基于參數修正FMEA 的電力作業無人機環境適應性分析

楊成，潘凱寧

（廣東電網有限責任公司韶關供電局，韶關 512000）

引言

近年來隨著無人機技術的發展，小型多旋翼無人機在各個行業大量應用，特別是電力巡檢已經實現了“機巡+人巡”方式的普及。無人機飛行具有一定的安全風險，墜機事故時有發生，影響安全飛行的主要因素除了飛手的操控經驗外，環境因素也具有較大的影響，如低溫、大風、強電磁環境均會使得飛機失控，從而導致危險事故發生和造成經濟損失，特別是電力作業環境下，環境條件較為惡劣，因此對無人機飛行環境適應性進行研究并評估其可靠性具有重要意義。目前對于無人機故障分析及可靠性方面已經開始有些學者進行了研究，如文獻[1]提出使用故障樹法對無人機的故障進行分析，診斷無人機發生故障的可能性。文獻[2]對低空小型無人機的碰撞風險進行了分析，并提出了碰撞風險評估模型，但模型中未考慮環境因素影響。文獻[3]對無人機系統運行風險進行評估，給出了安全性分析的審定方法，但同樣在風險評估中未考慮環境因素。文獻[4]利用實驗法對高低溫極端環境下無人機可靠飛行進行了分析，得到了無人機飛行的極限溫度值。綜上，目前無人機可靠性分析主要集中在故障分析、使用實驗法判斷無人機的飛行可靠性及環境適應性方面，并未有全面、有效的針對電力作業環境的無人機可靠性分析方法。本文提出基于參數修正的FMEA 方法，即潛在失效模式與效應分析方法，對電力場景下無人機飛行環境適應性進行綜合評估。

1 電力作業環境下無人機飛行的環境因素

1.1 多旋翼無人機結構

本文以目前在電力行業中常用的大疆精靈系列的phantom4為例介紹無人機的組成結構，如圖1 所示，phantom4 是四軸多旋翼無人機，主要分為五個部分。分別為機身、動力系統、飛行控制系統、鏈路系統與任務荷載。機身一般采用輕物料制造，以減輕無人機的負載量，phantom4 機身材料為鈦合金、鎂合金材料，其他零部件需按照機身布局安裝；動力系統包括螺旋槳、電機、電子調速器和動力電源；飛行控制系統是無人機的飛行管理和控制部分，是無人機的大腦，主要分為四大模塊，分別為主控單元、慣性測量單元（IMU）、GPS 指南針模塊和LED 指示燈模塊；鏈路系統主要用于無人機與遙控器之間數據傳輸，包括遙控器和顯示器；任務荷載是完成作業的設備，包括攝像頭、云臺和圖傳系統。

圖1 phantom4 無人機結構

1.2 環境因素對電力作業無人機的影響分析

無人機一般在室外自然環境中飛行，會受到自然環境因素的影響，從而導致無人機飛行可靠性下降，本文考慮的主要環境因素有風速、溫度、濕度、海拔、雨、灰塵、電磁環境。

1）風速影響

每種類型的無人機均有一定的抗風等級，如phantom4 抗風等級為五級，但風速較大時，無人機為了保持姿態和飛行會消耗更多的能量，從而影響無人機飛行的穩定性和續航能力。當風速大于無人機的最大飛行速度時，無人機無法正常工作。

2）溫度影響

無人機的組成中主控、電子調速器、電源管理模塊等均由電子元器件構成，溫度過低或過高，都會影響電子元器件的正常工作，引起故障，造成無人機不能起飛，甚至墜機。另外過低的溫度會導致無人機電池放電能力降低，縮短續航時間。高溫環境下空氣密度也較低，無人機升力減弱，同樣的電量下，飛行時間變短。

3）海拔影響

無人機在進行電力作業時可能處在高海拔地區，海拔越高，空氣越稀薄，無人機的升力越小，要產生同樣的推力，動力系統就需要消耗更多的能量，使得續航能力變短。

4）電磁環境影響

電力作業環境下經常會有較強的電磁場，會對無人機的鏈路系統及電子元器件有較大影響。強電磁場情況會使得GPS 信號丟失，無人機導航系統無法正常工作，也會導致無人機與地面站的通訊鏈路斷開，無法操控無人機的情況發生[5,6]。

5）其他因素影響

在電力施工時一般灰塵較大，灰塵顆粒進入無人機電機，磨損增大，降低電機壽命，還會導致電子元器件短路。無人機控制部分、電源系統及地面設備均由電子電路構成，濕度過大或雨天會帶來短路風險。

2 FMEA 分析方法

2.1 FMEA 方法原理

FMEA 是失效模式與影響分析方法，本文利用此方法對電力作業環境下無人機安全飛行的可靠性及風險狀態進行定性、定量分析，得到各環境指標下無人機飛行的風險值，然后經過參數修正得到所有環境指標下的綜合風險值，從而判斷無人機在此環境下安全飛行的可靠性。假定某環境指標失效的可能性為P，其導致無人機發生飛行故障的嚴重程度為S，則此環境指標導致無人機發生故障的風險R 的數學模型如式（1）所示。

將某環境指標失效的可能性P 分為A、B、C、D、E 等5 個級別，無人機發生故障的嚴重程度S 分為1~5共五個級別，如表1 所示，根據不同的P 與S 的等級組合，對無人機飛行風險評定，確定風險等級[7-10]。假定某環境指標失效的可能性P 等級為C-有一定可能，無人機發生故障的嚴重程度S 為3-中，則風險等級為3C。

表1 風險等級表

本文根據專家經驗，按照某環境指標對無人機正常飛行的影響將風險等級分為五類，并給風險等級賦予一定的分值進行量化，量化結果如表2 所示。

表2 風險等級取值表

2.2 無人機飛行環境風險模型

根據本文1.2 節所述對無人機安全飛行有較大影響的環境因素，確定風速、溫度、濕度、海拔、雨、灰塵、電磁環境等七個環境指標，根據這些指標確定無人機安全飛行綜合風險評價模型如式（2）所示。由于環境指標受到地域或其他因素的影響較大，本文對相應的環境指標對應的風險等級進行了修正。

式中：

R1—風速指標風險值；

R2—溫度指標風險值；

R3—濕度指標風險值；

R4—海拔指標風險值；

R5—雨指標風險值；

R6—灰塵指標風險值；

R7—電磁環境指標風險值。

由于溫度、濕度及雨三個指標南北方差異較大，需要根據地區進行修正，a、b、c為相應環境指標的修正系數，當在南方地區飛行時，a=b=c=1.1，在北方地區飛行時，a=b=c=0.9。電磁環境根據施工環境周圍是否有其他電力線路進行修正，有正在運行的電力線路時，d 取1.2，無電力線路時，a 取0.9 為相應環境指標風險的修正系數。

依據上述風險評價模型及行業專家意見，將無人機安全飛行風險劃分為5 個等級，如表3 所示。

表3 綜合環境指標下無人機正常飛行風險等級

2.3 指標風險量化

2.3.1 風速指標風險量化

風速對無人機的穩定飛行具有較大影響[11]，風速風險量化如表4 所示，在風速為（8~10）m/s 時風險值最高，取值為4.75。本文所有指標風險量化均根據表2 及專家經驗確定取值。

表4 風速、溫度風險量化表

2.3.2 溫度指標風險量化

一般電子元器件的工作環境的溫度范圍是（-5~45）℃左右，常規鋰離子電池的工作溫度在（-20~60）℃，但一般低于0 ℃后鋰離子電池的性能會下降，放電容量也會隨之降低，所以鋰離子電池的工作溫度一般為（0~40）℃。本文按此范圍對無人機飛行環境溫度范圍進行了劃分，并對溫度指標風險量化，如表4 所示。其中環境溫度在（-25~-5）℃、（40~45）℃較為惡劣的情況下風險值R2最高，取值為3.5。

2.3.3 濕度指標風險量化

空氣濕度最高為100 %，對無人機飛行濕度范圍進行劃分，并進行量化，如表5 所示。如在濕度大于50 %時，無人飛行風險較高，取值為2.75。

表5 濕度、雨風險量化表

2.3.4 海拔指標風險量化

電力作業無人機一般為低空飛行無人機，其受到海拔影響主要是由所處作業區域海拔不同造成。本文將海拔分為小于1 000 m 和大于1 000 m 兩個等級，量化結果如表6 所示。

表6 海拔、電磁干擾風險量化表

2.3.5 電磁環境指標風險量化

在電力作業環境下，周圍常存在運行的電力線路，強磁場會引起無人機通訊等故障，使得無人機不能正常工作[12]，本文將電磁干擾分為兩種情況，一種為有對無人機造成影響的電磁干擾，一種為無電磁干擾，風險量化如表6 所示。

2.3.6 灰塵指標風險量化

根據塵埃在空氣中的含量，將灰塵環境分為三個等級，輕度灰塵環境、中度灰塵環境和重度灰塵環境，風險量化結果如表7 所示，電力作業中的電力施工場所灰塵較大，風險值一般應取3.5。

表7 灰塵等級及風險量化表

2.3.7 雨指標風險量化

本文根據無人機的特點考慮雨的三個等級，即小雨、中雨、大雨，雨指標風險量化結果如表5 所示。如在大雨時，風險量化為4.25。

3 無人機環境適應性分析實例

3.1 實驗設備與參數

本文在南方某電力環境實驗場地利用大疆精靈系列無人機Phantom4 ProV2.0 進行實地飛行測試，并對其飛行可靠性進行評估，如圖2 所示，無人機參數如表8 所示。

表8 無人機主要參數

圖2 實地飛行測試

3.2 算例分析

經過測量及分析，實驗場地的環境參數及相應環境指標如表9 所示。

表9 環境參數

根據表9 各指標量化取值，代入式（2），確定環境綜合風險R總，由于實驗地區為南方地區a=b=c=1.1，所以最終確定R總=2.75+1.1*2.75+2=7.775。由表3 可知，R總在5~10 之間，則此實驗環境下無人機飛行風險等級為2 級，屬于較低風險。實地測試證明，無人機飛行情況較好，環境因素對其安全飛行影響較小。

4 結論

無人機在自然環境中飛行有一定的安全風險，無人機環境適應性分析對保障電力作業無人機正常工作具有一定的意義。本文提出利用參數修正的FMEA 方法對無人機飛行可靠性進行評估，將風、溫度、濕度等七個主要環境因素進行風險量化，使用無人機飛行風險模型對環境風險進行綜合分析，獲得無人機在該環境下的綜合風險等級，為無人機操作人員提供一定的判斷依據，并為電力作業環境下無人機飛行可靠性分析提供了參考。文中對于部分環境指標，如電磁環境指標劃分較粗，在接下來研究中將對此類指標進行細分，深入研究此類指標對無人機飛行風險的影響，進一步完善無人機環境風險評估模型。