高壓線路檢修中無(wú)人機(jī)協(xié)作通信多鏈路調(diào)度方法

曾仁森，劉 遠(yuǎn)

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

高壓線路的檢修是電力行業(yè)中一項(xiàng)非常重要且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。利用傳統(tǒng)的人工巡檢方式檢查和維護(hù)高壓線路的安全運(yùn)行時(shí)，存在許多困難和風(fēng)險(xiǎn)，需要大量的人力資源且耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，尋求更高效、安全及智能化的解決方案是現(xiàn)代電力行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)[1]。無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展為高壓線路檢修帶來(lái)了新的機(jī)遇。無(wú)人機(jī)具有靈活性高、可高空拍攝、遠(yuǎn)距離通信等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為線路巡檢的理想工具。由于單個(gè)無(wú)人機(jī)的能力和數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)有限，無(wú)法滿足復(fù)雜的高壓線路檢修需求，協(xié)作通信和多鏈路調(diào)度成為提高無(wú)人機(jī)應(yīng)用效能的關(guān)鍵技術(shù)[2]。協(xié)作通信是多個(gè)無(wú)人機(jī)之間通過(guò)無(wú)線通信進(jìn)行信息交換和任務(wù)協(xié)作的過(guò)程。在高壓線路檢修中，協(xié)作通信可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)無(wú)人機(jī)之間的合作，共同完成線路檢查和維護(hù)任務(wù)。多鏈路調(diào)度通過(guò)同時(shí)使用多個(gè)通信鏈路將無(wú)人機(jī)和地面控制站連接起來(lái)，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性，提高整體的健壯性和效率。

1 無(wú)人機(jī)協(xié)作通信多鏈路調(diào)度方法

1.1 信道鏈路的路徑損耗計(jì)算

在無(wú)人機(jī)協(xié)作檢修高壓線路的過(guò)程中，通信鏈路的調(diào)度至關(guān)重要。高壓輸電線路中存在一種典型的時(shí)頻衰減現(xiàn)象，因此無(wú)線電波在戶外傳輸過(guò)程中以反射和衍射為主[3]。在戶外環(huán)境下，由電磁散射引起的多途傳輸效應(yīng)會(huì)使無(wú)線信號(hào)在接收端的接收功率、相位發(fā)生改變，即衰落。物理層信道中的衰落特性將嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)協(xié)作通信的整體性能和傳輸質(zhì)量[4]。無(wú)人機(jī)協(xié)作通信信道模型的衰落特性分類(lèi)如圖1 所示。

圖1 衰落特性分類(lèi)

針對(duì)信道鏈路的衰落特性進(jìn)行研究，計(jì)算該信道模型上瞬時(shí)信噪比的概率密度函數(shù)，即

式中：m1表示衰落因子；α表示衰落的平均信噪比數(shù)值；λ表示衰落信號(hào)的發(fā)射功率；χ表示接收端所得到的接收信號(hào)；κ表示傳輸?shù)乃ヂ湫盘?hào)；OK表示高斯白噪聲。

該信道鏈路的路徑損耗為

式中：gt表示發(fā)射天線的增益；gr表示接收天線的增益；d表示發(fā)射天線與接收天線之間的距離；表示波長(zhǎng)。

1.2 選擇無(wú)人機(jī)檢修高壓線路最優(yōu)路徑

無(wú)人機(jī)協(xié)作節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)傳輸信道，因此他們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù)前必須與其他節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)，以獲得信道的使用權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)通信。如果某個(gè)空閑節(jié)點(diǎn)不在全向通信網(wǎng)絡(luò)中，將無(wú)法接收全向控制幀，也無(wú)法了解其傳輸情況[5]。由于有向傳輸方式的天線增益高于全向方式，且傳輸距離更遠(yuǎn)，空閑節(jié)點(diǎn)很可能處于一對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的有向通信距離之內(nèi)。在向無(wú)人機(jī)接收端傳輸信號(hào)時(shí)，該空閑節(jié)點(diǎn)可能會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生干擾。無(wú)人機(jī)與高壓線路之間的距離如圖2 所示。

圖2 無(wú)人機(jī)與高壓線路的距離

從通信多鏈路的角度出發(fā)，選取一個(gè)路徑損耗最小的無(wú)人機(jī)作為節(jié)點(diǎn)，然后選擇無(wú)人機(jī)檢修高壓線路的最優(yōu)路徑[6]。無(wú)人機(jī)路徑損耗計(jì)算公式為

式中：h表示無(wú)人機(jī)的飛行高度；v、u表示常數(shù)，其大小完全取決于環(huán)境因素；ri表示無(wú)人機(jī)距離使用者的水平高度[7]。如果新檢修高壓線路最優(yōu)路徑清單中的節(jié)點(diǎn)與該檢修高壓線路最優(yōu)路徑清單中最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離超過(guò)了無(wú)人機(jī)的最大飛行距離，那么該循環(huán)將持續(xù)至新檢修高壓線路最優(yōu)路徑清單中的下一節(jié)點(diǎn)，直到找到一個(gè)可行的路徑。

1.3 無(wú)人機(jī)協(xié)作通信多鏈路調(diào)度

將基于多鏈路傳輸?shù)恼{(diào)度方案與信道復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多路傳輸協(xié)議的跨層優(yōu)化。將無(wú)人機(jī)協(xié)作通信的多鏈路調(diào)度定義為簇首和簇成員之間的傳輸時(shí)間分配，將無(wú)人機(jī)多鏈路調(diào)度定義為空分信道重用[8]。重點(diǎn)研究簇內(nèi)和簇間多鏈路調(diào)度下的簇?cái)?shù)和多鏈路調(diào)度策略，以最小化無(wú)人機(jī)的高壓線路檢修能量消耗為目標(biāo)，滿足特定的吞吐率需求。

在無(wú)人機(jī)多鏈路調(diào)度的理論框架下，利用傳輸時(shí)隙計(jì)算和空域信道重用2 種技術(shù)進(jìn)行研究。基于傳輸時(shí)隙計(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)簇首和簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能量的合理分配，解決簇首節(jié)點(diǎn)能量消耗過(guò)大或能量消耗不均等問(wèn)題。空域信道重用技術(shù)可以在同一時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同空分信道的復(fù)用，提高信道利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率。通過(guò)為無(wú)人機(jī)高壓線路檢修的遠(yuǎn)程通信分配更多的發(fā)送時(shí)間，可以有效減少遠(yuǎn)程通信的發(fā)送能量消耗，從而達(dá)到降低無(wú)人機(jī)總體能量消耗的目的。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為證明文章提出的高壓線路檢修中無(wú)人機(jī)協(xié)作通信多鏈路調(diào)度方法的有效性，將該方法、傳統(tǒng)調(diào)度方法（簡(jiǎn)稱(chēng)方法1）和基于貪婪算法的調(diào)度方法（簡(jiǎn)稱(chēng)方法2）進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)中，方法1 是將所有鏈路都激活，對(duì)每個(gè)鏈接進(jìn)行一次計(jì)算；方法2 是按照鏈路的信道增益，采用由大至小的順序排列所有的鏈路，然后逐一判斷每個(gè)鏈路，直到其收斂。

本次實(shí)驗(yàn)選用Matlab 軟件作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)3 種方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集是在100 m×100 m 的地圖上隨機(jī)挑選30 對(duì)節(jié)點(diǎn)。設(shè)置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的單元格大小為5 m×5 m，卷積核大小為21×21，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層數(shù)目為3，傳輸功率為1 W。

當(dāng)處于高壓線路檢修環(huán)境時(shí)，仿真分析采用文章所提方法、方法1 和方法2 時(shí)的誤碼率性能。在相同的信噪比條件下，每種方法都進(jìn)行了10 次模擬，得到的誤碼率平均值就是模擬結(jié)果。在模擬平臺(tái)上使用不同的信道估計(jì)算法，3 種方法的鏈路調(diào)度誤碼率性能對(duì)比如圖3 所示。

圖3 誤碼率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3 可知，在不同的信噪比情況下，使用文章所提方法的誤碼率遠(yuǎn)小于方法1 與方法2。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)3 種方法的鏈路收發(fā)信號(hào)延時(shí)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。

表1 收發(fā)信號(hào)延時(shí)結(jié)果

由表2 可知，在載波頻率增長(zhǎng)的情況下，鏈路收發(fā)信號(hào)的延時(shí)也隨之增加，但文章所提方法的延時(shí)始終小于方法1 和方法2 的延時(shí)，具有更高效的鏈路調(diào)度優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

無(wú)人機(jī)協(xié)作通信多鏈路調(diào)度方法在高壓線路檢修中具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)選擇無(wú)人機(jī)檢修高壓線路最優(yōu)路徑，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)之間的信息共享、任務(wù)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)傳輸，提高線路檢修的效率和安全性，為電力行業(yè)帶來(lái)重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)推動(dòng)無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，高壓線路檢修中無(wú)人機(jī)協(xié)作通信多鏈路調(diào)度方法將得到更加廣泛的應(yīng)用。