無人機在輸電線路巡檢領域應用綜述

劉越 王萬國（山東魯能智能技術有限公司）

我國輸電線路歷程長，分布廣泛，途徑的地理環境復雜的情況，人工巡檢效率低。通過將無人機巡檢技術引入到輸電線路巡檢，提高了輸電線路巡檢效率。本文對無人機在輸電線路巡檢領域的應用進行介紹，對巡檢用的無人機系統進行了分類，并對無人機智能巡檢技術在輸電線路巡檢領域的應用進行了詳細闡述。

隨著國民經濟的快速發展，社會用電量逐年增加，為滿足日益增長的用電需求，國家加快了高壓輸電線路的建設，尤其是特高壓線路的建設。截至2016年底，已建成并投運的220kV以上的高壓輸電線路達170萬千米，輸電線路的日常巡檢及維護面臨嚴峻的挑戰。輸電線路地理環境復雜，經常地處山區、丘陵、高原、高寒、跨越河流等環境中，巡檢難度大，傳統人工巡檢方式已無法滿足日常巡檢需求。隨著無人機技術的發展，無人機巡檢作業巡檢技術作為一種新型的巡檢模式被引入到輸電線路的日常巡檢工作中。

無人機巡檢系統組成與分類

輸電線路巡檢無人機系統主要由無人機平臺、地面站控制系統、載荷及數據采集設備組成。在執行輸電線路巡檢時，根據巡檢任務內容選擇無人機平臺及采集設備。無人機系統通過搭載任務載荷、數據采集設備，通過地面站控制無人機沿輸電線路進行飛行、巡檢、采集線路狀態數據信息。

固定翼無人機巡檢平臺

固定翼無人機平臺主要包括機身、機翼、尾翼、起落架和電機。平臺通過搭載可見光相機或攝像機，配備用于長距離傳輸的數據傳輸模塊與圖像傳輸模塊，構成固定翼無人機巡檢系統。固定翼無人機適用于對線路大環境進行偵察，其飛行控制系統較為精準。固定翼無人機特點在于續航時間長、飛行距離遠、飛行速度快（一般為80～120m/h）、飛行高度高，主要攜帶照相機和攝像機對輸電線路進行超視距巡檢，適用于對線路走廊、采空區、桿塔傾斜、線下樹木、違章建筑、違章作業等較大尺度對象的巡視。由于平臺不具備懸停功能且飛行高度高，導致拍攝的影像資料不夠細致，不能很好地了解桿塔、導線的本體狀況。

多旋翼無人機巡檢平臺

多旋翼無人機平臺，通常具有三個及以上的旋翼軸，每個軸上的電機帶動旋翼產生升力及推力。平臺通過高精度云臺搭載可見光相機、紅外熱成像儀、傾斜攝影相機、激光掃描儀等設備組成多旋翼巡檢系統，可完成對輸電線路桿塔、金具、導線的可見光數據、紅外熱圖、激光數據等狀態信息的采集。結合圖像視覺分析技術，可實現輸電線路各類設備運行狀態（是否存在破損、異物等）的分析；利用激光點云處理技術，可實現輸電線路設備及走廊的三維重建，進而分析存在的樹線矛盾、違章建筑的情況。多旋翼無人機巡檢作業平臺具有良好的懸停能力，可實現輸電線路桿塔及其附屬金具近距離、定點、定位的高清圖像信息采集。地面操控人員通過機載圖傳系統傳回地面站的視頻信息，觀察各部件的運行狀態信息，通過操縱機載云臺與相機，完成各部件信息的精確采集。多旋翼平臺通常體積小、易操作、易攜帶，可以單人完成日常的輸電線路巡檢工作，巡檢作業效率高，較傳統人工巡檢方式在山區、丘陵地帶的巡檢效率提高10倍。但多旋翼平臺續航能力有限，無法完成長航時、遠距離的精細化巡檢作業任務。

無人機巡檢系統示意圖。

輸電線路桿塔覆冰。

無人直升機巡檢平臺

（上）多旋翼無人機平臺。

（下）多旋翼無人機輸電線路采集圖像。

常用的無人直升機有單旋翼無人直升機、共軸式無人直升機。無人直升機通常具備較大的續航能力（續航時間≥2h）與載荷能力（任務載荷重量≥30kg），具備更強的環境適應能力，可以在高原、高寒環境下完成巡檢工作。大載荷無人直升機，通過配備高精度吊艙，可同時搭載可見光采集設備及紅外熱像儀，一次輸電線路巡檢可實現多種類型狀態信息的采集，極大提高了巡檢作業效率。但無人直升機通常體積大，不便于運輸，且需要多名巡檢人員協同完成巡檢工作，不利于快速展開巡檢工作。

無人機智能巡檢技術在電力巡檢中的應用

2014～2015年，國家電網公司在山東、遼寧、青海、福建等10個省份地區開展了無人機、人工和有人機的協同巡檢工作，在協同巡檢的試點應用過程中，確定了無人機巡檢作為常規巡檢手段的地位。隨著無人機巡檢技術研究的深入，巡檢系統在自主避障、智能采集、集中管控、數據智能化處理等領域取得了一定的成果，提高了無人機在巡檢領域的智能化水平。

無人機巡檢自動避障技術

無人機在巡檢過程中，尤其是在執行超視距的巡檢任務中，存在無人機碰撞導線及其他障礙物的危險，通常無人機通過搭載雙目、激光、毫米波雷達等設備來探測巡檢路徑中可能存在障礙物，實時計算障礙物的距離及方位。

獲取到障礙物信息后，需要構建避障決策機制，來實現無人機巡檢系統自動避障。通過融合多種機載傳感器信息，對無人機周圍空間的環境進行三維場景恢復，建立柱狀避障空間；利用路徑規劃算法，如A*、模糊神經網絡等算法，確定避障路徑，完成巡檢過程中無人機自動避障飛行。

無人機巡檢智能采集技術

在進行輸電線路精細化巡檢時，需在無人機懸停狀態時由地面站操控人員手動操控云臺及相機完成設備信息的采集。為完成精細化巡檢任務，至少需要兩名操控人員協同完成采集工作，一名負責控制無人機的飛行姿態、懸停位置等；一名負責調整云臺及相機，對桿塔及附屬金具完成信息采集。

為改善這種作業方式，提高巡檢效率，利用圖像處理及視覺伺服技術構建智能伺服系統。通過攝像機獲取桿塔圖像，并依據特征提取、模板匹配、深度學習等技術確定關鍵目標在圖像中的位置及偏移量，指導云臺伺服機構完成調整及拍照，完成輸電線路信息的智能采集。

表1 多種測距方式對比

（上）輸電線路智能采集系統。

（下）輸電線路巡檢圖像智能處理。

無人機巡檢集中管控技術

輸電線路巡檢無人機巡檢監控的數據不僅僅是輸電線路設備的圖像信息，還需要對無人機的飛行軌跡、狀態、吊艙狀態、天氣等信息進行集中監控，為無人機線路巡檢的安全和可靠運行提供技術支持。

無人機巡檢集中管控系統，采用支持高并發、高可靠性、分布式集群的技術架構，通過大規模的移動地面站管理和數據采集，實現對無人機巡檢流程的管理、巡檢設備的管理、巡檢任務的監控、巡檢結果數據的管理、巡檢線路管理和巡檢人員的管理，可以極大地提高無人機巡檢效率，提升巡檢的管理水平，保障電網的安全性和可靠性。

無人機巡檢圖像數據智能處理技術

輸電線路無人機巡檢會產生海量的圖像數據，依靠人工方式來處理海量數據，勞動強度大且效率低。利用圖像處理及模式識別手段，構建部件自動識別與缺陷診斷系統，智能化、高效率完成巡檢后圖像數據處理。目前，圖像數據智能處理技術可以實現桿塔、絕緣子、均壓環、防震錘等部件的分類與精確定位，可以實現絕緣子掉片、鳥巢、異物等缺陷的診斷。

結束語

無人機巡檢相關技術在輸電領域的應用，推動了輸電線路巡檢模式的創新，極大提高了輸電線路的巡檢效率，全面保證了輸電線路的正常運行。通過將人工智能領域相關技術與巡檢相結合，提升了無人機巡檢的智能化水平，引領了輸電線路巡檢方式的發展。 ■