基于多模態信號中繼傳輸的多機聯合巡檢研究

張楚謙， 郭景武， 王星超， 夏立偉， 吳嘉琪

（國網湖北超高壓公司輸電檢修中心，湖北武漢 430050）

0 引言

近年來，我國整體電網建設速度加快，輸電網絡延伸，運維工作量隨之大幅增加，傳統的人工巡檢暴露出效率偏低、人員安全保障困難等缺點[1]，給人工安全和現場作業管理帶來許多不便，難以有效保證電網的安全運行。目前海內外學者對輸電線路巡檢作業相關課題展開了大量研究，除了人工巡檢，還有衛星遙感技術、激光探測技術、無人機智能巡檢等方法技術。衛星遙感技術非常適合大面積探測[2]，而面對小面積的突發情況仍存在時效性差、精度低等問題；激光雷達技術可判斷線路問題的準確位置等信息，但可視化能力較差，不適用于輸電線路長時間實施巡檢監測；通過搭載視覺傳感器，無人機沿輸電線路開展巡視，在無人機回傳視頻信息后，地面人員可及時了解情況[3]。與其他技術相比，無人機巡檢更為高效、經濟、安全，適用于架空輸電線路的巡檢作業。

隨著無人機相關技術的不斷完善，該技術已經成為電網運行巡檢、監控及維護的一個重要輔助工具。為了更大地提升巡檢質量和效率，解決安全風險問題，需推動輸電線路巡檢作業向智能化方向轉變，實施架空輸電線路無人機高效高質巡檢。使用無人機進行電力巡檢的應用雖然發展較快，但在山地較多且人員不便到達或通視性有限的區域，其作業效率在受到摯肘的同時也存在不少缺陷[4]。首先，發送端設備和接收端設備一個位于控制端上，另一個位于飛機上，常規的無人機圖像傳輸和控制信號存在收發天線失配的風險，因為設備發送端一般使用垂直極化天線，如果多臺設備同時互相通信，勢必會存在互相干擾問題；第二，無人機如果在飛行途中遇到如高山、大樹等障礙物時，圖像傳輸的信號會變弱甚至沒有信號[5]。克服這些不足之處是當前有效開展架空輸電線路巡檢作業的關鍵。

近年來，國內外許多學術文獻都在探索無線通信中關于中繼通信方式的選擇和相關算法，尤其是在無人機相關技術不斷發展的趨勢下，新穎解決方案成為熱點，希望借此能突破對無人機通信中繼方式的判斷和應用的研究。比如，有學者在研究構建無人機系統的衛星中繼測控數據鏈時，使用作為空中中繼平臺的通信衛星是商業化衛星或軍用衛星，實現了國內遠程無人機系統超視距遙控、遙測和偵察信息的實時傳輸。還有不少研究人員提出中繼轉發系統的思路，并成功應用到無人直升機的相關場景，對該系統的設計方案、總體架構以及實現時遇到的技術難點、解決方案都進行了闡述和論證。還有學者在單載波頻域均衡體制的4G 技術的基礎上，利用小型旋翼無人機實現中繼通信，旋翼無人機構建起空中轉信平臺，達到地空寬帶無線網絡互聯的效果，這是一種基于4G 的無線組網設計方案，有利于促使快速網系互聯、多業務高速數據傳輸。本項目在分析和運用無人機多模態信號一體化中繼系統的基礎上，研究架空輸電線路多機聯合巡檢技術，不僅提升了巡檢作業效率，更使架空輸電線路安全運行系數不斷提高。

1 無人機中繼傳輸系統

1.1 目前主要的無人機中繼方式

無人機中繼方式的種類繁多，綜合分析后可分為兩大類，即基于地面中繼節點的通訊方式和基于空中中繼節點的通訊方式[6]。按中繼節點的特點來看，基于地面中繼節點的通信方式還可分為基于公網資源和自建的地面中繼節點通信方式。相比較而言，基于公網的方式有著覆蓋面廣、運行成本低等優點，但時延問題及安全問題也是其不可忽略的弊端；按可沿線路走廊布置的自建地面中繼節點，電力系統的桿塔等設備均可作為中繼設備安裝支點，但是過多的地面自建中繼節點點多面廣，容易受到戶外安裝惡劣環境的影響，設備新老更換等工作會是未來的難點和痛點，維護更新成本較高。

依據空中中繼節點的特點，基于空中中繼節點的通訊方式可分為基于衛星的中繼方式和基于機載的空中中繼平臺方式的無線通信。全天候、全覆蓋、靈活通信是衛星中繼的優點，但衛星中繼使用費用高、飛行高精度及實時飛控等要求難以達到。超大范圍的數據鏈路雙向通信、高速大流量的雙向數據傳輸是選擇機載空中中繼平臺作為無線通訊方式的突出優勢，但需要操作無人機組，操作控制較為復雜，系統前期設計成本較高。具體分類比較和總結如表1所示。

表1 中繼傳輸系統的主要分類

1.2 無人機作為中繼平臺的優勢分析

就協助執行傳輸任務而言，無人機作為中繼平臺的多跳通信系統能夠有效加寬傳輸網絡的覆蓋區域、強化系統的魯棒性，而且使信道容量穩步提升[7]。衛星是無人機作為中繼平臺出現之前最常見的中繼平臺，但是衛星在中繼通信中存在如制作成本非常高、部署麻煩、維護困難等一些比較明顯的缺點，這也是衛星逐漸在中低海拔通信領域被無人機取代的原因[8-9]。而相較于衛星，無人機作為中繼平臺的優勢非常明顯，具體分析總結如表2所示[10]。

表2 無人機中繼通信方式的優勢分析

在將無人機作為中繼平臺時，需同時關注兩條鏈路，即地面節點到無人機的中繼鏈路和無人機中繼到目的地節點的鏈路，兩條鏈路都會對通信網絡性能產生影響。因此，相比無人機作為空中基站，無人機作為中繼平臺的位置部署要困難得多，這也是當前相關研究的重點和難點。

2 多模態信號一體化中繼傳輸系統

2.1 多模態信號一體化中繼傳輸系統工作原理

無線信道對性能的影響在無人機組內相互通信時最大，不同種類的傳輸現象從波傳播角度都可以歸結到信道特性上。電磁波傳播模式與無線通信場景、復雜地形緊密相關，主要包含反射和繞射、散射及吸收等。這些因素也會影響作為中繼傳輸系統的無人機[11]。目前，無人機系統遙控器和地面控制終端的上下行傳輸均采用2.4 G 通道。由于2.4 G干擾較大且繞射性能較差，可以將無線通信鏈路改造為多信號鏈路的移動基站。信號通過無人機掛載中繼，傳輸距離更長，質量更好，飛機操作航程更大。

無人機信號時刻變化，當多個單元相互分離時，執行任務需要無線通信的協調。中繼系統通常用于增強無線信號，傳統方法中包括地面車輛、直升機或衛星等無線信號作為中繼系統，當用于增強無線信號時仍有一定的局限性。多模態信號一體化中繼傳輸系統應用多鏈路傳輸技術以及自動切換應用頻率技術，多個設備同時使用時，可以使用無干擾頻率自動切換技術，在2.4 G和5.8 G范圍內，將工作頻率自動切換到高質量信息頻率，頻率產生的同時出現大量次頻率，這些次頻率通常以主頻倍數的形式出現，增強通信量和距離。

多模態信號一體化中繼傳輸系統的工作原理是利用無人機組實現指揮中心與一個或多個指揮中心之間的無線通信連接，每個梯隊分配多架配備無線通信中繼設備的無人機，這些指定的無人機發射并在地面梯隊后面的操作區域上形成空中中繼系統，也就是空中中繼節點。忽略周圍環境、部署時間以及梯隊和指揮中心的位置的情況下，多架無人機為地面部隊提供無線通信。

2.2 多模態信號一體化中繼傳輸系統技術

配備移動基站的無人機飛到高空，在多模式信號一體化中繼傳輸系統的應用下，可以不被外界干擾地鎖定預定目標，然后控制另一臺工作無人機，通過移動基站傳輸信號，間接控制無人機，完成飛行任務。無人機遠程控制端和飛機中繼端之間傳輸的數據通過外部第三方設備傳輸，以擴大無人機控制的距離，增強圖像傳輸信號。遙控器和地面終端數據傳輸站通過UART 接口連接到數據傳輸站，地面數據傳輸站通過無線鏈路向飛機端數據傳輸站傳輸數據，飛機端數據傳輸站通過CAN 接口或UART 接口向飛行控制站傳輸數據。此外，為了實現無線高清視頻的遠程中繼傳輸，可以選擇COFDM 圖像傳輸設備將視頻從飛機傳輸到地面端。

多臺無人機在處理任務時，其狀態可能實時受到環境的影響[12]，基于多模態信號一體化中繼傳輸系統的多機聯合巡檢技術，使用如基于MQTT 協議的多模態信號一體化中繼傳輸系統，可以實現“一控多機”、多機聯合的輸電線路機巡作業。地面遙控器發送巡檢任務至無人機中繼系統平臺，中繼無人機接收到信息后，及時通信給巡檢無人機編隊，編隊中的無人機在接收到相關任務請求后，分享傳遞消息，實現多機聯合，共同完成巡檢任務。

3 基于多模態信號一體化中繼傳輸系統的多機聯合巡檢技術

成本低、操控性強這些因素使無人機廣泛地應用于巡檢任務中。在大面積的電網智能巡檢任務中,單無人機的續航半徑非常有限，無人機組聯合協作可有效完成巡檢任務[13]。例如無人機分層族群規劃任務[14]、分布式多無人機編隊[15]、有障礙區域多無人機多目標點路徑規劃[16]等這些技術都有借鑒意義。由于無人機在開展巡檢作業時，目的節點距離源節點較遠，甚至可能受到譬如高山峻嶺、高大建筑物等障礙物的遮擋與阻攔，使節點之間不能建立直接有效的鏈路[17]。為此，布設適量的無人機組在目的節點和源節點之間，可以建立通信鏈路，實現多機聯合助力架空輸電線路巡檢作業。

無人機具有航點飛行功能，無人機多機聯合巡檢在發揮這一功能時，使架空輸電線路巡檢任務在多臺無人機的起飛、巡航、拍攝、降落全過程實現自動化，操作人員通過一鍵啟動無人機來實現自主巡檢[18]。目前多機聯合模式較為常見的是無人機編隊控制，這是一種經典的協同控制響定，是無人機協同控制的一個重要趨勢，擁有廣闊的發展前景。這種模式可以充分發揮有限的單機資源的作用，形成隊伍來共同執行當前較為復雜的巡檢等任務,尤其是對于單機來說不可能完成或是難度較高的任務[19]。無人機組協同飛行是實現以及強化無人機作戰能力的核心技術，具有單機無法比擬的優勢。

中繼技術可以維持無人機組聯合巡查模式下的數據鏈路。無人機采集視頻數據后實時傳送，有利于及時開展任務[20]。通過基于多模態信號一體化中繼傳輸系統的多機聯合巡檢，可實現多機聯合的架空輸電線路機巡作業，形成編隊制。當無人機中繼系統平臺接收到地面遙控器發送的巡檢任務指令后，中繼無人機給巡檢無人機編隊傳輸任務信息，各無人機接收到任務請求后，互相通信并一起完成聯合巡檢任務。具體流程如下：①地面站發送巡檢任務至中繼無人機后，中繼無人機發送信息給鄰居無人機，接收到任務請求的鄰居無人機互相通信并一起完成任務；②鄰居無人機接收到任務請求后，轉發給附近其他無人機成員，同時自我判斷能否充當中間節點，若能，就迅速將此信息反向傳遞給中繼無人機；③以上步驟完成后會形成無人機路線，中繼無人機沿此路線采用“點對點”方式與其他成員通信，共同完成任務。

4 結束語

無人機在電力線路巡檢中有著重要技術應用場景，中繼系統的研究顯得尤為重要。綜上所述，在面對較為復雜的地形時，開展架空輸電線路巡檢作業迫切需要無人機技術的突破與支持，特別是在中繼系統方面。而基于多模態信號一體化中繼傳輸系統的多機聯合巡檢技術，不僅能夠克服地形對無人機信號的遮擋和信道干擾的缺點，而且其工作效率是傳統巡檢作業效率的數倍對提升輸電線路安全運行水平有極大促進作用和價值。