揮出無人機的精細化巡檢功能，進而獲得更為精準的路徑點，可以在無人機上加裝RTK 差分技術功能，配合使用高精度定位設備，這樣就可以使無人機巡檢平臺在復雜的環境下也能夠保持較為穩定的定位能力和高可靠度的航向，同時在高精度云臺的控制引導下，無人機相機將可以拍攝到質量較高的圖像，進而幫助工作人員獲得高精度朝向數據。利用無人機控制平臺，在逐塔采集架空線路中，每一個基塔所獲得的信息都將在一定范圍內記錄下無人機的飛行數據，以及無人機的飛行路徑，此時系統也將自動填寫好單基桿塔所獲得的采集信息和相應的拍攝信息。利用這些飛行數據進行路徑規劃時，需要從五個流程中開始逐步落實：路徑點的收集、路徑點位的整理、路徑點的檢查、多基點分類、定點重復拍攝。

路徑點的收集：利用我國北斗衛星高精度定位系統，對無人機的行動路徑進行精細規劃，遇到明顯的轉彎點時，可以將其視為路徑點的補充，收集各個點位之間的連接點、降落點、起飛點等位置，并以此作為多基路徑點的基礎數據。

路徑點位的整理：該環節主要是整理已經記錄好的路徑點數據，此時需要將距離過近，點位不恰當的進行刪除，同時也要關注偏離度過高的點位，必要的情況下也可以刪除。根據立體空間距離和角度關系，來科學判斷該點位是否值得保留。如，如果水平距離低于半米、高度一致且夾角大于25度小于45度時，這個點位便可以刪除。總而言之，需要堅持的點位規劃原則是保證距離的恰當性和夾角偏離度較低性。

路徑點的檢查：對各個路徑點進行抽樣校驗核對，通過實地飛行的方式進行測量核準，以這種方式來確保路徑點位的科學合理。計算各個點位之間的相對關系和位置距離，要確定路徑點位的相對關系準確，添加路徑點的詳細說明，以此來為后續工作中對于點位識別的精細度要求提供必要的基礎數據信息。

多基點分類：該項工作流程需要設置出科學的計算方式，將各個基桿塔的連接方式以順次的方式進行關聯，連接點主要是指單基塔在巡檢路徑中的各個能夠互相通視的點位，這樣各個連接點就可以將單基桿塔的巡檢路徑以點和線的方式連接起來，形成多基桿塔的整體性的巡檢路線圖，將無人機所有的起飛點和降落點關聯起來，并形成統一管理的路線圖。

2.2.2 關于關鍵坐標點的路徑規劃算法分析

在以上的路徑規劃過程中，為了提高無人機智能巡檢路徑規劃的自由度和靈活性，可以采取基于關鍵坐標點的無人機配電線路巡檢路徑規劃算法，以及自主巡檢方法中的路徑規劃算法，以此來確定需要進行路徑規劃的基桿塔，并對用戶所選擇使用的桿塔進行整合分類。如，將連續的桿塔命名為A，將跨度較小的桿塔命名為B，將跨度較大的桿塔命名為C，在進行計算時按照各自的邏輯進行編碼和計算。

3 配電網架空線路無人機自主巡檢工作程序

3.1 執行任務

當無人機開始執行自主巡檢任務時，無人機的控制需要遵循自主巡檢控制方案和安全保障策略，工作人員需要攜帶無人機到達檢測現場，并以云端下載的方式自動生成巡檢路線。工作人員確保巡檢路線已完全加載之后，便可點擊起飛按鍵開始，針對目標區域的巡檢工作，無人機將在預制好的機場位置自動起飛，并按照自主巡檢控制方案所設定的周期和對象，開始進行逐一的自主巡檢拍照工作，所采集到的數據信息會回傳給控制平臺，以此來完成無人機在高壓配電網架空線路中的自主巡檢工作任務[4]。

3.2 結果處理

一般而言，針對配電網架空線路所開展的巡檢工作重要的信息包括線路名稱、桿塔編號等。無人機在巡檢的過程中會生成高精度差分坐標、被巡檢設備的ID 信息以及檔案信息屬性，這樣便可以幫助無人機在開展自主巡檢工作時，能夠將所發現的缺陷問題與具體設備進行匹配。構建起按照配電網架空線路空間信息內容要求的巡檢任務體系，將保障所獲得的缺陷內容是準確和可靠的。

對于結果的處理，無人機自主巡檢系統會自動進行整理。工作人員可通過權限對這些信息進行讀取，并結合信息中所生成的被檢設施參數，與實際配電網架空線路中的設備進行定位對比，進而可以對對比結果進行下一步的數據操作，如進行維修方案建議的調取等。系統也將對這一系列數據信息進行分類存儲，整個結果處理過程都將是準確和高效率的[5]。

4 結語

隨著技術的持續研發和應用經驗的逐步積累，利用無人機自主巡檢技術對配電網架空線路進行巡檢，已在諸多地區內獲得了顯著的成果，既可以維護電網日常供電的安全穩定，也可以對重大活動保電工作給予支持。廣州地區在2021年完成配電網無人機航線規劃4830.8km，計劃在2022年實現配網機巢覆蓋。

利用無人機自主巡檢技術替代人工巡檢，每千米的巡檢時間不到五分鐘，相較于人工操作效率至少提高了十倍以上，而且無人機自主巡檢技術能從空中對配電網架空線路進行觀察，這也比地面人工巡檢工作更加精準和有效率，能夠全方位觀察線路，進而使所發現的問題更加全面和準確。無人機自主巡檢技術所獲得的新建資料可以隨時查看，這將為配電網架空線路的可持續穩定運行提供有力的保障。