基于改進層次分析法的無人機輸電線路巡檢能力量化研究

李明澤 謝 忠 朱學森 閆郭偉

基于改進層次分析法的無人機輸電線路巡檢能力量化研究

李明澤1謝 忠1朱學森2閆郭偉2

（1. 國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，江蘇 徐州 221000；2. 63601部隊，甘肅 酒泉 732750）

針對輸電線路無人機類型多樣、性能各異，難以統一量化分析的問題，提出一種基于改進層次分析法的無人機輸電線路巡檢能力量化方法，構建包含6個一級指標、28個二級指標的無人機輸電線路巡檢能力量化指標體系，建立指標分級量化模型。量化實例表明，改進層次分析法和分級量化模型較好地實現了多類型無人機輸電線路巡檢能力的量化，為無人機選型和能力量化分析提供了方法路徑，同時彌補了無人機能力量化、能力評估的理論空白。

改進層次分析法；無人機（UAV）；輸電線路；能力；量化

0 引言

無人機輸電線路巡檢是指使用無人機及其掛載的任務設備（可見光相機、紅外熱成像儀、局放檢測儀等）對輸電線路本體設備及通道走廊等進行巡視檢測[1]，及時發現并排除線路缺陷和重大隱患，提升巡檢質效。當前，無人機在輸電線路巡檢領域應用廣泛且逐步深化，大疆、成都縱橫、道通智能等廠家紛紛推出電力巡檢專用無人機，有效降低了作業出錯率和運營維護成本，但無人機種類繁多、功能各異、性能參差不齊，在無人機的實際應用中，存在以下不足：

1）輸電線路巡檢無人機能力量化方法欠缺。當前，無人機的能力量化模型研究，多集中于無人機作戰領域[2-4]；在指標體系構建研究方面，多集中于植保領域[5-7]，有關輸電線路巡檢無人機的能力量化方法研究，尚處于空白階段，無法支撐無人機的選型、采購等。

2）無法進行能力對比分析。量化方法的不足導致無法開展單項能力對比與分析，更無法分析出能力因素的影響程度，致使無人機的立項論證和改進方向缺乏理論指導。

針對上述不足，本文提出一種無人機輸電線路巡檢能力量化方法，建立無人機輸電線路巡檢能力量化模型，開展能力量化分析，以指導無人機選型。

1 改進層次分析法基本原理

層次分析法是美國運籌學家Saaty T. L.等提出的一種將定量分析與定性分析相結合的多目標決策分析方法[8]，其主體思想是基于專家在該領域的經驗對特征量進行多層次的分解，制定層次結構，通過建立判斷矩陣并計算特征向量，得到該層因素對于上一層目標的相對權重[9]，適合多層次、多因素復雜系統的決策，被廣泛應用在業務流程評估、效能評估、風險評估等領域。無人機輸電線路巡檢能力量化，具有涉及因素多、指標層級多、決策者經驗成分大等特點，因此層次分析法具有高度的適用性。

由于層次分析法的內在性質，在實際應用中需要人為判斷并建立判斷矩陣，帶有主觀性、片面性的缺陷，兩兩比較的結果不一定符合客觀實際，所以必須進行一致性檢驗[10]。若不能通過檢驗，憑著大致估計調整判斷矩陣帶有主觀性和盲目性。為彌補層次分析法的不足，本文基于最優傳遞矩陣對層次分析法進行改進，即對判斷矩陣作變化，省去了一致性檢驗環節，提高了操作效率，改進層次分析法的原理如下[11]。

2 無人機輸電線路巡檢能力量化指標體系構建及分級量化

2.1 指標體系構建原則

指標體系是否科學合理對于無人機輸電線路巡檢能力量化至關重要，構建指標體系必須遵循以下幾個指導原則[12-13]：

1）全面性原則。能對無人機輸電線路巡檢能力進行多維度的表征，涵蓋巡檢應用、操作使用、環境適應等多方面的能力，避免單一和片面因素對量化結果準確性的影響，提高能力量化的準確性。

2）可操作性原則。指標體系的構建要考慮輸電線路巡檢無人機應用現狀和市場行情，可方便地采集數據。

3）重點突出原則。無人機輸電線路巡檢能力指標包含多個方面，指標層級延伸拓展空間較大，構建指標體系，應篩選與所屬指標層級密切相關的核心指標，保留巡檢無人機的共性指標，突出指標重點。

2.2 無人機輸電線路巡檢能力量化指標體系構建

根據無人機輸電線路巡檢的定義，結合國內外相關標準和文獻[14-18]，基于全面性、可操作性、重點突出的原則，首先獲取表征無人機輸電線路巡檢能力的候選指標集，再通過問卷調查法、頻度統計法對其進行篩選，最后將同一屬性的指標進行分組歸類，最終構建出包含6個能力維度的一級指標、28個二級指標的指標體系見表1。該指標體系主要針對無人機輸電線路可見光、紅外巡檢，實際應用中，可結合具體的作業要求、載荷需求等，針對性地調整各維度指標。

表1 無人機輸電線路巡檢能力量化指標體系

（續表1）

2.3 指標分級量化模型

因指標體系中既包括定性、定量指標，又包括正相關、負相關指標，部分指標又屬離散指標，無法進行統一的指標歸一化，因此本文采取分級量化的方法，參考行業主流輸電線路巡檢無人機及載荷，并對單個指標進行范圍梳理，確定指標的范圍邊界，并針對分級標準進行問卷調查和頻度統計，最終建立無人機輸電線路巡檢指標分級量化模型見表2。

表2 無人機輸電線路巡檢指標分級量化模型

（續表2）

注：1in=25.4mm。

3 基于改進層次分析法的無人機輸電線路巡檢能力量化流程

基于上述改進層次分析法指標權重確定步驟及分級量化模型，形成巡檢能力量化流程如下。

1）規劃層次結構模型

結合第2節建立的指標體系，建立無人機輸電線路巡檢能力量化層級結構模型如圖1所示。其中，目標層明確所要達到的量化目標，指標層是表征巡檢能力的具體指標，方案層是候選的無人機類型。

圖1 無人機輸電線路巡檢能力量化層級結構模型

2）生成判斷矩陣

（1）構造比較矩陣

其中

再依據比較矩陣，計算重要程度指數，即

（2）構建判斷矩陣

依據重要程度指數H，構建判斷矩陣為

其中

3）計算單層指標相對權重值

基于判斷矩陣，計算其反對稱矩陣為

再基于矩陣，計算最優傳遞矩陣*為

4）無人機參數分級量化

將無人機參數值代入指標分級量化模型，根據相應分級區間獲取特定指標的分級結果，為確保指標的歸一化屬性，在本文中設定“優”為“1”，“良”為“0.8”，“中”為“0.6”，“差”為“0.3”。

5）向目標層匯聚

基于上述層次結構模型及分級量化數值，將各層指標向目標層匯聚，匯聚結果可以表示為

式（8）即為無人機輸電線路巡檢能力量化的計算表達式，將無人機參數值代入，即可得到能力量化結果。

4 基于改進層次分析法的無人機輸電線路巡檢能力量化實例

某沿海城市，在臺風登陸后，為快速評估輸電線路受災情況，該地輸電運檢室針對三型候選無人機進行能力量化，為開展臺風應急巡檢工作制定無人機選型策略。其能力量化流程如下。

4.1 確定指標相對權重

根據無人機輸電線路巡檢能力量化流程，首先構造比較矩陣。無人機進行臺風應急巡檢時的環境適應能力主要受風速和雨水影響，因此其環境適應能力的二級指標中，最大可抗風速和防護等級為主要因素，工作海拔上限和工作溫度范圍為次要因素。采用三標度法構造比較矩陣為

由式（4）構建判斷矩陣為

由式（5）、式（6）計算最優傳遞矩陣為

重復上述步驟，即可得到其他維度二級指標的相對權重。在確定一級指標權重時，無人機臺風應急巡檢受氣象條件影響較大，而且需要拍攝并快速回傳海量高分辨率照片，因此，環境能適應能力、載荷能力、測控能力為主要因素。同理，可得到一級指標的相對權重。各層指標權重計算結果見表3。

表3 各層指標權重計算結果

（續表3）

4.2 無人機機型參數

本文選取三型輸電線路巡檢無人機，分別為：無人機A，大疆經緯M300 RTK（搭配禪思H20T負載）；無人機B，某輸電線路巡檢定制化無人機；無人機C，大疆御2行業進階版。給出三型無人機的指標參數，并將其代入分級量化模型，根據相應分級區間獲取特定指標的分級結果。為確保指標的歸一化屬性，本文設定“優”為“1”，“良”為“0.8”，“中”為“0.6”，“差”為“0.3”。無人機能力參數及分級量化結果見表4。

表4 無人機能力參數及分級量化結果

（續表4）

4.3 量化結果及選型分析

由式（8）可得三型無人機各維度能力指標的量化結果見表5。由各維度指標量化結果可知，在三型無人機中，無人機A的飛行能力、機動能力、飛控能力、載荷能力（含云臺）、測控能力最強，無人機B的環境適應能力最強；由綜合能力量化結果可知，無人機A綜合能力最強，無人機B次之，無人機C最弱。

表5 三型無人機能力量化結果

在臺風登陸48h后，此時無人機受氣象條件影響極大，環境適應能力占主導地位，同時須兼顧載荷能力，由表5可知，可選用無人機B進行粗巡，初步確認輸電線路受災情況；在臺風登陸96h后，需要拍攝并快速回傳海量高分辨率照片，載荷能力和測控能力占主導地位，同時須兼顧環境適應能力，可選用無人機A進行精巡，以進一步確認倒塔、斷線、掉串、飄掛物等情況。

5 結論

本文提出了一種基于改進層次分析法的無人機輸電線路巡檢能力量化方法，構建了指標分級量化模型，形成了能力量化的方法流程。量化實例表明，改進層次分析法和分級量化模型較好地實現了多類型無人機輸電線路巡檢能力量化，為無人機的選型和采購提供了方法路徑。本文建立的指標體系并不局限于某一特定類型的巡檢，可結合具體的應用場景進行指標調整，確保了能力量化的針對性和可拓展性。基于該方法可開展深層次的影響因素分析，進而提煉出關鍵能力指標和改進方向，為無人機立項論證和巡檢應用提供參考。

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Research on quantification of unmanned aerial vehicle transmission line inspection capability based on improved analytic hierarchy process

LI Mingze1XIE Zhong1ZHU Xuesen2YAN Guowei2

(1. Xuzhou Power Supply Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd, Xuzhou, Jiangsu 221000;2. Unit 63601, Jiuquan, Gansu 732750)

Aiming at the problems that unmanned aerial vehicle (UAV) on transmission lines have various types and different performances, and it is difficult to conduct unified quantitative analysis, a quantitative method of UAV transmission line inspection capability based on improved analytic hierarchy process (AHP) is proposed. An index system of UAV transmission line inspection capability is constructed, which includes 6 first-class indexes and 28 second-class indexes, and the index hierarchical quantitative model is constructed. The quantitative example shows that the improved analytic hierarchy process and hierarchical quantification model better realize the capability quantification of multi type UAV transmission line inspection, provide a method path for UAV type selection and capability quantification analysis, and make up for the theoretical gap of UAV capability quantification and capability evaluation.

improved analytic hierarchy process; unmanned aerial vehicle (UAV); transmission line; ability; quantification

2022-09-14

2022-09-27

李明澤（1990—），男，吉林舒蘭人，碩士，工程師，研究方向為輸電線路巡檢、無人機應用等。