無人機如何成為風電場的“CT掃描儀”

在海拔3800米的山上，有風電工程師徒步和風餐露宿的身影。

在高鹽度的海風中，葉片隨時隨地面臨被腐蝕的風險，卻難用“眼”察覺。

在偏遠地區，人工巡檢風電場時，步步維艱。

在輸電線上，附著風箏、塑料袋等異物，雷雨天氣時極易造成線路短路跳閘，帶來不可預估的經濟損失……

這些，都被新疆金風科技股份有限公司（以下簡稱“金風科技”）的無人機記錄下來。

作為風電場全生命周期服務的供應商，金風科技一直在思考，除了用于記錄，無人機還能做些什么？

風電場規劃設計階段：輔助現場踏勘、為三維風能資源仿真、場內道路設計精確輸入。

風電場建設階段：獲取道路的高精度模型，模擬車輛運輸行走路線，對可能的風險提前進行預警，施工過程中，實時監控施工工藝、流程、進度，可及時發現問題并修正。

風電場運維階段：替代傳統人工目視、望遠鏡巡檢以及人工攀爬除障的方式，飛行至目標區域，一方面利用高清攝像頭獲取影像資料，排查葉片、塔筒以及線塔可能出現的問題；另一方面，通過無人機搭載機械手臂和噴火裝置，實現異物清除。

下面著重介紹無人機在風電場規劃設計和建設中的一些重點應用。

讓風電場設計實現三維可視化

在風電場規劃設計階段，現場踏勘是至關重要的一項工作。通過現場踏勘，一方面，可以排除實時性的限制因素，如地貌的改變、投影坐標系的偏差，以及對現場吊裝施工條件、地質條件進行分析；另一方面，是在道路、風能資源、施工等被確認均無限制后，為后期施工提供準確點位輸入。

傳統模式的踏勘完全依靠人工完成。在風電場建設前期，多數情況下場址地形處于未開發的原始狀態，踏勘的必要性和自然環境的危險性并存，加之可預想的風電場建設后期塔筒、葉片檢修等難題，無人機的使用為解決這些難題提供了可能。

2016年開始，金風科技配備專業級長航時無人機與半專業級便攜式無人機二十余架。通常，金風科技無人機輔助現場踏勘作業隊伍為2人，其中一人專注于飛行控制和視角調節，保證飛行安全，另一人則通過佩戴飛行眼鏡的方式，置身空中以俯瞰視角進行VR全景觀看，以無人機第一視角審視機位點，保證對風險區域的重點關注。也可通過實時圖傳快速、宏觀了解現場情況，高效獲取機位點、風險區域的高清視頻和圖像資料。

此外，無人機在指定區域上方可利用“一鍵全景”“規劃航線”等飛行方式獲取空中全景和三維實景數據，結合金風科技大數據處理云平臺，快速處理生成目標區域無人機空中全景影像和三維實景模型。全景影像收納目標點周邊360°的高分辨率影像，對目標位置周邊的信息做到全方位掌控。業務人員在全景模型的相應位置中對需要注意的問題進行標注，這樣通過網絡將全景影像發布以后，沒有到達現場的人員也可以直觀、快速地掌握現場詳細信息。基于空中航空攝影測量原理，利用高清影像和相應的位置姿態數據，經過空中三角測量和構建模型等過程生成覆蓋區域的三維實景模型，生成不同分辨率、覆蓋面積的三維實景模型，模型分辨率可高達厘米級，地物清晰可見。結合VR頭盔和3D眼鏡，實現“虛擬現場踏勘”的效果。

這一全新的模式，結合無人機實時視頻、圖像，360°空中全景以及三維實景模型，讓踏勘視野更宏觀、風險點識別更精準，大大降低風險，工作效率提高50%以上，實現風能資源工程師體力勞動的解放，使其可以將更多精力用于風電場設計方案的優化。

圖1 金風科技風能資源工程師參加四川某風電場的踏勘

圖2 金風科技使用無人機在湖南某項目進行踏勘

當然，也是從輔助現場踏勘開始，金風科技發現無人機可以做的事還有更多，比如可以進行快速、精準測量。

傳統測繪地形圖分辨率多為2米或5米等高距。以山西忻州山區10萬千瓦項目為例，場區面積約120平方公里，從人工踩點到制作等高線測繪圖需要2個月時間。而無人機獲取高清影像后，在不到1周時間內便可處理生成三維實景影像，地面分辨率高達厘米級。

在此基礎上，通過影像識別技術快速識別，可精確定位村莊、墳墓、溝壑及石油礦井等限制區域。結合GIS（地理信息系統）、金風科技可視化風電場設計平臺等工具，設置緩存區域，在合理位置進行自動化風電機組排布。

同時，無人機獲取的高清影像也為風電場平臺面積和挖填土方等施工需求提供資料輸入。

這些都使實現風電場的三維可視化設計成為可能。以陜西定邊某5萬千瓦風電場為例，無人機在完成一天的現場拍攝工作后，工程師可通過金風科技自主研發的三維可視化風電場規劃設計平臺，三維實景地形開展風能資源CFD模擬仿真，基于風能資源優勢區域充分利用、規避風險區域的自動排布，通過充分了解地形地貌，直觀進行風電機組排布、調整及優化，使設計更精準。在其后的機位點及升壓站位置選定中，通過設置最短路徑、規避風險區域等智能算法，自動實現場內道路、集電線路規劃，統計施工成本。

在這一過程中，通過應用無人機技術，從測繪工作開始，將大大減少人工作業風險，且每個階段都“所見即所得”，風電場設計更直觀、準確性更高。

不只是“掃描儀”那么簡單

到風電場建設階段，無人機及其數據獲取之后的應用便不止是“掃描儀”這么單薄了。

以南方復雜地形的項目來說，其機位點吊裝面積較為有限，多面臨平臺坡度大但吊裝面積小的問題。這一問題增加了風電機組吊裝難度，對吊裝方案的設計提出更高要求。科學的吊裝方案，不僅要保證后期吊裝的正常開展，也需精準評估施工量和施工成本，對預選機位點做出合理性、經濟性分析。金風科技結合多年項目施工經驗，針對南方復雜山地項目自主開發了象腿工裝、預埋基座等小平臺吊裝方案，包括現在行業內常用的吊裝方案在內，其實施的關鍵問題都在于最優利用吊裝平臺，實現工裝、基座、大部件及吊裝器械的合理擺放。

目前針對小平臺的吊裝方案，設計主要分為兩類，其一需要經驗豐富的工程師現場踏勘，根據現場情況做出合理分析和設計，方案科學與否依賴于工程師的技術水平和吊裝經驗，這種方法需要耗費較多的人力成本；其二是借助于測繪地形圖對平臺地形的描述，基于平面擬合等方法重建山體特征后，模擬場坪效果和吊裝平臺場景。方案的模擬效果和設計精度與測繪地形圖精度密切相關，目前風電場地形圖大多等高距為2～5米，即2～5米間距內的地物特征難以體現。同時模擬重建的山地特征沒有地表紋理，設計人員無法完全、直觀地掌握現場地形地貌特征。

金風科技在小平臺吊裝方案設計中創新引進了無人機的使用，即對于小平臺機位點，利用便攜式無人機飛行至機位點上空50～100米后，按照規劃航線圍繞機位點飛行，飛行過程中按照預設重疊度拍攝高清數字影像并記錄拍攝時刻的位置信息。獲取數據后將高清影像及對應的位置信息相結合，基于空中三角測量等原理方法，生成測區內的三維實景模型，地面分辨率可以達到厘米級，地物清晰可見。無人機平均需要20分鐘完成一個機位點的拍攝，1個小時內便可生成高精度三維實景模型。

構建模型后可進行長度、面積及挖填土方量統計。針對小平臺機位點的三維實景模型，通過設置不同的挖填高度，模擬挖填后場坪效果，測量模擬場坪的長、寬、面積及挖填土方量數據，通過不同的挖填高度尋優最佳場坪方案，在保證施工要求的前提下達到施工成本最低。在挖填土方量統計過程中，通過智能濾波和人工修正相結合的方法，去除地表樹木和植被的影響，保證統計結果最接近真實值。確定最佳場坪方案后，將大部件及吊裝器械等1:1模型模擬放置在虛擬場坪中，合理規劃擺放位置，完整模擬后期吊裝的全部施行過程。

通過無人機對小平臺及吊裝風險機位點快速勘測，生成三維實景模型，設計人員可以對機位點地形地貌信息形成更全面、更直觀的認識。通過模擬場坪最優挖填方案及施工量、施工成本精準評估，并1:1模擬大部件、器械的擺放，對吊裝方案進行提前預演，大幅降低吊裝風險。

在越來越強調立體空間感知的今天，金風科技引進成熟的科學技術，對其進行充分融合和應用，在風電場開發全程融合互聯網+大數據的思維，引入包括無人機技術在內的GIS、氣象、流體仿真等專業技術，通過多維度的專業融合為后期的建模分析提供精準數據輸入；通過自主模型開發，降低風電場前期風能資源評估的不確定度；利用VR技術多維展示等，凸顯專業技術應用在風電場立體空間信息定量分析、真實可視化方面的巨大優勢，降低風電場建設全程潛在的風險和隱患。

如果說傳統的風電場建設過程是二維到三維的轉換，那么無人機等技術的融合應用，則可以說是從三維到四維甚至多維的實現。通過這些成熟技術的應用，將會為數字化風電場提供更多信息和能量。