無人機架空線路巡檢技術發展現狀及展望

馮建輝，姜虹云，李朋岳，周朝榮

（1.云南電網有限責任公司怒江供電局，云南 怒江 673100；2.云南電網有限責任公司，云南 昆明 650000；3.云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

無人機架空線路巡檢相比于人工巡檢從安全、效率、質量等方面都有了質的提升，利用無人機進行巡檢已經成為電力巡檢智能化的必然選擇。但是隨著無人機在線路巡檢中的逐步應用，一些問題也逐漸暴露出來，本文針對無人機架空線路巡檢在避障、通信、圖像采集及識別、集群協同作業技術發展現狀進行了分析及展望，為無人機架空線路巡檢技術發展提供一定思路。

1 無人機架空線路巡檢應用現狀

目前開展架空線路巡檢的無人機平臺多為多旋翼無人機，現已有眾多公司推出了面向電力巡檢的行業無人機成品，如大疆推出的御2系列（如圖1）、精靈系列、經緯300 系列無人機；南方測繪推出的智航系列無人機；千尋推出的X 系列行業無人機等。

圖1 大疆御2行業進階版無人機

這些無人機由飛控、電機、電池、圖傳、負載、地面控制終端構成，部分高端產品還搭載了避障系統，具有成本低、體積小、機動性強、操作簡單、對場地依賴小等優點[1]。

在面對架空線路鋪設的復雜地理環境，傳統的人工巡線需要巡檢人員徒步進入，通過人眼、望遠鏡等方式觀察塔架情況，耗費時間長、效率低、危險性高、存在觀察死角等問題[2]，而巡線無人機無需人員到場，避免了地形、距離不利影響，同時利用其搭載的各類光學成像相機、紅外相機、激光雷達等負載對架空線路進行多角度，全方位巡檢及數據采集（如圖2），并通過地面終端及專業軟件進行處理[3]，可以完成長距離沿線巡檢、精細化巡檢、可視化走廊等任務，對輸電線路斷股、鳥窩異物、溫度異常、絕緣子串破損、樹障等檢測，有效緩解了電網巡視效率低、巡視質量不統一、無法定量判斷設備狀態、覆蓋細節不夠等問題[4]。

圖2 無人機采集的架空線路紅外信息

2 無人機巡檢技術發展現狀及展望

隨著巡線無人機的逐步推廣應用，一些問題也逐漸暴露出來：目前無人機普遍采用單人、單控、單機手動巡檢方式[5]，受限于此種方式及無人機平臺約束，在作業時存在巡檢安全、巡檢效率、通訊距離等問題，制約了無人機巡線進一步發展。

2.1 無人機巡檢避障技術

面對部署在復雜環境下的架空線路塔架，巡線人員通常遠距離操控無人機接近架空線路進行巡檢，無人機處于視線范圍之外，僅能通過無人機搭載的光學鏡頭進行有限的周圍環境觀測與控制，而目前巡檢要求無人機低速近距離觀察桿塔、線纜等，以發現缺陷和隱患，因人工操作的介入，該作業具有較高風險[6]。以桿塔為例，無人機為近距離檢測分布于桿體兩側的絕緣子串、電纜接頭等元件，必須在檢測完一側后從線纜下方飛過塔體到另一側繼續檢測。由于操作人員視線易受天氣、時辰影響，無人機可能在飛過塔體時誤觸高壓線纜而引發安全事故，甚至給電網帶來不可挽回的災難性后果。

為盡量減小無人機與架空線路的間距，提高巡檢作業質量，部分巡檢無人機配備了避障系統，當避障系統檢測到無人機與目標距離小于安全距離時，發出避障或停止指令，以實現避障目的，從而保障無人機巡檢工作順利進行，提高作業的安全性，防止碰撞事故發生[7]（如圖3）。

圖3 無人機巡檢路徑規劃

為了獲得更好的進行障礙檢測，張午陽等提出的一種基于深度學習的無人機單目視覺避障方法，該方法可以通過無人機搭載的光學鏡頭進行避障，無需額外傳感器，減小了避障系統的體積及成本[8]；朱平等提出了一種基于雙目視覺與光流結合的無人機避障方法，實現了獲取無人機與障礙物距離信息與相對運動信息，安全性得到了進一步提高[9]。同時，孟光磊等人仿真實現了基于超聲波的無人機避障技術[10]；而N.Gageik 等人基于紅外測距傳感器和超聲波傳感器，通過光流和慣性測量單元對紅外和超聲波數據進行濾波以此實現無人機的避障[11]。大疆最新推出的經緯M30 系列行業無人機就搭載6 向雙目視距功能，實現10 m 內障礙物感知范圍，實現了全方位避障。但是上述傳感器避障仍存在一定的問題，視覺傳感器感知范圍有限，同時面對各種光照條件下的輸電線，容易出現漏檢、誤檢現象；紅外、超聲波測距傳感器作用距離短；而檢測效果好的毫米波雷達存在成本高、重量大等問題[12]。

根據架空線路特點，有研究人員提出利用線路產生的電磁場進行無人機避障（如圖4），陳紹祥等人設計了一種高壓輸電線路電場三維檢測裝置，實現了對線路周圍的電場檢測[13]。黃俊璞等人利用輸電線路周圍電場強度的二次倒數作為判據進行避障，提高了無人機對架空線路避障的準確率[14]。

圖4 電場檢測單元結構

總體而言，基于輸電線路電磁場的無人機巡檢避障技術對無人機計算性能要求小、成本低、靈敏度高、非常適合荷載小、巡航時間有限的線路巡檢無人機，具有較高的研究價值和工程實現價值。

2.2 無人機巡檢通信技術

在巡線無人機作業時，需要地面站與無人機雙向通信，將控制指令、無人機狀態、巡檢數據互相傳輸，無人機與地面站的通信距離將直接決定無人機單次架空線路巡檢的距離與巡檢效率[15]。目前巡檢無人機通常配置對應的數傳與圖傳系統，大疆推出的DJI O3 圖傳行業版為例，其支持2.4G、5.8G 通信頻段，并可以接入4G 移動網絡，實現6～8 km 無干擾、無遮蓋的通訊距離，但是面對架空線路常見的山地、樹林環境，以及架空線路附近的復雜電磁干擾，將造成有效通信距離快速下降，嚴重阻礙巡線效率。也有學者針對電磁干擾開展了通信研究，Slimenu F.等人提出了基于協作Q學習進行信道選擇，提高了數據傳輸安全容量[16]；張慧婷等人提出了基于深度強化學習的無人機通信抗干擾算法，通過智能決策進行最佳傳輸，實現時頻域聯合抗干擾[17]。

常見的無人機數傳、圖傳技術雖然應用廣泛，但是其地面端面臨的地表障礙天然限制了無線電信號的傳播，因此還需要其他手段進行遠距離通信，目前常見的遠距離無人機通訊技術包括有衛星通訊、以及中繼通信等[18]。

衛星通信是通過地球靜止軌道衛星以及中低高通量衛星星座、衛星互聯網等新型空間信息基礎設置，實現機載端與地面端通信，具有全天候、全時段的優點，但是通信設備成本高、體積大、通信延遲大，僅適合大型無人機搭載[19]。高通量衛星通訊技術不斷發展，以美國SpaceX的星鏈計劃為典型代表，以及我國發射的“中星16 號”、“亞太6D”等靜止軌道衛星等，高通量衛星通信系統正在逐步建立，同時科研人員也對移動終端接收天線小型化、便攜化技術開展研究，西安電子科技大學設計了一款便攜式多頻圓極化衛星通訊天線，在攜帶狀態時天線直徑僅為20 mm[20]；毛勇等人也設計了一款潛用雙頻衛星通信天線，整體尺寸控制在了Φ140×430 mm[21]。隨著衛星通信技術進步，日后有望在巡檢無人機上實現超遠距離、高寬帶、低延遲的衛星通信。

中繼通信是通過增設一個通信中繼無人機，負責搭載通信中繼設備，可以有效地提高巡檢無人機作業距離，由于無人機通信中繼可以應用于各類場合，受到了研究人員的關注（如圖5）。S.Hosseinalipour 考慮到存在干擾的場景下，實現了部署無人機的最優位置以最大化系統的信號干擾比[22]；R.Fan 等人聯合優化無人機的放置和發射功率，以最大限度地提高系統吞吐量[23]；方晶針對通信中繼無人機的部署開展了軌跡優化與資源分配技術研究，并結合無人機軌跡和能耗提出了一種基于能效的聯合軌跡與功率優化算法，有效提升了無人機中繼輔助通信系統的能效[24]；總體而言，中繼無人機可以有效解決巡檢無人機與地面端通信距離不足的問題，但是其需要額外配置一架無人機，對成本、攜帶等方面提出挑戰。

圖5 無人機通信中繼系統示意圖

2.3 巡檢圖像采集識別技術

目前巡檢無人機可以實現對架空線路的塔桿、金具、絕緣子、基礎、附屬設施、通道等進行檢測，但是主要方式仍然依賴于人工操控無人機，巡檢質量依賴于飛手經驗，存在拍攝照片型式標準不同、照片質量參差等問題，亟需開展智能化巡檢技術，提高巡檢質量[25]。

大疆推出的行業無人機針對架空線路巡檢提供了標準化的解決方案，從模型建立、到精細化巡檢，降低了巡檢人員手動操作的要求，提升了數據標準化。但是其需要事先進行數據采集，目標點拍攝角度、巡檢路徑固定，覆蓋細節不足，無法判斷設備狀態等問題。廣東電網在大疆無人機的基礎上，結合架空線路巡檢特點進行功能和軟件系統的優化，實現了更規范、高質量的自動巡檢。

此外，目前無人機架空線路巡檢仍僅局限于信息采集，再離線進行人工缺陷檢測，由于拍攝圖像數量巨大、周邊環境復雜多變，人工判別線路故障依賴經驗，工作量大，誤檢率高，難以滿足架空線路巡檢快速準確性要求[26]。與此同時，隨著人工智能，深度學習技術的發展，圖像識別算法得到廣泛應用，因此，架空線路故障智能檢測技術研究也取得了一定進展。

李帷韜等提出了一種基于強化學習的線路缺陷檢測方法，并針對檢測結果可信性指標，構建不同的Transformer 網絡編碼層自適應調整機制，體高功率檢測精度[27]；陳嘉琛等提出了一種基于YOLO v3 的輸電線路缺陷識別方法，通過輕型化與剪枝技術，降低了對服務器硬件要求[28]；王道累等人針對玻璃絕緣子自爆開展了針對性缺陷檢測研究，通過改進的生成對抗網絡進行無監督學習[29]，為電力設備缺陷無監督檢測提供了參考。

雖然目前架空線路缺陷檢測技術有了長足的進步，但是仍普遍存在計算量要求高、計算時間長、泛化性差等問題。因此面對架空線路的設備場景多、故障類型復雜等特點，小樣本、高泛化性缺陷檢測技術，以及低計算量、硬件化邊緣部署技術有著廣闊的研究前景。

2.4 集群協同技術

相比單架無人機，多無人機集群協同作業可以獲得更廣闊的觀察視野，在單架無人機的性能約束下最大限度提升續航能力和任務能力，在農藥噴灑、土地測量、環境監控、氣象觀測、資源探查等多方面具有良好的應用性。受到學者的關注，成為研究熱點。

浙江大學高飛提出的應用于復雜野外環境的微型無人機自主集群算法及系統被國際權威綜合性期刊《Science》于網站首頁專題報道[30]。此外，國內外學者針對無人機集群的隊形構建、集群控制、協同導航、任務分配、路徑規劃、自組網通信、避障等領域均開展了相應研究，取得了良好的進展。

盡管集群協同技術具備諸多優點，但目前針對架空線路的無人機集群系統巡檢技術研究尚少，因此針對架空線路的大范圍、高復雜電磁環境等特點，開展單線路、多線路、通道及電氣設備的無人機集群協同巡檢技術研究，對提高架空線路巡檢效率、安全性、解決巡檢任務重與巡檢人員短缺的突出矛盾，有著重要的應用價值和研究意義。

3 結束語

無人機架空線路巡檢相比于人工巡檢從安全、效率、質量等方面都有了質的提高，利用無人機進行巡檢已經成為電力巡檢智能化的必然選擇，但是隨著無人機巡檢逐步應用，現有的一些問題也逐漸暴露出來：面對架空線路環境復雜、電磁干擾嚴重、巡檢種類多、任務量大、范圍廣等問題，本文根據目前架空線路巡檢無人機技術現狀，具體分析了無人機架空線路巡檢在避障、通訊、圖像采集、集群協同等關鍵技術以及發展趨勢，為架空線路無人機巡檢發展提供一定思路。