無人機在電力工程全生命周期中的應用

樂志豪

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

0 引言

無人機硬件的發展和軟件技術的不斷完善，使得搭載各種傳感器獲取空間數據的能力得到大幅提升。無人機的使用成本低，獲得的數據精度高，在工程領域的運用也不斷成熟，在項目建設的各個階段發揮著越來越重要的作用。電力行業對項目全過程化管理需求，項目的全生命周期綜合管理成為當前電力設計企業轉型的迫切需求，原有的單要素、碎片化、單過程的資源管理方式難以滿足管理提升的需求，急需在技術上從二維到三維的轉變。工程項目建設對無人機的需求也從單一的拍照、攝像、展示等應用，深入到設計、施工、運維的各個階段，工程項目生命周期各階段的無人機需求如圖1所示。

圖1 項目生命周期各階段的無人機需求

很多學者對無人機在電力工程中的應用做了大量的實驗與應用。許粲玲[1]等對無人機智能技術在新能源工程管理中的應用前景進行了論述。周冰[2]等在電廠地形圖測量中應用無人機系統進行勘測作業，并對地形圖精度進行了分析。林宇龍[3]等在特高壓基建工程施工中運用無人機高頻次、長距離巡查施工現場，既提高了管理效率、減輕了勞動強度，又有利于擴大對施工管控的覆蓋范圍，同時也加強了基建管控力度。周誠[4]等結合無人機的優勢在地鐵深基坑施工過程中制訂了詳細的應急救援流程，對深基坑施工現場進行遠程自動風險采集分析，并傳達指令實現安全預警響應和疏散人員，實現深基坑施工風險遠程自動化管控。王柯[5]等對無人機低空遙感技術進展及典型行業應用進行了綜述，展望了無人機電力線安全巡檢的優越性。楊玉川[6]等探討了無人機掃描技術在工程全生命周期中的應用思路并介紹了該技術在水利水電工程等領域的實踐操作應用。結合公司近年使用無人機的項目工程，對無人機在電力工程不同階段中的應用進行探索。

1 決策階段

在電力工程項目的決策階段，電廠(水電、火電、風電、光伏、生物質發電)、變電站的選址和線路的路徑選擇，對項目的立項和項目的成敗至關重要。電力項目選址須全面收集現有資料并進行分析，找出影響項目選址的重要控制因素，但傳統小比例尺地形圖的現實性較差，難以全面反映擬選站址的現實情況。往往電力設施的建設地就在城市、鄉鎮周邊，而這些地方規劃調整的需要、環保的需求、房屋建設增長的變化，對廠站址及路徑選擇帶來挑戰。如采用傳統方式勘察并實測，短期內所測的范圍有限、測量效率低，很難滿足宏觀對比分析的需要，往往很難優選出經濟可行的方案。

近年來，在光伏、變電站、生物質電廠中應用無人機進行站址優選，獲得不錯的效果。運用無人機傾斜攝影測量技術，在擬選廠站址區域現場快速高效地獲取測區影像，從而獲得擬選站址的詳實信息。在項目決策階段根據擬建廠站的實景三維模型，將擬建位置的地形地貌地物等周邊環境信息“搬到”屏幕，設計人員利用模型結合規劃、交通、進出線路徑及經濟分析等要求和限制條件就能優選合理的廠站及路徑。如圖2所示為廣西靖西變電站優選站址模型。

圖2 廣西靖西變電站優選站址模型

2 設計階段

在電力工程設計階段，涉及測繪、地質、水文氣象、電氣、土建、結構、通信、水工、技經等多專業間的通力合作。無人機測繪數據生成的三維模型，作為各專業間設計溝通的載體，提供可視化的設計環境。怎樣深度融合實景三維模型與激光點云數據等現實數據和建筑信息模型(building information modeling，BIM)等設計數據并高效協作，已成為亟待突破的難點。田先斌[7]等利用無人機進行激光探測及測距(light detection and ranging，LiDAR)測繪作業，探索了其成果數據作為BIM 前期工程項目數據的可行性。薛向華[8]等對BIM 技術在水庫工程設計及施工階段應用分析進行研究，并對水庫運行維護階段應用方式開展探討和研究，促使項目相關建設主體能協同工作、提高項目全過程精細化管理水平、為項目建設的各階段提供有力的數據和技術支撐。

勘測設計各專業，通過三維實景模型與設計模型的無縫融合應用，讓設計業務流程及工程信息從二維到三維轉變。多專業空間數據的融合應用，將為勘測設計工作提供一個信息協同交互平臺，減少各專業溝通障礙，提高勘測設計水平和工程設計管理效率。設計人員通過三維可視化的設計，采用模塊化設計原則，對設計方案進行全方位優化，做到精細化設計，用一個項目對應一個模型來協同設計管理工作。項目空間數據融合如圖3所示。

圖3 勘測設計各專業數據融合示意圖

在對220 kV平果變電站初步設計中，對現場勘查，測區地形平坦，地塊主要為旱地。通過少架次正射及傾斜攝影，經過數據處理獲得測區三維模型，模型中站址附近高速公路、道路、植被、電力線路和水系等清晰可見，如圖4所示。

圖4 220 kV平果變電站實景三維模型

在巫山光伏施工圖設計中，分布式光伏電廠的地塊分布綿延數十公里，采用傳統數據的采集方式難以滿足光伏電廠施工進度及工期的要求。在引入無人機傾斜攝影技術后，工作效率得以提升。在施工過程中隨著征地的困難，施工受阻，常規的測量手段難以滿足項目的迫切需求。運用無人機快速補測，在施工過程中快速選址，擬定新方案，已成為項目實施過程中的常態。

在雅安—資陽500 kV線路施工圖設計中，線路經過區域房屋、重要交叉跨越數量眾多，固定翼和旋翼無人機配合航測作業，為線路方案的優選及定位工作提供了極大的技術支持，獲得了全長100 km以上的清晰的影像數據。在青海—湖南±800 kV特高壓輸電線路工程中，運用旋翼無人機對全線路塔位三維建模，對后期土地確權管理提供了重要數據支撐，為工程項目用地協調工作節省了大量時間。

3 施工階段

項目施工過程中按施工工序和建造流程把三維設計模型進行分割與拼接，將建筑物基礎、各層或區域的布置結構及設備在三維空間中的布局和施工過程結合起來進行管理，與施工現場情形進行比對，為施工管理帶來便利。運用無人機對貞豐電廠生活區及道路測圖，在工程施工階段用無人機數據進行進度分析、現狀調查、施工管理、檢查施工填挖方量、設計與施工數據比對。通過無人機對施工過程現場的具體情況進行數據采集，與設計圖紙、模型進行對比統計，實現對施工過程的監管、改善和優化。施工現狀進度對比如圖5所示，物質堆放及施工機具檢查管理如圖6所示。

圖5 施工現狀進度對比

圖6 物資堆放施工機具檢查

4 竣工驗收

竣工驗收階段，無人機航測資料可用于檢查統計項目竣工后的質量和數量，檢查竣工圖的真實性，可避免未按規劃、設計施工及施工有偏差情況的發生。用施工前設計圖紙、規劃紅線與竣工后模型比較，直觀地實現項目占地情況、周圍的生態恢復狀況，對工程竣工是否符合設計要求進行監管，同時也有利于資金的結算工作。貞豐電廠生活區設計圖與竣工影像對比如圖7～圖8所示。

圖7 生活區施工布局與設計對比

圖8 生活區填挖方與設計對比

5 運行維護

無人機對電力工程運維監測的手段和方法越來越豐富，搭載不同的傳感器將完成不同的特定任務。很多學者利用無人機對輔助巡檢進行研究，為實現電力線路安全巡檢工作的高效和全自動化開展而努力。彭向陽[9]等將無人直升機用于電力線路巡檢工作的技術要點進行了較為全面的闡述。范怡敏[10]等設計了一種配備紫外光傳感器的無人機巡視系統，專門針對輸電線路的電暈放電現象進行觀測和檢查。郭敬東[11]等進行災后電力線路巡檢，獲取災后現場數據，對現場情況評估，為解決災后檢測電力桿塔的狀態，提出了一種基于YOLO 深度學習算法的無人機巡檢視頻實時目標檢測模型。

樂志豪[12]等在石棉—雅安500 kV送電線路工程10號塔位滑坡處理中，用無人機測繪并進行了塔位及周圍環境的三維建模，并對模型精度進行了評定工作。實景模型可以清晰地展現滑坡體、滑坡范圍、植被覆蓋、大面積裸露基巖等鐵塔與周圍環境的關系，結合現場地質勘查可以更準確地判斷場地整體穩定性、是否會出現較大的滑坡導致整體失穩、滑坡主要破壞形式是否為淺表層滑坡的情形，為滑坡成因分析和滑坡災害應急處理能夠迅速研究可行的治理方案提供有力的技術支持。通過對滑坡情況現場勘查和模型研究，科學選擇制定“改線方案”或“治理方案”，如圖9～圖10所示。

圖9 塔位“改線方案”三維模型

圖10 塔位“治理方案”三維模型

6 結論

運用無人機技術在電力工程項目各階段中，①在決策階段：有助于選出更為合理的方案，這對項目的立項和項目的成敗至關重要；②在設計階段：通過各設計專業間的通力合作，三維模型成果可作為各專業間設計溝通的載體，為設計工作提供可視化的設計環境；③在施工階段：無人機對施工過程現場進行巡查，實現對施工過程的監管、改善與優化；④在竣工驗收階段：無人機航測資料可從宏觀上對項目進行檢查，避免未按規劃、設計施工以及施工有偏差情況的發生；⑤在運維階段：無人機搭載不同的傳感器將完成不同的特定任務，保障電力工程的安全運行。探索無人機技術在電力工程各階段的應用實踐，以期不斷拓展和豐富無人機在電力工程項目中的應用場景。