無人機在輸電線路巡檢中的應用

李建峰，段宇涵，王倉繼，王西鵬，郭鵬，張友民

（1.陜西地方電力（集團）有限公司寶雞供電分公司，陜西寶雞 721000；2.西安理工大學自動化學院，陜西 西安 710048）

輸電線路巡檢可為電力系統輸電線路的安全可靠運行提供有力保障，但隨著電力電網產業飛速發展，各種輸電線路的分布日益廣泛，輸電線路巡檢的工作量日益加大。然而，由于中國國土遼闊，輸電線路所處的地形復雜多樣，傳統輸電線路巡檢技術由于各自的缺陷而不能有效滿足巡檢要求，這些巡檢技術的不足促進了無人機輸電線路巡檢技術的出現和發展。

針對無人機線路巡檢技術的研究已經成為了電網巡檢和無人機應用領域的一個研究熱點，這一方面的研究也取得了很多研究成果，然而尚缺乏關于無人機輸電線路巡檢方面的詳細介紹。本文詳細總結了近年來無人機輸電線路巡檢方面的研究，闡述了無人機線路巡檢技術的應用優勢及其發展現狀，分析了在巡檢過程中路徑規劃優化和線路故障診斷及預測，探討了它的不足和應用發展前景，為基于無人機線路巡檢的研究提供參考。

1 輸電線路巡檢現狀

目前輸電線路巡檢手段主要可分為人工線路巡檢、機器人線路巡檢、載人直升機線路巡檢和無人機線路巡檢4種方式[1-2]。考慮到輸電線路分布廣、地域環境惡劣、所處地形復雜等情況，采用人工巡檢方式，操作人員的作業條件艱苦且工作量大，特別是對于高遠山區以及跨越江河或沙漠等輸電線路巡檢，人工巡檢方式面臨花費時間長、各種成本高、操作困難大、作業風險高、工作強度大且巡檢效率低等諸多問題，故此巡檢方式越來越不能滿足線路巡檢需求[3-6]。機器人巡檢方式是針對高壓架空輸電線路的1種自動化線路巡檢方式，雖然該巡檢方式巡檢精度高，但也面臨著巡線距離短、巡檢速度慢和難以跨越障礙等缺陷[7-8]，限制了它的應用范圍。載人直升機線路巡檢方式由于可通過直升機搭載成像設備，能夠對輸電線路拍攝圖像，具有較高的輸電線路巡檢效率，但投入成本大，需要大量的人力資源，管理及技術儲備復雜，因而載人直開機巡檢方式沒能廣泛推廣使用。而無人機巡檢方式由于飛機機體小、成本低、載重輕和操作簡便等顯著優點而逐漸受到電力企業的高度重視，在輸電線路巡檢領域中扮演著日益重要的角色[9]。

無人機是一種利用無線遙控設備和機身自帶程序控制裝置操縱運行的不載人飛機系統。由于無人機能夠攜帶圖像采集設備與信息傳輸設備，可將所采集的巡檢信息傳送到地面工作站。相比于載人飛機，無人機偏重于用來執行對于人來說太單調、骯臟或危險的任務。而電力系統常常存在高壓、偏遠等情況，為了減輕操作人員工作量和危險性，無人機逐漸得到了廣泛應用。常用于電力系統的無人機主要有：無人直升機、固定翼無人機、多旋翼無人機和無人飛艇等。

2 無人機輸電線路巡檢

2.1 無人機巡檢系統

無人機巡檢系統通常由無人機、通信設備、機載設備和地面站4大子系統組成。無人機巡檢的各部分功能分析如下[10]。

對于無人機系統來說，通過將相機或攝影機掛載于機體，通過接收地面站的遙控信息指令來實現對電網輸電線路重點部位的拍照取樣，或對輸電線路的全線拍攝。

對于無人機機載設備來說，它是無人機獲取輸電線路圖像信息的媒介。

對于通信設備來說，它是無人機系統與地面工作站之間的橋梁，接收無人機系統的圖像信息并將其傳輸給地面工作站，接收地面工作站的巡檢作業指令并發送給無人機系統。

對于地面工作站來說，它的主要功能是協調無人機的遙測、遙控通信以及對無人機巡檢過程中所采集視圖信息的位置進行定位[11]。

無人機輸電線路巡檢一般將小型攝像機、相機或紅外測溫儀等裝置固定于無人機機體上，通過接收地面站的遙控信息指令來實現對電網輸電線路重點部位的拍照取樣，或對輸電線路的全線拍攝[12]，同時將采集到的圖像信息由通信設備傳輸到地面終端工作站，工作人員針對取得的圖像結合專家知識分析輸電線路運行狀態，并對可能發生的故障查找原因和計劃進一步的檢修策略。

無人機巡檢技術可對輸電線路斷線、桿塔傾斜、絕緣子脫落及異物掛線等的識別和分析，它所巡檢的輸電線路部位主要是桿塔、絕緣子、導線、線路走廊和金具等。適用于無人機輸電線路巡檢技術完成的巡檢任務如表1所示。

表1 無人機線路巡檢技術可適用的巡檢任務Tab.1 Available inspection tasks for the transmission line inspection technique based on UAV

2.2 無人機巡檢過程

為保證無人機線路巡檢的效率和安全正常作業，需經過前期豐富的理論研究，結合輸電線路現場測試效果，合理地制定規范的無人機線路巡檢流程，具體流程如圖1所示。

圖1 無人機巡檢作業流程圖Fig.1 Operation flow chart of the unmanned aerial vehicle inspection

1）制定巡檢計劃并審批。在學習線路巡檢方式方法的基礎上，充分了解巡檢任務，制定輸電線路巡檢計劃并交給主管部門審批。若沒能通過審批，則需要重新制定巡檢計劃。

2）線路巡檢前期準備。獲取現場巡檢輸電線路的地形地貌、氣象條件及周邊線路的情況，并收集線路的走向、運行參數、桿塔精確GPS信息、交叉跨越情況以及以往缺陷記錄資料，將資料信息進行整理以備查找。

3）現場線路巡檢作業。這一部分主要包括無人機起飛前的準備和飛行巡檢作業2個階段。①無人機起飛前的準備。根據所獲得的桿塔及地標物的精確GPS信息，確定無人機飛行具體巡檢路線。檢查無人機系統，確認無人機處于良好運行狀態，若采用自主巡檢模式，應對巡檢路徑進行航跡路徑規劃。②飛行巡檢作業。使無人機以平穩控制方式按預定巡檢方案飛行，當遇到特殊飛行狀況時，地面操作人員可按要求及時更改飛行方案；無人機通過調整云臺角度，以拍照或錄像的方式獲得所巡檢線路工作狀態。

4）巡檢效果總結。記錄無人機現場巡檢作業結果。

5）故障處理及預測。根據專家知識，合理選擇處理故障方法，并根據線路狀態預測可能存在的故障隱患。

2.3 無人機巡檢路徑規劃

當利用無人機自主飛行進行輸電線路巡檢時，需事先對線路巡檢路徑進行規劃，并將所規劃路徑導入到無人機機體導航系統中。現階段，多采用的線路巡檢路徑規劃方法是操作人員逐點計算飛行路徑，然后將這些路徑數據人工手動事先輸入到機體導航系統中，這種飛行路徑規劃方法對于操作人員的計算技巧要求極為嚴格，且計算中不允許出現差錯，否則會帶來安全隱患。

為了有效地規劃無人機輸電線路巡檢路徑，提出了使用智能算法來進行其路徑的規劃方法。文獻[7]提出了一種基于遺傳算法來優化無人機輸電線路巡檢路徑的方法，它采用極坐標編碼方式來構造染色體，結合實際無人機巡檢中的約束條件設計遺傳算子，提高了全局搜索能力。

輸電線路巡檢路徑通常主要包括巡檢作業起飛點、降落點以及線路巡檢作業各目標點經緯度位置信息。在使用無人機進行輸電線路巡檢時，其路徑規劃會受到無人機性能參數和巡檢任務等多種約束條件，即最大航程、最大爬升/俯沖角、最小路徑段長度、最小拐彎角以及自然地理障礙等約束條件。線路巡檢路徑規劃是在可設定路徑空間中找到符合各約束條件的最優飛行路線，在實際應用中，可由在所設定路徑空間中的一系列路徑節點來計算出總飛行路徑，且任意2個相鄰路徑節點用線段接連。假設一條包含n+1個目標點的巡檢路徑，Pi為第段路徑的長度，則目標函數可表示為

式中，h為由約束條件轉化成的懲罰函數。

在無人機線路巡檢中，若僅考慮最大航程、有效監測點、最大飛行距離及環境因素4個約束條件，則懲罰函數的表達式可表示為

式中：a，b和c為常數系數；x1為不可監測目標個數；x2為無人機超過最大航程的長度；x3為航跡終點與飛行終點之間的距離；d為環境影響系數。

此時無人機線路巡檢規劃路徑優化適應度函數可表示為

式中，f（x）為目標函數。

該方法是將無人機線路巡檢路徑規劃問題轉化為路徑適應度函數最小化的問題，可采用單目標優化方法直接優化得出最佳規劃路徑。當然，在無人機路徑規劃中，也可將路徑與其他優化目標（如飛行路徑終點與給定終點之間的距離）一起組成多目標優化模型，利用多目標優化算法得到優化結果。

2.4 無人機線路巡檢作業中故障診斷與預測

無人機線路巡檢以拍攝輸電線路圖像為手段，但僅有極少部分圖像包含故障信息，且傳統模式中使用人眼從圖像中檢測可能存在的故障信息類型。這種處理方式易使操作人員眼睛疲勞，檢測效率低，且不能處理復雜故障類型。為了快速有效地檢測并發現輸電線路的故障，輸電線路巡檢中智能化的故障檢測方案開始成為了一個研究熱點。文獻[13]提出了一種基于多源信息融合理論的輸電線路桿塔檢測框架模型，它主要采用攝像機圖像獲取、桿塔模型聚類分析、特征提取和匹配3個步驟，進而從巡檢圖像中自動檢測出桿塔可能存在的故障類型。文獻[14]提出了一種采用高效且快速啟發式聚類算法的輸電線路故障自動巡檢方法，它通過對Lab空間顏色信息和灰度值進行聚類分析，可有效檢測輸電線路故障特征。

開展故障預測是減少輸電線路突發故障、提高預知維修的重要手段。文獻[15]使用遺傳算法對輸電線路故障進行預測，有效解決了電網輸電線路復雜故障情況下的預測問題，但它不能有效處理無人機所獲得的巡檢圖像。

3 總結與展望

現階段，無人機巡檢大多依靠相機、攝影機或紅外感光儀器等設備進行監測，且智能化水平不足。雖然無人機巡檢技術有這些不足之處，但其具有非常廣闊的應用前景。由于小型無人機的航空特性和大面積巡查的特點，在線路監測和評估方面特別具備優勢。在實際線路巡檢中，由于受巡檢所用設備及輸電線路所處地形的限制，人工巡檢傾向于比較基礎性的、接地的檢查內容。無人機巡檢與人工巡檢進行結合可有效提高輸電線路巡視與檢修效率，可針對輸電線路進行日常巡檢及故障或隱患處理。

隨著無人機技術的日益成熟，無人機線路巡檢的優越性將得到更加充分的體現，它的應用將更加廣泛。通過融合模式識別、通信和電子等諸多技術，形成了有效的無人機巡檢系統，很大程度上降低了輸電線路巡檢人員的工作量，可快速且有效地對輸電線路進行巡檢。隨著無人機路徑規劃、智能故障診斷及預測技術的發展，無人機巡檢系統可進一步提高巡檢質量和智能化水平，增強電力自動化能力。

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