基于電力巡檢的無人機智能指揮控制系統(tǒng)的設(shè)計

一、引言

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模、復雜度不斷增加，對電力巡檢工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電力巡檢方式存在效率低、耗時長、安全風險高等問題，難以滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)的維護需求。因此，研發(fā)一種高效、安全、智能的電力巡檢方式已成為電力行業(yè)迫切需要解決的問題。無人機具備靈活機動、高效快速、適用范圍廣等優(yōu)勢，可提高電力巡檢的效率與安全性，設(shè)計基于電力巡檢的無人機智能指揮控制系統(tǒng)具有重要的實踐意義。無人機智能指揮控制系統(tǒng)集成無人機技術(shù)、人工智能技術(shù)、通信技術(shù)等，可實時獲取無人機的飛行狀態(tài)、巡檢數(shù)據(jù)等信息，并進行處理和分析，進而對電力設(shè)備進行智能化巡檢與監(jiān)控，滿足電力行業(yè)對電力巡檢的要求。

二、系統(tǒng)需求分析

（一）系統(tǒng)功能需求

該系統(tǒng)應具備對多架無人機進行編隊管理的能力，包括無人機的起飛、降落、巡航等狀態(tài)的監(jiān)控，以及編隊飛行軌跡的規(guī)劃和優(yōu)化。系統(tǒng)可結(jié)合電力設(shè)施的分布情況及巡檢要求，自動生成巡檢任務，規(guī)劃無人機的巡檢路徑，確保巡檢的全面性和高效性；實時接收無人機傳回的圖像、視頻等巡檢數(shù)據(jù)，并予以快速處理和分析，提取出關(guān)鍵信息，為決策提供支持。另外，系統(tǒng)應具備對巡檢數(shù)據(jù)中故障信息的自動識別與報警能力，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患。

（二）系統(tǒng)性能需求

系統(tǒng)應具備高度的穩(wěn)定性，能夠在復雜的環(huán)境條件下正常運行，確保巡檢任務的順利完成；該系統(tǒng)可實時響應操作人員的指令，并實時更新無人機的狀態(tài)和巡檢數(shù)據(jù)，確保信息的及時性和準確性。系統(tǒng)應采取必要的安全措施，防止無人機在巡檢過程中發(fā)生意外，保障設(shè)備安全。另外，系統(tǒng)還應具有良好的擴展性，能夠支持后續(xù)的功能升級和模塊添加，以適應電力行業(yè)不斷發(fā)展變化的需求。

三、無人機智能指揮控制系統(tǒng)設(shè)計

（一）任務管理

任務管理是無人機智能指揮控制系統(tǒng)的核心功能之一，主要負責無人機任務的分配、調(diào)度和監(jiān)控。在任務管理模塊中，系統(tǒng)首先接收來自用戶的任務請求，根據(jù)任務的性質(zhì)、優(yōu)先級和無人機的狀態(tài)，自動或手動分配合適的無人機執(zhí)行任務。同時，系統(tǒng)實時監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)與任務執(zhí)行情況，確保任務能夠按照預定計劃順利進行。當遇到緊急任務或無人機出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠根據(jù)實際情況調(diào)整任務優(yōu)先級，或中斷當前任務并啟動應急處理程序。此外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)任務執(zhí)行情況生成詳細的任務報告，供用戶參考和分析。任務管理流程如圖1所示。

（二）路徑規(guī)劃

接收到任務后，系統(tǒng)需要根據(jù)任務目標和無人機當前位置，規(guī)劃出最優(yōu)的飛行路徑。路徑規(guī)劃算法的選擇對于無人機的飛行效率和安全性至關(guān)重要。通常電力巡檢期間多存在障礙物，需要借助視覺技術(shù)或激光雷達避障技術(shù)，避免障礙物的干擾。以往采用的局部避障技術(shù)具有一定的滯后性，因此需要針對無人機的路徑進行全局域規(guī)劃。路徑規(guī)劃需綜合考慮地形地貌、氣象條件、飛行限制區(qū)等多種因素的影響③。通過采用先進的算法和技術(shù)，如遺傳算法、GIS技術(shù)等，生成滿足任務需求的飛行路徑。同時，系統(tǒng)還具備實時路徑調(diào)整功能，當遇到障礙物或突發(fā)情況時，能夠迅速調(diào)整飛行路徑，確保無人機能夠安全到達目的地。本研究采用BMap平臺，在對道路、建筑物等進行自定義設(shè)置時，以顏色作為區(qū)分，灰度值大小可以作為不同區(qū)域危險程度的評估，設(shè)置好起點與終點，該系統(tǒng)能夠完成全局域的避障路徑規(guī)劃，以指導無人機飛行路徑。

（三）任務執(zhí)行

任務執(zhí)行是無人機智能指揮控制系統(tǒng)的最終目的。完成路徑規(guī)劃后，系統(tǒng)需要指揮無人機按照預定路徑進行飛行，并完成相應的任務。在任務執(zhí)行過程中，系統(tǒng)需要實時接收無人機的飛行數(shù)據(jù)和任務執(zhí)行數(shù)據(jù)，并進行處理和分析。為了確保任務的準確執(zhí)行，系統(tǒng)還需要與無人機上的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)進行實時通信；通過向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送指令，系統(tǒng)能夠控制無人機的飛行動作和任務執(zhí)行。任務執(zhí)行期間的判斷準則如下： ① 按照預先設(shè)定目標執(zhí)行任務，完成當前目標點后再進人下一階段；② 執(zhí)行目標點任務超過時效，系統(tǒng)提示無法完成，暫停任務，并在安全范圍內(nèi)自動執(zhí)行返航任務； ③ 嚴格遵循設(shè)定的懸停時間，盡可能縮短其與預設(shè)時間差異，以獲得清晰的圖像、視頻資料； ④ 執(zhí)行任務宜采取雙重認證的方式，以防出現(xiàn)操作失誤； ⑤ 實時存儲飛行日志數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)，避免受到特殊情況的影響，導致任務中斷。此外，系統(tǒng)還具備任務執(zhí)行過程中的異常處理和應急響應能力。當無人機在飛行過程中出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)能夠迅速作出反應，采取相應的措施進行處理，確保無人機安全和任務順利完成。

（四）任務日志

任務日志模塊負責記錄無人機執(zhí)行任務過程中的所有關(guān)鍵信息和事件，以便后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析、問題排查和經(jīng)驗總結(jié)。任務日志的主要功能包括：任務日志模塊能夠?qū)崟r記錄無人機執(zhí)行任務過程中的各種信息，包括任務開始和結(jié)束時間、飛行軌跡、傳感器數(shù)據(jù)、通信狀態(tài)等。這些信息以時間序列的方式進行記錄，確保能夠完整反映任務執(zhí)行的全過程。記錄的日志數(shù)據(jù)會存儲在無人機的本地存儲設(shè)備或遠程服務器上，以便后續(xù)進行查詢和分析。操作人員可以通過特定的查詢接口或工具，按照時間、任務類型等條件對日志數(shù)據(jù)進行檢索和查看。任務日志包括任務數(shù)據(jù)（MissonData）與飛行日志（FlightLog）兩大類型，ID為主鍵，按照時間順序進行存儲。前者主要用于連續(xù)采集數(shù)據(jù)、懸停數(shù)據(jù)的存儲，可幫助后續(xù)的事態(tài)監(jiān)測與分析；后者則涵蓋了飛行命令及接收的異常信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機航跡的分析。

通過對任務日志數(shù)據(jù)的分析和挖掘，可以提取出有價值的信息和知識，用于無人機的飛行性能、任務執(zhí)行效率以及可能存在的問題、隱患的分析。上述分析結(jié)果可為無人機的優(yōu)化改進及未來的任務規(guī)劃提供重要參考。

四、電力巡檢現(xiàn)場事態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

（一）前端設(shè)計

前端設(shè)計是電力巡檢無人機現(xiàn)場事態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，主要負責用戶界面的呈現(xiàn)和用戶交互的實現(xiàn)。前端設(shè)計需考慮用戶體驗、系統(tǒng)穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)安全等因素。首先，前端設(shè)計應注重用戶界面的簡潔性和直觀性，確保巡檢人員能夠快速上手并熟練操作。界面應提供豐富的功能選項，以滿足不同巡檢任務的需求。例如，可以設(shè)計實時視頻流顯示窗口，使巡檢人員能夠?qū)崟r查看無人機拍攝的畫面；設(shè)置參數(shù)調(diào)整界面，充許巡檢人員根據(jù)實際需求調(diào)整無人機的飛行高度、速度等參數(shù)。前端設(shè)計界中引入了指揮地圖模塊，該模塊的核心元件為WebBrowser控件，其能夠以鳥瞰圖的形式直觀地呈現(xiàn)事態(tài)現(xiàn)場，完成路線的繪制。界面還配備了DataGrid控件，用戶可通過該控件查看任務完成情況。DataGrid控件支持多樣化的數(shù)據(jù)展示形式，包括標簽圖、熱力圖等。不僅如此，該控件中的數(shù)據(jù)還可以被導出到Excel文件中，為指揮人員進行數(shù)據(jù)分析和處理提供了極大的方便。

（二）地圖監(jiān)控設(shè)計

地圖監(jiān)控系統(tǒng)利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)將無人機的飛行軌跡、位置信息和巡檢數(shù)據(jù)在地圖上實時呈現(xiàn)。在地圖監(jiān)控設(shè)計中，需要選擇高精度、高分辨率的地圖作為底圖，以確保無人機位置信息的準確性。同時，還應提供多種地圖圖層選項，如地形圖、衛(wèi)星影像圖等，以滿足不同巡檢任務的需求。此外，地圖監(jiān)控系統(tǒng)集成全球定位系統(tǒng)（GPS）或北斗導航系統(tǒng)等定位技術(shù)，可以實時獲取無人機的位置信息并在地圖上標出，從而方便巡檢人員掌握無人機的飛行狀態(tài)。記錄無人機的飛行軌跡有助于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

（三）飛行任務區(qū)域設(shè)計

飛行任務區(qū)域設(shè)計涉及無人機巡檢任務的規(guī)劃、執(zhí)行和監(jiān)控等方面。在飛行任務區(qū)域設(shè)計中，首先，需要根據(jù)巡檢目標和電力設(shè)施分布情況確定合適的飛行區(qū)域。需根據(jù)地形、天氣等因素進行綜合考慮，以確保無人機能夠安全、有效地完成巡檢任務。其次，飛行任務區(qū)域設(shè)計還需要考慮無人機的飛行路徑和高度。通過合理的路徑規(guī)劃，可以確保無人機能夠全面覆蓋目標區(qū)域并獲取足夠的巡檢數(shù)據(jù)5。同時，根據(jù)電力設(shè)施的高度和分布情況，選擇合適的飛行高度也是至關(guān)重要的。此外，飛行任務區(qū)域設(shè)計還應包括任務執(zhí)行和監(jiān)控的功能。系統(tǒng)應能夠自動或手動控制無人機的起飛、巡航和降落等過程，并實時監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)和巡檢數(shù)據(jù)。

（四）數(shù)據(jù)標簽、熱力圖設(shè)計

在電力巡檢無人機現(xiàn)場事態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)標簽的設(shè)計至關(guān)重要。數(shù)據(jù)標簽是對采集到的數(shù)據(jù)進行分類、標記與存儲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析。數(shù)據(jù)標簽設(shè)計應遵循以下原則： ① 準確性，標簽應準確反映數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征； ② 規(guī)范性，標簽應遵循統(tǒng)一的命名規(guī)范與編碼規(guī)則； ③ 可擴展性，標簽設(shè)計應預留足夠的空間以適應未來數(shù)據(jù)類型的擴展。電力巡檢場景中數(shù)據(jù)標簽包括但不限于線路狀態(tài)、設(shè)備類型、異常類型、環(huán)境參數(shù)等。上述標簽將作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理與展示的基礎(chǔ)。熱力圖是一種可視化工具，能夠直觀地展示數(shù)據(jù)的空間分布與密度。在電力巡檢無人機現(xiàn)場事態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，結(jié)合BMap技術(shù)，可以實現(xiàn)對電力設(shè)施、線路等空間信息的精準定位與展示。熱力圖設(shè)計應充分考慮數(shù)據(jù)的空間分布特點與業(yè)務需求。具體而言，通過設(shè)置不同的顏色與透明度來表示數(shù)據(jù)的不同級別或密度，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場事態(tài)的直觀感知。在展示線路狀態(tài)時，可使用綠色表示正常線路，紅色表示異常線路，并通過顏色的深淺來反映異常的嚴重程度。此外，熱力圖還可與BMap的路線規(guī)劃、區(qū)域搜索等功能相結(jié)合，為用戶提供更加便捷、高效的巡檢體驗。

五、系統(tǒng)測試

該無人機智能指揮控制系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備、算法模型和軟件平臺三部分組成。硬件設(shè)備包括無人機、傳感器、攝像頭、通信設(shè)備等，用于實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸、機載圖像分析等功能。基于人工智能算法，實現(xiàn)無人機的航跡規(guī)劃、故障異常檢測、圖像識別等任務。為驗證該無人機智能指揮控制系統(tǒng)的性能，進行了一系列系統(tǒng)測試，選取了多條具有代表性的輸電線路，評估該系統(tǒng)的性能。測試過程中，記錄了無人機的定位精度、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性等指標。結(jié)果如表1所示。

六、結(jié)束語

綜上所述，本文設(shè)計的基于電力巡檢的無人機智能指揮控制系統(tǒng)，具有較高的巡檢效率與準確性，能夠提升電力巡檢工作的智能化水平，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了有力保障。應繼續(xù)優(yōu)化該系統(tǒng)的功能與性能，以適應更多復雜環(huán)境下的電力巡檢需求。

作者單位：陳佳國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司

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