無人機在架空輸電線路中的研究綜述

孫可可， 張超， 李晨， 張碩， 任琦， 張洪磊， 楊旭東

（1. 中電投工程研究檢測評定中心有限公司；2. 中研建科（北京）工程檢測有限公司）

1 引言

我國有眾多的輸電線處于惡劣的自然環(huán)境中，在長期經(jīng)受自然天氣以及人為方面的影響下，輸電線路會出現(xiàn)損壞與異常。為了保障輸電線的正常運轉(zhuǎn)，工作人員需要對其進行定期檢查。另外人工巡檢具有諸多弊端：受惡劣環(huán)境的影響，人員作業(yè)時要進行大量的安全措施工作，風險性較高；針對較長距離的輸電線，需要投入大量的人力、物力和財力，成本較高，并且效率也難以保證[1-3]。人工巡檢主要依靠相關(guān)的測量設(shè)備和各種傳感器進行，常見的傳感器主要是相機、攝像機以及激光掃描儀等，這些設(shè)備被做成背包式或者能安放在汽車中的移動式平臺進行巡檢。對于人工巡檢來說，無論是否采用上述設(shè)備，人員都需要在巡檢現(xiàn)場近距離完成作業(yè)。在山區(qū)，為了減少線路覆冰等自然災(zāi)害的發(fā)生，一般會選擇植被更加茂密的地段進行布設(shè)輸電線，交通狀況也相應(yīng)更加復雜，人工在這些地區(qū)進行作業(yè)將存在諸多危險。為了高效地對輸電線路情況進行定期檢測，無人機的使用無疑是一種有利的方法，且在很大程度上提高檢查效率。

2 無人機平臺的選取

無人機的硬件組成部分包括：無人機的機架、控制器、動力系統(tǒng)、圖像采集模塊組成[4]。圖1為無人機的硬件組成。

圖1 無人機硬件組成

目前無人機的機型種類比較多，但是真正用電力作業(yè)的無人機機型主要為多旋翼機型。這種機型的飛行器較多，機型上配置的飛行器數(shù)量也不同。多旋翼機型的操作簡單，體型小巧，能夠在特殊的天氣進行作業(yè)，但是飛行距離固定，一般能夠連續(xù)飛行的時間在1個小時之內(nèi)，但是該機型的穩(wěn)定性極高，通過控制器可以達到定點懸停，進而完成照片拍攝，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集飛行照片

其中，地面站控制系統(tǒng)主要的功能是操控無人機完成巡檢工作，并且將無人機所拍攝到的圖片、視頻，以及各種數(shù)據(jù)信息進行回傳。操作人員通過操作可以調(diào)配圖像焦距，進一步了解輸電線的故障點，從而針對性解決問題，如圖3所示。

圖3 地面站控制系統(tǒng)

3 無人機傾斜影像采集

無人機在進行傾斜攝影時，自身需要保持較好的穩(wěn)定性，以抵抗外界干擾，這對于機器的控制而言顯得尤為重要。原明超等[5]、張雪蓮[6]、馬廷超[7]、李鑫龍等[8]在大比例尺地形圖的測量工程中應(yīng)用了無人機傾斜攝影技術(shù)。彭向陽等[9]、xie等[10]將多傳感器系統(tǒng)用于電力線路巡檢中，通過大量實驗分析了傳感器對無人機飛行的影響。由于PID方法能夠較好地對無人機姿態(tài)進行控制，這使得該方法得到廣泛應(yīng)用。

該方法將誤差e的比例項、積分項和微分項進行線性加權(quán)組合，其（ut）的控制算法為：

式（1）中：KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)。三個參數(shù)的選取對控制器的性能具有較大影響。e（t）為控制器輸入，表示給定值與被控對象輸出值的差，稱偏差信號；u（t）為控制器的輸入。

4 輸電線路狀態(tài)預(yù)警

輸電線路狀態(tài)預(yù)警方法的研究主要有兩種。一種是基于大數(shù)據(jù)、深度學習等計算機技術(shù)的預(yù)警方法。沈歡[11]采用了基于極限學習機和支持向量機的輸電線路覆冰預(yù)測模型對輸電線路進行預(yù)測。陸佳政等[12]綜合考慮輸電線的影響要素，提出山火密度時間序列預(yù)測模型。

目前計算機行業(yè)發(fā)展迅猛，為上述預(yù)警方法的實施提供了技術(shù)支撐與保障，但是現(xiàn)場檢測由于自身環(huán)境復雜性的原因，僅僅靠計算機線上檢測難以了解到現(xiàn)場的各方面問題，有時甚至會漏檢現(xiàn)場的危險因素。因此，這類方法主要用于現(xiàn)場環(huán)境良好并且能夠在線實時檢測的場景。另一種方法是引進數(shù)學算法，對輸電線路情況進行劃分狀態(tài)等級來進行分析。徐文寶[13]利用模糊評價方法進行預(yù)警，張衛(wèi)東[14]利用改進的熵權(quán)模糊層次分析法對輸電線進行質(zhì)量評價。鄒仁華[15]結(jié)合層次分析方法和模糊數(shù)學評價方法進行分析輸電線路狀態(tài)。上述方法利用數(shù)學算法對輸電線狀態(tài)進行預(yù)警，層次分析法和模糊數(shù)學評價法在進行指標劃分時存在主觀性較強的問題，現(xiàn)在輸電線的狀態(tài)較復雜，影響因素眾多，利用數(shù)學算法進行分析就會存在計算過于復雜的問題。

5 弧垂計算方法

①異長法在觀測檔內(nèi)兩桿塔不等高時，且弧垂最低點不低于兩桿塔根部連接線的場景較為常用。在觀測范圍內(nèi)找好觀測點視線與電線相切，得AA0=a和BB0=b。示意圖4所示。由公式計算得出弧垂f。

圖4 異長法觀測弧垂示意圖

②角度法用于異長法不適用的山區(qū)或溝谷地段。利用經(jīng)緯儀進行觀測。測量示意圖如圖5所示。

圖5 檔端法觀測弧垂示意圖

式（2）中：a為儀器中心點A1至點A的垂直距離，m；f為觀測氣溫下計算出的檔距中點弧垂，m；θ為儀器視線與導線相切的垂直角，即觀測角；L為被測檔距，m；H為兩桿塔的高差，m。

③平視法主要是利用導線最低點的切線呈水平狀態(tài)進行測量。由下式進行計算最大弧垂（見圖6）。

圖6 平視法觀測弧垂示意圖

6 結(jié)語

由于我國電力線路覆蓋面積廣，人工檢測受環(huán)境、地形和其他因素影響難以短時全面發(fā)現(xiàn)問題。本文介紹了無人機在輸電線線路中的工程應(yīng)用，從多方面分析了現(xiàn)狀問題，為實現(xiàn)無人機對線路的智能化檢測提供參考。