無人機安全巡視系統在水電站的應用研究

吳 耀，王 磊

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

水電站多分布于水資源豐富、自然環境相對惡劣的高山峽谷地帶，為保障電站安全運行，須定期對廠房、大壩、庫區、河道、道路、邊坡、線路等所轄戶外區域進行安全巡視檢查。目前，大部分水電站仍采用人工攜帶手持設備或“紙+筆”的方式，對巡視對象進行觀測與數據記錄，但受工程條件與自然環境限制，人員車輛難以抵近部分河段、高陡邊坡和危險區，仍然存在巡視觀測盲區。此外，當遇到大霧、極端高溫和低溫等天氣或者滑坡、泥石流、地震等地質災害時，巡視作業安全風險增高，人工巡視將無法滿足安全巡視時效性要求[1]。

近年來，隨著無人機及其配套技術裝備的飛速發展，以其為平臺實現多功能應用集成的成本大幅降低，且系統整體性能不斷增強，使無人機在地形測繪、航拍、攝影、遙感、地質災害調查等民用領域的應用日趨廣泛[2-4]。因此，利用無人機搭載高精度光電探測設備，充分發揮其體積小、重量輕、操作簡單、機動性強等技術特點，同樣可以很好地滿足水電站所轄戶外區域的安全巡視需求，能夠將傳統的以地面作業為主的水電站安全巡視擴展至立體空間，在人員車輛無法到達抵近的區域，實現快速、高效的安全巡視部署與作業。

本文以西南某水電站為依托，將無人機、圖像識別、大數據分析等先進的技術手段引入到水電站日常安全巡視作業中，實現了大壩、廠房、上游庫區、下游河道等區域不安全現象和事件的智能識別和告警，有效提升了電站安全巡視質量、效率和水平。

1 某電站安全巡視需求

某電站屬于典型的引水式水電站，廠房位于大壩下游河道左岸約6 km處，日常運行與生產人員主要在廠房區域值守，根據安全與生產需求前往大壩區域進行相應作業。電站所轄區域總體上屬于巖溶中高山地貌，大壩上游庫區、大壩至廠房間河道兩岸邊坡多為植被茂密的峭壁或陡峭山體，外部與進廠道路沿河而行，多位于半山腰或谷底，人員、車輛出入頻繁。在非泄洪狀態時，大壩下游部分河段因水流減少形成淺灘，時常有外來人員露營、野炊和垂釣，受山體與植被遮擋影響，泄洪前河道安全巡視很難發現并及時驅離。

經現場調研踏勘，可將某電站日常安全巡視需求分為近壩區域、廠房區域、河道區域3個部分，相應需求如下。

1)近壩區域。大壩下游面及壩頂戶外設備外觀巡視；大壩上游庫區300 m范圍內庫岸邊坡、道路外觀巡視；近壩庫面大體積漂浮物識別；近壩區域人員、車輛及船只安全行為識別與警示驅離。

2)廠房區域。廠房外立面、戶外設備外觀巡視；尾水下游300 m范圍河道邊坡外觀巡視及人員、車輛安全行為識別與警示驅離。

3)河道區域。河道邊坡、道路外觀巡視；河道外來滯留人員、車輛安全行為識別與警示驅離。

其中，近壩和河道區域為人員、車輛出入頻繁區域，人員、車輛安全行為識別、邊坡外觀巡視等安全巡視需求較為集中，是安全巡視的重點區域。

2 系統架構

無人技術巡視系統的系統架構主要分為系統硬件拓撲架構和系統軟件功能架構2部分。

2.1 系統硬件拓撲架構

無人機巡視系統硬件設備分為前端數據采集、數據傳輸和后端管理3個部分，其中前端數據采集系統包括無人機、智能機庫、雙光攝像機、高空喊話器等設備；數據傳輸系統包括交換機、網線和光纜等；后端管理系統包括服務器設備、存儲設備等。其系統硬件拓撲架構如圖1所示。

圖1 巡視系統拓撲圖Fig.1 Topology of patrol system

2.2 系統軟件功能架構

巡視系統采用B/S架構，以實現巡視系統的客戶端登錄與遠程Web訪問，軟件根據其功能特點分為感知層、網絡層、支撐層、應用層和用戶層。軟件功能總體架構如圖2所示。

圖2 巡視系統軟件功能架構圖Fig.2 Functional architecture of patrol system software

2.3 系統部署方式

綜合考慮某水電站數字化現狀和安全巡視區域分布，系統前端數據采集設備就近部署在壩頂區域，后端管理系統以高級功能應用模塊形式部署在廠房集控中心統一數據平臺或專用服務器上，通過統一數據服務總線實現數據存儲、訪問、監視、分析和預警。

3 系統功能

3.1 綜合展示功能

對系統設備狀態、無人機飛行軌跡、巡視實時影像、安全告警等信息進行全面、直觀的綜合展示，為電站安全防護與應急提供信息與數據支撐。具體功能模塊如下。

1)安全狀態指標。將某水電站安全巡視區域劃分為近壩、廠房和河道三個大區，以數據化方式展示各大區相應外來人員、車輛及船只的入侵、逗留數量；庫岸、邊坡、道路及河道的垮塌、阻塞和中斷數量；建筑物及戶外設備外觀異常、庫面大面積(體積)漂浮數量，使安全生產人員直觀的掌握各大區整體安全狀況。

2)異常情況展示。采用柱形圖、直線圖、餅圖、雷達圖等多種圖表形式展示安全巡視對象的異常情況，對不同巡視對象的異常情況按年、月、日3個維度進行統計，用于對比分析相應異常情況變化與趨勢。

3)安全告警列表。展示實時告警信息，具備聲光提示、確認、處理的閉環功能，并對歷史告警信息進行統計，用于事件回溯查詢。

4)巡視影像展示。以無人機視角展示安全巡視作業實時可見光和紅外影像；巡視作業間隙輪回展示上一次巡視異常情況影像，使安全生產人員能夠遠程觀看、分析和查詢異常情況。

3.2 設備管理與控制

構建某電站的戶外空間三維地理模型，全局展示電站所轄區域近壩、廠房和河道區域地形地勢、建筑物布置、巡視系統設備終端分布等情況。同時，可實時查看、調取和控制巡視無人機、智能機庫、雙光攝像機、高空喊話器等設備狀態與采集信息，使安全生產人員能夠直觀掌握系統運行狀態。

3.3 智能識別

融合圖像識別、大數據分析、人工智能、機器學習等先進技術，提取安全巡視場景特征參數，構建相應對象識別模型，建立巡視場景與事件映射關系，實現人員、車輛、船只、邊坡、道路、漂浮物等對象與異常情況的智能識別。

3.4 巡視任務管理

系統根據某水電站不同的安全巡視需求定制相應巡視模式。

1)計劃性巡視。可按照日常安全巡視需求設置定期巡視計劃，智能機庫定時放飛無人機，攜帶雙光攝像機、高空喊話器等吊艙，沿著既定巡視路線完成巡視作業。

2)臨時性巡視。可臨時規劃單點或多點巡視路線，并建立臨時性巡視任務，智能機庫根據指令放飛無人機，攜帶雙光攝像機、高空喊話器等吊艙，沿著臨時性巡視路線完成巡視作業。

此外，系統可進行巡視周期延遲或縮短、特定點位懸停時間調整等操作，以滿足特殊情況下的安全巡視需求。

3.5 系統聯動管理

無人機安全巡視系統以高級功能應用模塊形式部署在統一數據平臺或專用服務器上，后端管理系統通過統一數據服務總線實現與某電站安防系統、故障診斷系統、智能巡檢系統、ON-CALL系統、應急指揮等業務應用系統互聯互通，實現數據共享與協同聯動。

4 結語

通過無人機安全巡視系統建設，某水電站將傳統的以地面作業為主的水電站安全巡視擴展至立體空間，消除了安全巡視盲區，有效提升了安全巡視效率與質量。受無人機續航能力和信號遮擋影響，某地電站無人機安全巡視的頻次、局部巡視的細致程度仍然有待提升，但隨著相關技術的不斷發展，以上問題必將得到解決。