輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)概述

　　摘 要: 隨著我國高壓輸電線路的快速建設(shè)，傳統(tǒng)效率較低的人工巡檢模式已難以跟上和滿足其巡檢需求。無人機(jī)智能巡檢技術(shù)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生，并且得到了一定程度的發(fā)展。然而，該智能巡檢技術(shù)涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，而如何將這些領(lǐng)域的方法和技術(shù)合理、高效地應(yīng)用于其中，尚存在一定的困難和挑戰(zhàn)。本文首先概述了輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，而后指出了這項(xiàng)技術(shù)的工作模式和特點(diǎn); 在此基礎(chǔ)上，分析了輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的技術(shù)需求，繼而引出了其存在的四個(gè)尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題: 巡檢數(shù)據(jù)智能處理、無人機(jī)自主巡航、無人機(jī)續(xù)航和無人機(jī)智能巡檢方法與規(guī)程。針對(duì)這四個(gè)關(guān)鍵問題，探討了潛在的解決方案，并且對(duì)未來輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望，以期為該智能巡檢技術(shù)的快速發(fā)展和相關(guān)研究一定的指引和幫助。

　　本文源自祝一帆; 王強(qiáng); 項(xiàng)興堯; 袁雪珺， 電氣開關(guān) 發(fā)表時(shí)間：2021-04-15《電氣開關(guān)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1963年，由沈陽電氣傳動(dòng)研究所主辦。本刊主要報(bào)道：低壓電器、防爆電器、電氣傳動(dòng)裝置方面的科研成果、新工藝、新材料及電器行業(yè)的動(dòng)態(tài)與信息等。

　　關(guān)鍵詞: 輸電線路; 無人機(jī); 巡檢技術(shù)

　　1 引言

　　我國幅員遼闊，為保證全國各地的可靠供電，需建設(shè)較多的高壓輸電線路。而線路巡檢是保證高壓輸電線路正常運(yùn)行的重要手段，對(duì)我國電力的可持續(xù)供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的安全、快速發(fā)展具有重要意義。最近十幾年，隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，架設(shè)的高壓輸電線路越來越多。在這種背景下，如果采用傳統(tǒng)的人工巡檢模式巡檢數(shù)量如此之多的高壓輸電線路，將會(huì)不可避免地存在著作業(yè)強(qiáng)度大、巡檢周期長、部分線路檢修危險(xiǎn)等問題。近年來，國家電網(wǎng)公司積極引進(jìn)無人機(jī)智能巡檢技術(shù)，提升高壓輸電線路巡檢工作的自動(dòng)化程度，改進(jìn)巡檢工作模式，以期實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路的精確、高效、經(jīng)濟(jì)巡檢。

　　目前，無人機(jī)智能巡檢技術(shù)已應(yīng)用于國家電網(wǎng)公司日常的高壓輸電線路巡檢工作中。通常采用的巡檢工作模式是人工巡檢和無人機(jī)巡檢的結(jié)合體[1 - 3]。隨著無人機(jī)巡檢技術(shù)的逐步推廣，隨之也產(chǎn)生了一些新的問題，阻礙了該項(xiàng)技術(shù)在高壓輸電線路巡檢領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。這些問題主要分為: ( 1) 巡檢產(chǎn)生的海量圖像需要后期人工處理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的處理效率較低; ( 2) 巡檢工作人員需要較高的無人機(jī)相關(guān)技能，而現(xiàn)階段的專業(yè)無人機(jī)巡檢人員較少，且其培訓(xùn)成本較高、培養(yǎng)周期較長; ( 3) 無人機(jī)持續(xù)巡航的時(shí)間較短，其難以完成持續(xù)周期較長的輸電線路巡檢任務(wù); ( 4) 還沒有成熟、標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)巡檢方法和規(guī)程，因而當(dāng)前的輸電線路無人機(jī)巡檢工作的安全性和可靠性難以有效的保障。

　　針對(duì)上述問題，本文首先介紹了現(xiàn)有輸電線路智能巡檢無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了無人機(jī)的工作模式和特點(diǎn); 其次，指出了現(xiàn)有輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)尚存在的智能化需求，繼而引出了其存在的四個(gè)尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題: 巡檢數(shù)據(jù)智能處理、無人機(jī)自主巡航、無人機(jī)續(xù)航和無人機(jī)智能巡檢方法與規(guī)程。為此，探討了其潛在的解決方案，可為輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)的相關(guān)研究提供一些有益參考。

　　2 輸電線路無人機(jī)智能巡檢現(xiàn)狀

　　無人機(jī)智能巡檢技術(shù)是一種由飛手遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，通過機(jī)載傳感設(shè)備對(duì)架空高壓輸電線路進(jìn)行巡查和檢修的技術(shù)[1]。根據(jù)無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的不同，可將無人機(jī)分為無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)[2]。其中，無人直升機(jī)體積較大，控制難度和使用成本較高，已很少應(yīng)用于輸電線路巡檢中; 多旋翼無人機(jī)小巧靈活，可垂直起降、精準(zhǔn)懸停，但它可承受的負(fù)載較小，機(jī)動(dòng)性和飛行高度較低，且續(xù)航時(shí)間較短; 固定翼無人機(jī)巡航速度較快，且續(xù)航時(shí)間長，但需要跑道起降，也無法懸停[3]; 結(jié)合了多旋翼和固定翼的復(fù)合翼無人機(jī)兼具多旋翼和固定翼無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但其成本較高，尚未在高壓輸電線路巡檢中使用。

　　在輸電線路無人機(jī)巡檢中，無人機(jī)是承載監(jiān)測(cè)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)遙感設(shè)備的平臺(tái)。常用的遙感檢測(cè)手段包括可見光成像、紫外成像、紅外熱成像、激光雷達(dá)電能等[4]。其中，可見光遙感檢測(cè)利用相機(jī)等可見光采集設(shè)備，檢查肉見可見的輸電線路及其附屬電力設(shè)備的特性和性質(zhì)變化，已被廣泛應(yīng)用輸電線路無人機(jī)巡檢工作中; 紫外遙感檢測(cè)主要利用紫外遙感設(shè)備，檢測(cè)輸電線路和電力設(shè)備是否發(fā)生電暈放電或局部閃絡(luò)的現(xiàn)象。由于成本較高，紫外遙感檢測(cè)尚未在輸電線路無人機(jī)巡檢中被廣泛使用; 紅外遙感檢測(cè)主要利用紅外熱像儀等設(shè)備，檢測(cè)運(yùn)行中的電力設(shè)備是否出現(xiàn)過熱缺陷的現(xiàn)象; 激光雷達(dá)檢測(cè)主要用于輸電線路的地理信息測(cè)繪和定位導(dǎo)航中[5]。

　　無人機(jī)在巡檢輸電線路的過程中，會(huì)拍攝大量的輸電線路和附屬電力設(shè)備的圖片數(shù)據(jù)。由于這些圖片的智能處理還處于研究階段，后期還是需要人工處理。此外，現(xiàn)有輸電線路巡檢無人機(jī)還不能做到完全自主巡檢，巡檢質(zhì)量嚴(yán)重依賴的無人機(jī)巡檢人員專業(yè)水平。

　　3 輸電線路無人機(jī)智能巡檢存在的關(guān)鍵問題

　　從上述分析可知，要實(shí)現(xiàn)輸電線路無人機(jī)的智能巡檢，還需要解決巡檢數(shù)據(jù)智能處理、無人機(jī)自主巡航、無人機(jī)續(xù)航和無人機(jī)智能巡檢方法與規(guī)程等四個(gè)核心問題。

　　3. 1 圖像數(shù)據(jù)處理

　　無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)主要來源于光學(xué)影像數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理已具有較高的智能自動(dòng)化處理水平，應(yīng)用商業(yè)軟件再加上少量的人工干預(yù)即可。而光學(xué)影像數(shù)據(jù)，包括可見光影像、紅外影像等數(shù)據(jù)的智能化處理尚不成熟，還在處在初步研究階段。

　　目前，可將光影像數(shù)據(jù)智能化處理是輸電線路無人機(jī)巡檢圖像處理領(lǐng)域的熱門研究方向。傳統(tǒng)的電力設(shè)備圖像數(shù)據(jù)處理方法是基于人工設(shè)計(jì)特征提取的機(jī)器學(xué)習(xí)圖像目標(biāo)檢測(cè)方法[6]。然而，該方法存在檢測(cè)對(duì)象單一的問題，且存在漏檢、錯(cuò)檢的風(fēng)險(xiǎn)。在輸電線路巡檢中，有將近 900 多種常規(guī)缺陷，并且電力設(shè)備的型號(hào)眾多，設(shè)備之間外形差異較大，基于上述傳統(tǒng)圖像處理方法僅能檢測(cè)單一或少數(shù)幾種電力設(shè)備，缺乏基本的通用性和較高的可靠性，因而實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值較低[7]。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升和智能算法的不斷發(fā)展，有學(xué)者提出可建立大型的數(shù)據(jù)集，將深度學(xué)習(xí)算法引入輸電線路無人機(jī)巡檢圖像的數(shù)據(jù)處理中。從現(xiàn)有研究來看，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在該領(lǐng)域中確實(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿8]。但是，目前還難以建立起比較完善的數(shù)據(jù)集，制約了深度學(xué)習(xí)技術(shù)在輸電線路無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)智能處理中的發(fā)展。未來可通過不同單位和公司的合作方式，建立完善的電力設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)集，將深度學(xué)習(xí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)智能處理中的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。

　　3. 2 無人機(jī)自主巡航

　　無人機(jī)自主巡航是輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的核心組成部分。其巡航的區(qū)域主要分為塔間區(qū)域和近塔區(qū)域。目前，輸電線路無人機(jī)巡檢并不具備自主或自動(dòng)巡檢能力，通常采用的方式是: 人工預(yù)先設(shè)定運(yùn)行的軌跡，然后基于 GPS 按預(yù)定軌跡飛行。該方法存在明顯的不足: ( 1) 無法適應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)或者周圍環(huán)境隨時(shí)間可能發(fā)生的變化，容易發(fā)生安全事故。例如，當(dāng)樹木生長至輸電線路附近時(shí)，無人機(jī)有較大可能撞上樹木，造成無人機(jī)墜毀。( 2) 該方法對(duì)無人機(jī)定位的精度有著較高的要求。然而，常用的民用無人機(jī) GPS 的定位誤差可高達(dá) 10m。雖然利用載波相位差分技術(shù)能克服這一問題，但是該技術(shù)需要建立較多的基站，以覆蓋輸電線路所處的較為廣闊的范圍，因而將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于輸電線路無人機(jī)自主巡航的成本太高，并不切合工程實(shí)際[6]。

　　目前，機(jī)器視覺技術(shù)是解決上述問題的潛在解決方式，也成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此外，采用 GPS 和機(jī)器視覺輔助技術(shù)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是輸電線路無人機(jī)智能巡檢的未來發(fā)展趨勢(shì)。

　　3. 3 無人機(jī)續(xù)航

　　無人機(jī)續(xù)航能力不足是輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)中存在的另一關(guān)鍵問題，已嚴(yán)重制約了輸電線路巡檢的效率。目前，無人機(jī)續(xù)航時(shí)間通常為 30min 左右。為解決無人機(jī)的續(xù)航問題，部分地區(qū)已開始采用了設(shè)置無人機(jī)機(jī)巢的方法。無人機(jī)機(jī)巢主要有巡檢車改裝而成的移動(dòng)式機(jī)巢和固定于桿塔頂部的固定式機(jī)巢。其中，移動(dòng)式機(jī)巢可在一定程度上提高無人機(jī)巡檢的續(xù)航時(shí)間，但并不適應(yīng)無人機(jī)自主巡航的發(fā)展趨勢(shì)，并且人工、維護(hù)等成本較高; 而固定式機(jī)巢僅需少量的人工干預(yù)，更加契合無人機(jī)自主巡檢的要求，因而具有較好的應(yīng)用前景。然而，如何將固定式機(jī)巢完備地融合于輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)中，還有諸多技術(shù)難點(diǎn)需要攻克。

　　此外，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)充能是一種更加理想的解決方案。通常這種方式，可直接提高無人機(jī)的續(xù)航能力，但也存在著一些需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。例如，供能端如何獲取能量問題、供能的穩(wěn)定性如何保證問題、供能存在的其他風(fēng)險(xiǎn)如何避免問題等。利用輸電線路電磁場(chǎng)為無人機(jī)動(dòng)態(tài)充能也是一種潛在方案，但目前還處于探索階段。

　　3. 4 無人機(jī)巡檢方法和規(guī)程

　　當(dāng)前，輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)仍處于試驗(yàn)階段，相關(guān)方法和技術(shù)并不成熟，整個(gè)巡檢作業(yè)流程尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范。根據(jù)傳統(tǒng)的巡檢方法和現(xiàn)有的巡檢經(jīng)驗(yàn)，可將輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)按照巡檢內(nèi)容主要分為線路本體、附屬設(shè)施、通道及電力保護(hù)區(qū)三大部分。在無人機(jī)巡檢作業(yè)中，涉及人員配備、作業(yè)前準(zhǔn)備、無人機(jī)準(zhǔn)備、巡線工作、圖像視頻傳輸、圖像處理等多個(gè)步驟。提出一種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的輸電線路無人機(jī)智能巡檢方法和規(guī)程是應(yīng)用輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的關(guān)鍵一步，其相關(guān)研究可與上述其他三個(gè)關(guān)鍵問題的研究同步進(jìn)行。

　　4 結(jié)論

　　本文概述了輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了這項(xiàng)技術(shù)的工作模式和特點(diǎn)，分析了輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的技術(shù)需求，引出了其存在的四個(gè)尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，并針對(duì)這些關(guān)鍵問題，探討了潛在的解決方案，也對(duì)未來輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望，可為輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的快速發(fā)展和相關(guān)研究一定的有益參考。功能需求分別設(shè)置，功能單元中已經(jīng)說明。監(jiān)測(cè)過程中系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遙信外向發(fā)布，并根據(jù)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果形成整體的監(jiān)測(cè)報(bào)告供人員查詢、調(diào)取。

　　4 配電網(wǎng)自動(dòng)化開關(guān)故障處理及維護(hù)

　　根據(jù)智能診斷系統(tǒng)，人員可以快速確定配電網(wǎng)自動(dòng)化開關(guān)的故障原因，在該基礎(chǔ)上對(duì)癥下藥，從而減少快速恢復(fù)區(qū)域輸配電，提升用戶用電質(zhì)量。常見故障處理時(shí)可以直接采用系統(tǒng)決策進(jìn)行針對(duì)性處理，而日常維護(hù)時(shí)則應(yīng)做好:

　　( 1) 定期巡檢和維護(hù)。按照自動(dòng)化開關(guān)性能指標(biāo)設(shè)定日常巡檢計(jì)劃，檢查開關(guān)外觀完好狀況、開合情況等，定期開展性能測(cè)試。對(duì)出現(xiàn)老化的開關(guān)要及時(shí)更換，損壞開關(guān)應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

　　( 2) 增加防護(hù)保護(hù)。在鳥獸出沒地區(qū)應(yīng)在自動(dòng)化開關(guān)區(qū)域增設(shè)隔離網(wǎng)、驅(qū)鳥器等; 雷電頻發(fā)區(qū)域應(yīng)設(shè)置避雷針、避雷器等; 潮濕區(qū)域應(yīng)增設(shè)通風(fēng)扇、干燥劑等。結(jié)合不同情況開展相應(yīng)防護(hù)和保護(hù)，從根本上改善配電網(wǎng)自動(dòng)化開關(guān)運(yùn)行質(zhì)量。

　　5 總結(jié)

　　配電網(wǎng)自動(dòng)化開關(guān)投入使用后應(yīng)按照區(qū)域情況、開關(guān)性能等做好巡檢和保護(hù)，在智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)施分析開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，確定開關(guān)是否能夠高質(zhì)量地完成輸配電調(diào)控任務(wù)。在出現(xiàn)故障后，應(yīng)第一時(shí)間根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的各項(xiàng)信息與智能決策，快速開展現(xiàn)場(chǎng)檢查和故障處理，有目的性、有針對(duì)性地展開自動(dòng)化開關(guān)維修并完整記錄，以減少同類型事故發(fā)生率，從根本上推動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展進(jìn)程。