輸電線路無人機巡檢技術應用與研究

夏中晨 胡如意

[摘? ? 要]在當今社會經濟飛速發展的背景下，電力作為國民經濟生活的基本保障，發揮著重要的作用。為不斷實現人民對美好生活的向往，電力企業需要飛速發展，電網建設規模不斷擴大，其中輸配電線路巡檢的工作量和管理難度呈直線趨勢上升。為了確保輸電線路安全穩定運行，降低輸電設備故障的發生概率，減輕人工巡檢的工作量，無人機在輸電線路巡檢過程中的應用顯得尤為重要。隨著無人機在電力行業內的廣泛應用，操作無人機已成為輸電運檢工的必備技能，取得無人機飛手證書更是成為輸電運檢工的必備條件，但是取得飛手證書并不能滿足電力機巡的技能要求。研發一款專業的電力無人機巡線實操模擬軟件，嚴格遵循中電聯等電力機構相關標準，提高輸電運檢工的無人機巡檢實操能力，從而提升輸電線路的可靠性和穩定性。

[關鍵詞]無人機巡檢;技術研發;應用實踐;實操模擬

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]Under the premise of the rapid development of social economy， electric power plays an important role as the basic guarantee of national economic life. In order to realize the people's yearning for a better life， the electric power enterprises need to develop rapidly and the scale of power grid construction is expanding， among which the workload and management difficulty of transmission and distribution line inspection are rising in a straight line. In order to ensure the safe and stable operation of transmission lines， reduce the probability of transmission equipment failure and reduce the workload of manual inspection， the application of UAV in transmission line inspection is particularly important. With the wide application of UAV in the power industry， the operation of UAV has become a necessary skill for transmission operation and inspection workers flying hand certificate is a necessary condition for transmission inspection workers. However， obtaining flying hand certificate can not meet the skill requirements of power machine patrol. To develop a professional power UAV patrol simulation software， strictly follow the relevant standards of power institutions such as ITU， fill the gap between flying UAV and mastering UAV power patrol line， Improve the UAV inspection and operation ability of transmission inspection workers， so as to improve the reliability and stability of transmission lines.

[Keywords]UAV inspection; technology research and development; application practice; practical simulation

我國經濟飛速發展，促使我國的電力行業迎來發展契機，隨著高電壓長距離輸電技術的成熟，輸電線路分布愈發廣泛，供電范圍也不斷擴大。但是輸電線路運檢工的巡線距離越來越長，工作量越來越大，工作條件艱苦，而且勞動效率低，遇到電網緊急故障和異常氣候條件下，輸電線路運檢人員不具備有力的交通優勢、利用普通儀器或肉眼來巡視設備。這種方式已經不能完全適應現代化電網建設于發展的需求。所以，需要借助無人機巡檢技術來完成輸電線路巡視工作，在電網中，無人機廣泛運用于線路巡視、竣工驗收、電力施工中的展放導線、自然災情之后的災情勘察、應急搶修和故障清除等，但是無人機在實操過程中經常發生墜機事故，因此，進行無人機巡檢技術應用的深入分析，具有至關重要的現實意義。

1 無人機巡檢技術

1.1 基本概述

無人機巡檢技術主要是指輸電巡檢人員通過對無人機進行遠程操作，發揮無人機簡單小巧、成本低、機動性能好、使用維護方便的優點，利用其空中平臺的功能，攜帶高倍照相機、高清攝像機、紅外成像儀、激光雷達等多種機載設備，可對輸電線路設備及周邊環境情況進行全光譜的快速拍攝監測。通過分析，可快速發現各類設備缺陷、隱患以及線路附近可能對線路造成威脅的各類危險源。無人機電力巡檢可大幅度提高巡檢質量、實現快速巡檢、克服視距限制、保障巡檢人員作業安全。

1.2 特點及優勢

在電力巡線的應用上，無人機操作控制過程簡單可靠、運行穩定，而且巡檢速度快，復雜地形下可達人工巡檢的10倍以上，經濟性高，巡檢成本僅僅是載人直升機的1/10，并有代替載人機進行各種工作的趨勢。

1.3 無人機巡檢技術的應用

根據電力線路巡檢需要，無人機上搭載多種傳感器的任務設備，主要完成激光點云以及可見光、紅外、紫外影像數據的獲取;無人機上搭載噴火裝置、熱熔絲等裝置，可以完成帶電清除線路異物的特種作業。

（1）可見光影像數據是最常用的，可用于檢測電力線路外觀缺陷以及環境通道狀況，包括導地線斷股、損傷、覆冰等絕緣子燒傷、破碎、斷裂、傘裙脫落等桿塔傾斜、塔材變形、缺失、銹蝕等桿塔基礎情況;線路通道內違章建筑物以及樹木生長情況等;導地線懸掛異物、山火易發地區以及線路保護區內機械施工等。

（2）紅外影像數據主要用于檢測溫度異常情況，鐵塔較高，導線中間接頭人工不易到達，線路巡檢人員利用手持紅外測溫設備很那在遠距離準確地完成測溫作業，利用無人機搭載紅外測溫云臺，可近距離、準確地發現絕緣了局部及導線接頭異常發熱等問題。

（3）紫外影像數據主要用于結合可見光影像數據，快速識別異常放電部位，確定缺陷情況。對于常規數據采集傳感器的控制，以及研發適合與電力線路巡檢的新型傳感設備，是利用無人機進行電力線路巡檢的關鍵環節。

（4）由于架空輸電線路長時間處于戶外暴露狀態，所以架空輸電線路在運行過程中經常會附著一些塑料袋、薄膜、風箏、孔明燈、雜草等異物。這就需要輸電線路巡檢人員及時清理線路上的異物，以免造成線路接地、相間短路等故障，導致線路被迫停運。但是傳統的人工出導線清理或利用絕緣桿清理漂浮物的方式，不僅效率低，還存在著極大的人身安全風險。引進無人機技術后，就可以將噴火裝置或熱熔絲設備裝置安裝在多旋翼無人機上，當巡檢人員利用云臺攝像頭找準雜物附著位置時，就可以適時調整無人機的懸停方位，開啟噴火裝置或熱熔絲，就可以快速地熔斷雜物，使輸電線路處于正常運行狀態了。

2 無人機實操模擬器的研發及應用

目前，電網無人機操控手在上崗前都要進行大量的實操培訓，并通過AOPA（中國航空器擁有者及駕駛員協會）認證考試之后才能持證上崗，班組成員即使取得AOPA證書，對于電力巡線技巧的掌握尚需要時間磨礪，因此在無人機在實操過程中墜機情況時有發生。所以亟需研發一種輸電線路無人機巡線仿真訓練系統，讓班組成員通過在模擬器中培訓和練習，提升無人機巡線能力和業務水平，保障輸電線路及電網穩定運行。

2.1 真實巡線場景的搭建

采用3A級3D引擎，進行精確建模與實景還原，對通道走廊、鐵塔、金具、導線、絕緣子等進行精細建模，然后將構建的三維模塊導入到三維引擎UE中，三維場景具有可視化界面，包括110 kV至500 kV的直線塔、耐張塔、同塔多回等常見鐵塔類型。輸電線路巡檢人員可以佩戴VR頭盔，并通過遙控器控制無人機在虛擬場景中進行巡線仿真。

2.2 無人機運動特性仿真

無人機飛行性能的精確仿真是巡線培訓中真實感的基礎，微軟開源模擬器AirSim可以用來訓練自動無人機、無人車和其它自主移動設備。使用AirSim模擬器創造了一個高還原的超逼真虛擬環境，且在模擬過程中支持主流飛行控制器來實現物理及視覺雙重層面的超仿真。根據AOPA取證要求，設計無人機起飛、降落、懸停、“8”字飛行、四邊航線等飛行技能。制作逼真的特種作業場景，研究無人機在輸電線路中特種作業應用（噴火除異物、無人機憎水性檢測）項目，訓練操作人員無人機特種作業技巧。

2.3 自然環境仿真

研究不同種類常用無人機在復雜地形環境條件下飛行特點，以及這些不利因素對無人機飛行性能及操控的影響，得到無人機在不同環境下飛行參數。將這些參數融入到仿真系統中進行調校，還原真實無人機巡線操作。

2.4 基于Pixhawk飛控的半實物仿真

無人機飛行性能的精確仿真是巡線培訓中真實感的基礎，微軟開源模擬器AirSim可以用來訓練自動無人機、無人車和其他自主移動設備。使用AirSim模擬器創造了一個高還原的超逼真虛擬環境，且在模擬過程中采用Pixhawk飛行控制器來實現物理及視覺雙重層面的仿真。飛控模塊主要是根據遙控器的遙控指令（包括無人機自主控制和操縱桿控制的切換指令、無人機油門和方向控制桿指令、機載設備控制等指令），利用嵌入式飛控仿真算法計算出無人機的實時飛行參數（位置、速度、姿態）和云臺參數（是否拍攝、對焦、方向）。

2.5 標準化巡線流程

研究電力巡線作業流程及巡線拍攝照片質量判定標準，按照中電聯、南方電網公司、海南電網公司相關標準與規定，結合無人機巡檢經驗，確定巡線流程并在模擬器中實現。訓練機巡作業人員拍出適合后期數據處理的照片技巧，熟練掌握規范的巡線流程。

2.6 意外情況仿真

研究突發意外情況（電磁干擾、氣象變化等）員工應對策略與技能。研究不同種類常用無人機在緊急情況條件下飛行特點及這些不利因素對無人機飛行性能及操控的影響，得到無人機在不同環境下飛行參數。將這些參數融入到仿真系統中進行調校，還原真實無人機巡線操作，提升工作人員在突發情況下的緊急應對能力。基于微軟AirSim模擬無人機飛行特性，利用AI技術，提供逼真的環境，模擬無人機的飛行特性，給予機巡作業人員最真實的操作感受。

2.7 無人機特征點標識與虛實結合

培訓過程中虛擬工具與真實場景的融合是達到理想培訓效果的關鍵，虛實結合的過程涉及3個方面：三維注冊、物體位姿、光照條紋。三維注冊是通過實時跟蹤攝像機姿態以定位虛擬圖形位于真實場景中的注冊位置。虛擬物體的位姿信息是在對比實物影像特征和虛擬模型特征的相似性，不斷調取虛擬物體模型的“特征匹配”階段完成的。

無人機巡線實操模擬器逼真的模仿真實的再現輸電線路巡線操作場景，機巡人員可以使用遙控器來實現對虛擬無人機的操控，真實的模擬多旋翼無人機巡線作業，使工作人員能夠熟悉多旋翼無人機操作、巡線技能，而且工作人員有機會進行反復的技能練習，使執行的任務能夠被高效、準確地完成，取得AOPA證的學員在該系統訓練合格后即可直接上手真實無人機巡線作業，大大減少了訓練費用以及提高了無人機操作人員的動手能力。

無人機巡線實操模擬器應用，能夠進一步再現多旋翼無人機巡線操縱的過程，使工作人員能夠熟悉多旋翼無人機操作、巡線技能，極大地減少因經驗不足導致的損失，而且工作人員有機會進行反復的技能練習，使執行的任務能夠被高效、準確地完成。

3 無人機巡檢技術發展前景

無人機可以在無人駕駛的條件下完成復雜空中飛行任務和各種負載任務，同時與成像設備等部件結合能夠拓展應用場景，被看做是“空中機器人”。在執行電力巡檢工作時，有三步工作流程，無人機的主要功能是替代工作人員完成臟累差的信息采集工作。無人機可以圍繞目標進行360°無死角全方位拍攝，快速、準確地傳達給地面工作人員，供他們作分析、判斷、制定解決方案，減少工作人員勞動強度，提高電力巡檢工作效率和安全性。隨著技術的成熟，無人機將成為輸電網巡線更為有效的工具，廣泛應用于精細巡檢、定點巡檢、范圍巡檢和其他巡檢工作。無人機合理配置資源、提高電力巡檢總效率的優勢將不斷顯現，人力巡檢和載人直升機巡檢對無人機巡檢的替代作用將變得越來越小。目前電網已基本實現“機巡為主+人巡為輔”的巡檢模式。在自主巡檢技術的不斷成熟和大力推廣下，無人機巡檢技術將會被廣泛應用到輸電、配電以及變電站巡檢中。

4 結束語

綜上所述，隨著無人機技術和載荷技術的進步，用戶對無人機要求不斷提高，無人機和功能載荷的集成度將向深度融合方向發展，最終實現傳感器共通、信息共享、硬件共用、結構共形、功能互為備份等新功能。隨著無人機在民用領域的深度應用，無人機的優勢越發凸顯，無人機產品的發展更為多樣，且呈現系列化發展趨勢，以滿足用戶在不同航程、不同空域、不同載荷能力間的個性需求。提高無人機載荷能力，可擴展無人機應用范圍。以作業任務為出發點，研制多種載荷、多種任務的成熟無人機平臺，可實現一機多用的目標。將來，無人機將作為輔助工具甚至主要作業工具投入民用領域，成為改革傳統民用行業的重要科技力量。著力無人機系統網絡協同適應性開發，將是無人機技術的發展方向。

參考文獻

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