高落差大型水電站自動機庫無人機巡檢與應急系統研究

張建軍，曹 陽，黃 宇，楊葉琳

（1.國能大渡河大崗山發電有限公司，四川 成都 610041；2.成都三足烏無人機科技有限公司，四川 成都 610000；3.北京大學教育部CEON工程研究中心空間信息科技產業基地，四川成都 610000）

1 工程概況

1.1 傳統無人機技術

隨著自動控制和傳感技術的飛速發展，遙感技術以其快速、宏觀、高分辨率等特點在自然地質災害調查領域具有獨特的優勢，特別是無人機遙感技術以其機動靈活、實時性強、低成本，以及能替代人工完成危險、效率較低或無法完成的任務等優勢，迅速成為快速獲取監測數據的應用技術[1]。

1.2 自動機庫無人機技術

與傳統無人機技術相比，自動機庫操作更加智能化，無須多方人員的配合就能實現巡檢航線規劃、無人機回收等操作[2]。

由機庫、射頻氣象地面站等固定設備和配套軟件組成的自動機庫可實現對無人飛行器的適飛條件進行自動起降判定、遠程下達任務指令、實時監控、定航巡檢、數據實時回傳及轉儲、數據人工智能（AI）自動比對等功能。

1.3 巡檢與應急區域情況簡介

高落差大型水電站通常處于地勢險惡區域，以大崗山水電站為例，大崗水電站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉縣挖角鄉境內，電站地應力高、地震烈度強，下游河谷狹窄、水頭高、流量大，導致日常巡檢工作和汛期泄洪應急巡檢等在技術上面臨嚴峻考驗。

2021年12月6日11時左右，在上游蓄水鋼壩放水的時候，建陽水南橋下河灘地有兩人落水身亡。國內現有多數水電站的泄洪應急系統一般由中央控制器和電機型警報器組成，預警范圍非常有限，易造成活體入侵，出現人員傷亡。

針對大崗山水電站泄洪導致下游安全壓力劇增這一情況，本文提出了基于自動機庫無人機日常與應急巡檢系統方案，進一步提高高落差大型水電站的巡檢效率[3]。

2 系統方案

目前，針對水電站應用無人機技術出現的“硬件操作維護難、軟件自動比對難、現場安全互動難、數據呈現可視難”等問題，結合水電站地理環境特點，本文設計以自動機庫無人機為系統硬件基礎，應用AI算法自動辨別危險實體（Entity）的日常與應急巡檢系統[4]。

2.1 日常巡檢系統

水電站日常巡檢的重點區域有電站周邊交通道路、營地及周邊區域等，人工巡檢任務量遠超最大工作強度，因此使用智能化的新技術尤為重要。

自動機庫自動巡航，結合自動機庫的AI算法平臺可對目標進行跟蹤、檢測的特性，實時監控是否有活體入侵，后臺工作人員根據回傳數據對突發狀況進行響應。

2.2 泄洪應急系統

應急系統包括預防、預備、響應、恢復。在泄洪前需確保水電站周圍環境的安全，做好預防、預備，防止泄洪期間出現安全問題[5]。

在整個泄洪期間需要水電站員工每天24 h不間斷進行值守，但在暴雨、地質活動等自然災害發生后，道路可能毀壞，搶險人員無法第一時間進入災區。自動機庫可在出現自然災害、事故、活體入侵以及超過額定水位時快速響應，通過AI算法自動識別、目標追蹤輔助工作人員快速正確地執行應急措施。

2.3 自動機庫最優化選址

本文提出的基于自動機庫無人機日常與應急巡檢系統方案在大崗山水電站進行了應用示范，目前自動機庫已放置在水電站內。最優化選址能覆蓋水電站實現安全生產的重點區域包括泄洪區域、營地、開關站等，實現減少人工巡檢頻次。自動機庫任務執行狀態如圖1所示。自動機庫放置點如圖2所示。

圖1 自動機庫任務執行狀態

圖2 自動機庫放置點

3 系統特點

3.1 自動機庫優勢

對比傳統無人機巡檢，自動機庫在優化巡檢航線、處理采集數據、精確定位等方面有一定的突破。

自動機庫可在云端設置定航巡檢，每天24 h值守，精準定位水電站營地和開關站出線場等區域重要的標志性建筑，實現自動繞目標建筑巡航。無人機自動返航降落后，上傳任務數據（如圖像、視頻等）至云端，使用多數據融合技術和獨有的AI算法，在云端上實現數據（包括缺陷樣本數據）的自動分析、準確診斷。

3.2 自動機庫系統日常巡檢與應急中的應用

日常與應急巡檢系統可應用于水電站頻繁監測以及已發生事故區域，包括泄洪區域、電站周邊交通道路、營地及其周邊區域、開關站等。

在地勢復雜、標志性建筑物巡檢區域，使用AI算法對巡檢回傳的多源數據進行圖像自動識別，快速檢測出入侵活體以及建筑物架設的設備溫度數值、老化磨損等情況，提高對風險管控的智能化水平。對于受災和易發生人為事故的區域，采用空中巡檢配合地面指揮快速定位進行精準搶險救援，若有入侵活體則替換搭載設備為雙光吊艙、探照燈等進行人員驅逐。

4 仿真結果

水電站日常巡檢以4人為一組，每天3組人員輪流巡檢，汛期因巡檢任務繁重且需每天24 h值守，因此巡檢人員需要增至6組人員輪替時刻堅守崗位。自動機庫配備的自動巡檢技術及AI算法進行實時監測，減少巡檢人員工作量。水電站每月水位情況如圖3所示。水電站各個區域所需巡檢人數如表1所示。使用自動機庫前后泄洪區域日常巡檢人數變化如圖4所示。

圖3 水電站每月水位情況

表1 水電站各個區域所需巡檢人數

圖4 使用自動機庫前后泄洪區域日常巡檢人數變化

以對泄洪區域巡檢為例，使用自動機庫能減少大量經濟消耗。僅僅是對其中一個泄洪區域的巡檢一年就可節省1 532 640元，此后每年按物價增長速度5%計算，節省經濟成本呈線性增長。各類巡檢模式日均消耗如表2所示。各類巡檢模式月平均經濟消耗如圖5所示。使用自動機庫后每年度節約經濟成本如圖6所示。

圖5 各類巡檢模式月平均經濟消耗

圖6 使用自動機庫后每年度節約經濟成本

表2 各類巡檢模式日均消耗

日常巡檢的3組人員都需要對水電站的兩岸巡檢往返上百千米，汛期工作量倍增，車輛每升油耗碳排放量0.6048 kg。而自動機庫使用電能不產生任何的碳排放，第1年度可減少17.66 t碳排放量，到第10年度則累計減少176.6 t碳排放量。

在大渡河干流調整規劃28級方案中，現已建成14座水電站，未來10年其余的水電站將相繼建成。預計未來10年大渡河全流域水電站使用自動機庫可減少超過3700 t二氧化碳排放。每年巡檢設備碳排放量如表3所示。

表3 巡檢設備碳排放量

5 結語

基于自動機庫無人機巡檢系統方案，實施效果滿足水電站安全生產與運營數據需求，且自動機庫最優化選址在高落差大型水電站中具有一定的示范意義。同時，在無人機自動機庫最優化選址方案中，只需配備少量的巡邏車和單兵巡檢即可實現對水電站監測區域的全覆蓋。此方案驗證了基于自動機庫無人機巡檢和應急系統的有效性。在四川省政府發布的《川西北生態示范區“十四五”發展規劃》中，國家能源集團大渡河水電基地建設被納入川西生態示范區發展規劃，自動機庫使用電能作為清潔能源對于生態環境的保護起到重要作用。