基于無人機的架空輸電線路影像巡檢系統設計

魏 翔 高凌瑋

（武漢武船重型裝備工程有限責任公司，武漢 430226）

高壓輸電線路長期日曬雨淋，所處環境比較惡劣，且存在不確定性。線路系統必須具有一定的機械強度和電氣性能可靠性，才能應對氣溫變化、強風暴、冰凍災害以及大雨洪水等不利因素的影響。濕霧等其他生活生產來源雜質會腐蝕或降低高壓輸電線路系統的絕緣性能，導致可能發生電網故障甚至停電事故[1]。可見，高壓輸電線路系統的保護、維修與定期巡檢，對于輸電高壓電網的可靠性與安全運行具有重要意義。我國國土面積大，地形地貌多樣，近年極端惡劣的天氣和地質現象等頻頻出現，給跨地區電網和高壓輸電線路系統的建設及維修帶來了挑戰。僅僅依靠現有的檢查手段和常規測試，已不能滿足我國輸電線路電網的建設及安全保障的需要[2]。

隨著無人機技術越來越成熟，產業鏈條越來越發達，使得航拍影像技術越來越普及[3]。現階段，在輸電線路電網系統中，無人機的應用案例非常多。但是，隨著巡檢任務的復雜度提升和任務量增加，巡檢后的影像數據僅靠人工處理十分困難，因此引入計算機技術進行人工智能故障識別。

人工智能對影像的樣本數據有要求，因此本文進行了規范化嘗試和分析，給出多種典型塔型的無人機拍攝路徑規劃方案及影像拍攝要求，以期為后續計算機智能化應用打下堅實基礎。

1 架空輸電線路無人機影像巡檢系統設計

如圖1所示，整個架空輸電線路系統由空中無人機系統（含飛行平臺和任務載荷平臺）、地面站（遙控器及地面站）和指揮中心（含服務器、云系統、通信網絡等）3大部分組成[4]。無人機采用YH-8共軸八槳的工業級無人機飛行平臺，具有大載重、抗風等級高以及長航時的特點，如圖2所示。任務平臺主要選配高清相機、云臺以及紅外熱像儀等，有時也含有一些特定的掛載，如噴火器等。高清云臺相機變焦范圍為6～240 mm， 能夠錄制50 fps的4K高分辨率視頻，拍攝1 200 W分辨率照片[5]。云臺采用了全新姿態融合控制算法，具有高精度三軸增穩功能。角度抖動量為±0.01°，即使在大機動飛行時也能拍攝穩定的圖像和視頻。

圖1 架空輸電線路無人機影像巡檢系統

圖2 影像巡檢工業無人機飛行平臺

遙控器及地面站是現場巡檢人員與飛機進行交互控制的設備，均裝配有計算機監控系統或者手機操控App系統，可以實時看到無人機拍攝的影像畫面以及飛機飛行的姿態、速度、電量、衛星信號等。指揮中心（含服務器、云系統、通信網絡等）主要是實現無人機或者地面站傳輸的影像信息經過通信網絡進入云平臺及服務器系統，后續可進行計算機自動智能識別、巡檢報告等，也可以實現發送巡檢任務、飛行調度、系統人員及設備管理等功能。

2 無人機拍攝巡檢電網架空輸電線路的流程及作業規范

2.1 無人機航拍線路巡檢要求及流程

除了保證飛行安全（限飛區、禁飛區等國家管理要求）、電量充足、飛行氣候許可等基本要求外，針對電力線路巡檢的任務，無人機飛行拍攝的相關特定要求如下。

（1）巡檢時應確保相機的相關參數合理，自動對焦，保證像素清晰、曝光合理、幀率適中，不出現拖尾等不清晰現象。

（2）電網架空高壓輸電線路系統中的目標設備應位于整個像素圖片的合理位置，銷釘類目標及故障缺陷在放大情況下應清晰可見，像素滿足各種需求。架空輸電線路影像拍攝是非常重要的電力保障措施。由于無人機飛行拍攝的技術含量高，涉及電子、計算機、通信網絡以及機械等核心技術，因此對飛手的綜合素質要求較高。

2.2 多旋翼無人機架空輸電線路典型電網塔形的航拍巡檢要求

無人機航拍內容應包含電網塔全貌、塔頭、塔身、桿號牌、絕緣子、掛點、金具及通道等，具體拍攝內容見表1。

表1 拍攝內容

多旋翼無人機巡檢路徑規劃的基本原則：面向大號側先左后右，從下至上（對側從上至下），先小號側后大號側。有條件的單位，應根據輸電設備結構選擇合適的拍攝位置，并固化作業點，建立標準化航線庫。航線庫應包括線路名稱、桿塔號、桿塔類型、布線型式、桿塔地理坐標以及作業點成像參數等信息。

（1）直線塔拍攝原則。對于單回路直線塔，面向大號側先拍左邊、再拍中相、后拍右邊，先拍小號側、后拍大號側。對于雙回路直線塔，面向大號側先拍左回、后拍右回，先拍下相、再拍中相、后拍上相（對側先拍上相、再拍中相、后拍下相，∩形順序拍攝），先拍小號側、后拍大號側。

（2）耐張塔拍攝原則。對于單回耐張塔，面向大號側先拍左相、再拍中相、后拍右相，先拍小號側、再拍跳線串、后拍大號側。小號側先拍導線端、后拍橫擔端，跳線串先拍橫擔端、后拍導線端，大號側先拍橫擔端、后拍導線端。對于雙回耐張塔，面向大號側先拍左回、后拍右回，先拍下相、再拍中相、后拍上相（對側先拍上相、再拍中相、后拍下相，∩形順序拍攝），先拍小號側、再拍跳線、后拍大號側，小號側先拍導線端、后拍橫擔端，跳線串先拍橫擔端、后拍導線端，大號側先拍橫擔端、后拍導線端。

2.3 架空輸電線路無人機影像巡檢的典型圖像

人工智能（機器學習方法）自動識別輸電線路故障，對圖像清晰度、故障特征的像素、有效像素占畫面比例等有著嚴格要求。按照上述規范及規定，拍攝的影像才能夠被機器學習或者人工智能所用。圖3給出了有效的巡檢圖像。

圖3 耐張絕緣子串（放大）

3 結語

提出的多軸無人機的架空輸電線路影像巡檢系統，采用了云平臺、遙控器及地面站、無人機自身存儲卡三重影像獲取、存儲及傳輸的架構，給出了交流線路的單回直線酒杯塔這種典型復雜輸電線路塔型的無人機拍攝路徑規劃方案及影像拍攝要求，可供其他復雜塔型借鑒和參考。獲取的有效高質量的影像信息，可為后續開展基于計算機機器學習的設備缺陷及故障的自動識別打下堅實的基礎。