無人機技術在架空輸電線路通道巡檢中的應用

王海波

陜西省地方電力（集團）有限公司安康供電分公司，陜西 安康 725000

0 引言

無人機控制是對傳統遙控無人機控制的技術改進，通過機載傳感器檢測路線，與其他先進技術（如直升機繞道、機器人檢測等）相比，盡管其檢測精度相對較低，但由于設備簡單、成本低、機動性強、安全高效、視野好等優點，且容易發現塔架上方的缺陷，不需要改造線路，沒有路徑損壞風險，更容易與手持巡檢儀集成，使無人機成為常規巡檢工具[1-2]。根據國家電力公司公布的數據，無人機航路檢測效率比人工檢測高8～10倍，目前我國的人工檢測和無人機檢測工作約各占50%。無人駕駛飛機探測將成為未來高架線路檢測中最主要、應用最廣泛的探測手段。

1 無人機巡檢概述

無人機機身設計一般可分為無人直升機、多旋翼機和固定機翼三大類。但是，目前用于檢查架空傳輸管道的三種機型，其性能差別較大，分別承擔不同的檢查任務。第一，無人直升機體積大、控制難度高，與動力裝置發生碰撞的風險高，不僅使用成本高，還易存在潛在危害，因此在輸電線路通道巡檢中的應用較少。第二，多旋翼無人機具有靈活性小、精確性高等優點，但其飛行高度相對較低、荷載小、使用壽命短。多旋翼無人機每一個旋翼旋轉，其位置會改變。第三，固定式無人駕駛飛機通過螺旋槳或渦輪發動機提供能量，并通過機翼與空氣、巡航速度、長距離產生升力，但是其起降和降落需要跑道，且無法懸掛。當檢查架空線路時，固定翼無人機通常負責多種任務，對其飛行距離的要求較高。組合翼與多旋翼無人機的結合具有垂直起降、精確的懸停等優點，在復雜的環境條件下有很大的應用潛力，但目前在輸電線路通道巡檢工作中還沒有大規模的應用。從功能上看，無人機主要作為遙感平臺在起作用。

2 無人機技術在架空輸電線路通道巡檢中的發展趨勢

2.1 協同立體化巡檢發展

為了優化無人機的配置，提高架空輸電線路的運行維護水平，需要進一步加強無人機和線路人工檢測之間的有效協調，與檢驗人員合作，提高模型評估和決策的有效性，同時考慮地形特征和其他數據。在設置無人機巡檢計劃時，氣象環境和傳輸通道的性質是相互關聯的，充分考慮了無人機巡檢和手動巡檢的周期，使其形成有效的互動，提高巡檢效率[3]。

2.2 特殊復雜地形區域巡檢發展

由于我國高空線路檢測工作區的氣候條件艱險、風向多變，對無人機線路檢測的技術要求也較高。因此，技術人員需要進行更深層次地研究符合高海拔、少數人居住地區等復雜地形的機型和工作模式，并及時進行現場檢查，提高無人機巡檢方法在特殊地理條件下的實際應用。

3 無人機在架空輸電線路通道巡檢中的主要問題及對策

3.1 數據處理問題

當前，無人機檢測主要從激光雷達云數據和光學成像數據兩個方面進行。光學圖像數據處理一般指對云層數據的三維恢復和分析，其目的是尋找與圖像目標相似的具有特殊圖像特征的特定設備或區域。尤其由于設備成本高，在電力檢測中實際應用較少，常采用紫外光圖像中光子數的間接表示方法，但各類檢測儀器的光譜靈敏度差異較大，難以形成統一的定量分析標準，與數據處理方面的研究關聯性較小。相對于傳統測繪，電氣通道測繪的難點主要在于電力線纜的識別和重構。靜壓蓋塔由雕刻結構構成的細柱體構成，由于其鏤空的結構以及細長形態，不利于三次點云數據的恢復。傳送線導體的外徑一般是8～37 mm，由于其測距及分辨率超出范圍，無法保證每次的掃描周期都可以掃描出電力線。為此，主要從走廊內云點的分類與判別、傳輸線的三維重建、桅桿支架的三維修復、危險點的探測等進行研究，提出了一種利用基礎數據處理軟件實現云量自動識別的方法。

3.2 自主導航問題

自動導航是實現無人機自主巡航檢測的核心能力，在現階段，無人機巡檢的導航主要是以人工干預來規定路線，其本質是基于GPS預先設定好的路線運行。通過高準確性能的GPS定位技術，無人機能夠在一定程度上獨立進行降落和起飛。但GPS技術目前還存在著較大的問題，如不能用來探測目標或環境隨時間的變化，或者航道入侵后，組件安裝位置和方向會發生變化。此外，按照目前的能量標準，小型無人機必須與線路保持10 m以上的安全距離。為了解決相關問題，自主飛行時使用相位差載波頻率無人機，可達到厘米級的定位精度，同時基于在高架線路上自動檢測的無人測量機不能用于中距離外景，而且激光雷達檢測的成本較大，因此這一領域的研究重點是機器視覺。

3.3 續航問題

對無人駕駛飛機進行有效檢查的一個主要障礙是時間不夠，而這是進一步開展全程自動化的架空輸電線路無人機巡檢所需要解決的關鍵問題之一。當前，無人機檢驗主要是以小型多旋翼飛機為主，續航時間一般為20～45 min，大中型飛機油電混合續航時間不超過3 h，還需經常更換電池，嚴重影響檢查效率。目前，一般采取安裝UAV巢穴的方式來解決這一問題。UAV巢主要有兩種，一是由車輛檢查工作者改裝的移動巢穴，二是安裝在桅桿上的固定巢。移動巢穴是一種比較成熟的方案，在香港很多地方已經試點。其典型的工作方式是，在檢查人員完成檢查任務后，提前將檢查任務分派給檢查員，然后根據規定的路線進行飛行檢查，再自動起飛和返回導航進行充電或手動更換電池，縮短飛行時間。通過安裝固定巢，無人機可以在完成檢查后自動在桅桿巢內充電。當電池充滿后，再按預定路線繼續檢查線路。采用半自動蛙跳模型，需要少量的遙控干擾，可高度滿足無人機自主檢測的要求，具有良好的應用前景。但是，由于無人機自主檢測技術的不成熟，還有很多技術難點、問題有待解決。當前，固定機巢面臨著電力供應和支承負荷的問題。國家電網公司建造機巢安裝在梁柱上，利用光伏發電，但其總重量較大，對柱式塔有一定的影響。

4 無人機在架空輸電線路通道巡檢中的關鍵技術

4.1 無人機自主巡檢作業的關鍵技術

無人機在空中電線的自主檢測方法尚處于起步階段，主要是利用激光定位儀和動態高精度實時定位激光雷達技術，通過快速獲取直線通道內三維云點的高精度數據來規劃航路的獨立迂回，因此，必須考慮無人機的飛行高度、坐標，VMU慣性測量儀和機載激光雷達的位置數據，主要裝備固定翼飛機、大中型無人直升機或成本較高的直升機。實時動態定位技術可分為常規定位和網絡定位，常規定位采用移動平臺和基站來實現，但兩站間距離有限，無法滿足定位精度的要求。多基站互聯網定位系統是一種基站網絡，能夠獲得高精度的定位結果，滿足無人機自主檢測的要求，但是，目前國內外綜合網絡的動態實時定位還不規范，因此還不具備實施條件。

4.2 無人機安全巡檢作業的關鍵技術

在電力行業，無人機對架空傳輸通道進行檢測的任務呈下降趨勢。當前，主要是通過管理手段與技術手段相結合，規范無人機的檢查，保證無人機的合法合規性。我國有廠家研制的無人駕駛飛機綜合控制系統，能夠實現對無人機的實時視頻、實時控制、遠程控制等功能，但主要適用于特定類型的無人機，且無法針對電力行業的特點實施。飛行數據記錄儀和模塊的研制與應用，用于電力線路檢查，控制電氣和無人機的所有運行過程。

4.3 無人機輔助檢修作業的關鍵技術

在傳統維修方式中，維修人員需要從桅桿底部爬到塔頂，然后逐步轉移到線路維修現場，危險系數較高。隨著大型支撐架電網的建立，無人機檢測逐漸成為網絡控制的核心，其對傳統維護方式的補充也日益受到重視。UAV輔助維修主要包括UAV牽引線、輔助輸電設施、地線清理、無人機測控和絕緣子組件的排水控制。考慮到無人駕駛飛機在電力行業的廣泛應用，需要積極探索相關的新技術，包括應力作業、復合絕緣子應力沖洗疏水檢測、絕緣子值低、噴涂防污涂料等，在語音識別等技術的基礎上進行應急照明和設備異常檢測，進一步擴大無人機在維修工作中的使用。

5 結束語

目前，我國對架空輸電線路無人操作巡檢技術進行了深入研究，并在標準化試驗、關鍵技術操作控制養等方面取得了一系列的創新成果，但當前在實施過程中還存在一定的問題。智能化檢測數據處理是無人機檢測的當務之急，也是實現全自主檢測的關鍵技術，如利用機器視覺輔佐定位的圖像采集、激光雷達的感知無人機定位等。由于近年來人工智能技術的興起和機器視覺的快速發展，尤其是在圖像處理領域發展較快，無人機技術在架空輸電線路通道巡檢中具有廣闊的應用前景。但目前一些基礎設施建設，如檢測數據庫的建立、相關規范的制訂等還沒有完成，現場檢測效果還不夠理想，距離實際應用仍存在較大差距。