一種基于GPS定位技術(shù)的無人機(jī)智能光伏巡檢系統(tǒng)

呂德利，王 旋

（1.中電科技揚州寶軍電子有限公司，江蘇 揚州 225003；2.天津航大數(shù)據(jù)有限公司，天津 300300）

光伏產(chǎn)業(yè)是基于新能源需求而融合發(fā)展、快速興起的朝陽產(chǎn)業(yè)，也是實現(xiàn)制造強(qiáng)國和能源革命的重大關(guān)鍵領(lǐng)域。本文為光伏電站提供集智慧運維、智能巡檢、運行監(jiān)控、故障診斷及現(xiàn)場安防于一體的智慧化方案，建立移動化、流程化的運維管理機(jī)制，提升運維管理水平；通過無人機(jī)智能巡檢，實現(xiàn)巡檢無人化；通過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)設(shè)備故障監(jiān)測診斷；通過實時監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多個光伏電站集中管控。加快實現(xiàn)智能制造、智能應(yīng)用、智能運維和智能調(diào)度，全面提升我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效率。

目前光伏巡檢面臨著較大的生產(chǎn)、管理和信息化問題，生產(chǎn)現(xiàn)狀方面的問題主要有場站面積大、設(shè)備多及光伏組件復(fù)雜等；集中監(jiān)控平臺不能對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析；巡檢工作量大、檢修運維效率低、設(shè)備問題難以發(fā)現(xiàn)。光伏現(xiàn)場管理方面的問題主要有場站設(shè)備檢修、巡視點檢、運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作量大；點多面廣、人員分散，資源不能有效利用；多種運檢模式并存，不能滿足管理要求。光伏設(shè)備信息化方面的問題主要有系統(tǒng)相互獨立，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不能共享，信息孤島嚴(yán)重；已有信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺乏規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化手段，不能支撐數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求。針對以上問題，本文提出了一種基于GPS定位技術(shù)的無人機(jī)智能光伏巡檢系統(tǒng)，有效解決光伏巡檢過程中所面臨的生產(chǎn)、管理和運行問題。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)主要由多源協(xié)同偵查平臺、多源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃平臺和智慧光伏運維管控平臺組成。多源協(xié)同偵查平臺包含無人機(jī)和便攜式檢測設(shè)備，具備小體積、大載重、長續(xù)航和快拆設(shè)計等特點，適配三光載荷，可快速響應(yīng)。多源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)包含協(xié)同任務(wù)規(guī)劃和協(xié)同任務(wù)監(jiān)控，協(xié)同任務(wù)規(guī)劃支持任務(wù)規(guī)劃和控制，并運行任務(wù)規(guī)劃算法，提供多機(jī)協(xié)同任務(wù)的路徑及飛行指令，支持三光載荷的指控；協(xié)同任務(wù)監(jiān)視提供雙屏顯示，具備與載荷和指控中心的雙向交互。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

圖1 一種基于GPS定位技術(shù)的無人機(jī)智能光伏巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 一種基于GPS定位技術(shù)的無人機(jī)智能光伏巡檢系統(tǒng)功能模塊圖

1.2 系統(tǒng)功能亮點

系統(tǒng)各載荷的設(shè)計具備高度的獨立性。各載荷的功能調(diào)試可獨立進(jìn)行，直接獲取載荷數(shù)據(jù)，完成協(xié)同任務(wù)監(jiān)視、智慧運維決策和智慧運維評價，檢測結(jié)果及圖片上傳至指控中心和任務(wù)規(guī)劃軟件。各載荷如需生成無人機(jī)控制指令，須通過Mavlink協(xié)議將指令發(fā)送給任務(wù)規(guī)劃軟件，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)智能檢測技術(shù)數(shù)據(jù)流程圖

2 多源協(xié)同偵查平臺設(shè)計

多源協(xié)同偵查平臺提供小型旋翼無人機(jī)，用于空中巡檢，同時搭載三光載荷偵查系統(tǒng)。提供手持云臺相機(jī)，用于地面巡檢。平臺主要應(yīng)用于對地面光伏發(fā)電設(shè)備的全天候檢查及異常數(shù)據(jù)采集，整個平臺作為光伏發(fā)電多源信息協(xié)同感知的智能檢測技術(shù)的數(shù)據(jù)采集端。

無人機(jī)編組集成模塊主要負(fù)責(zé)無人機(jī)平臺與任務(wù)載荷的集成工作，能通過控制器控制無人機(jī)飛行和載荷執(zhí)行任務(wù)，能在控制器或地面顯控臺顯示無人機(jī)平臺、載荷狀態(tài)和視頻，每套系統(tǒng)分別包含無人機(jī)平臺（包含數(shù)傳圖傳、導(dǎo)航定位等）、任務(wù)載荷、控制器和地面顯控臺，并可按照多無人機(jī)承載車輛的要求進(jìn)行無人機(jī)的運輸和放飛，模塊架構(gòu)如圖4所示。

圖4 無人機(jī)平臺與任務(wù)載荷集成示意圖

3 多源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃平臺

多源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃平臺主要由光伏區(qū)域起降點精準(zhǔn)定位模塊、光伏區(qū)域巡檢路徑規(guī)劃模塊組成，其中光伏區(qū)域起降點精準(zhǔn)定位模塊提供所有光伏區(qū)域的位置先驗信息，在此基礎(chǔ)上光伏區(qū)域巡檢路徑規(guī)劃模塊與無人機(jī)編組集成系統(tǒng)組合能夠完成后續(xù)巡檢的所有關(guān)鍵任務(wù)，包括路徑規(guī)劃、載荷任務(wù)規(guī)劃、載荷控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

3.1 光伏區(qū)域起降點精準(zhǔn)定位模塊

光伏區(qū)域位置信息的獲取是整個光伏巡檢任務(wù)的首要任務(wù)，可依據(jù)電站所擁有光伏組串分布，來獲取無人機(jī)巡檢的先驗位置信息。以谷歌地球等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲取整個電站的GIS地圖，進(jìn)一步通過GPS定位技術(shù)來進(jìn)行無人機(jī)導(dǎo)航，依據(jù)二維、三維重建等方式重建出物理場景，還原高精度光伏區(qū)域性地圖。

通過圖像識別算法識別圖片中的光伏區(qū)域，排除了背景的冗余信息，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光伏區(qū)域的定位，對廣域光伏進(jìn)行分區(qū)分塊，為集群無人機(jī)提供巡檢起降點信息，此策略可保證光伏區(qū)域起降定位點的可靠性，大大減少計算資源的消耗，提高了整個智能化流程的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 光伏區(qū)域巡檢路徑規(guī)劃模塊

利用光伏區(qū)域起降點精準(zhǔn)定位模塊對廣域光伏區(qū)域分區(qū)之后，需要在單個分區(qū)內(nèi)對無人機(jī)路徑進(jìn)行規(guī)劃。首先根據(jù)圖像的完整性需要，提出基于覆蓋式算法組串坐標(biāo)的巡檢方式，并基于相機(jī)視野的自適應(yīng)方法解決不同組串大小不一的情況，也使用遺傳算法來解決不同分區(qū)之間的先后巡檢順序問題。

覆蓋式算法的基本思路是根據(jù)初始方向、路徑間隔和路徑線型等因素在封閉圖形內(nèi)規(guī)劃出一條充滿整個圖形的路徑；利用光伏區(qū)域起降點精準(zhǔn)定位模塊決定路徑的初始點及其行進(jìn)方向，根據(jù)路線的密集程度決定路徑間隔，根據(jù)路徑的形狀決定路徑的線型。常用的路徑線型有2種，分別為“S”型和“回”型。

4 智慧光伏運維管控平臺

4.1 智慧運維管理

通過多源協(xié)同偵查平臺以及多源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃平臺實時監(jiān)控光伏廠區(qū)組件、箱逆變、線路和升壓站等設(shè)備的運行情況，為生產(chǎn)運營中心運行人員、現(xiàn)場維檢人員提供精準(zhǔn)的預(yù)警、告警信息。現(xiàn)場維檢人員根據(jù)無人機(jī)巡檢結(jié)果并借助智能手持終端接收任務(wù)工單，自動生成現(xiàn)場作業(yè)方案，作業(yè)方案一般包括無人機(jī)操作票、備品備件信息、風(fēng)險點和作業(yè)路線等信息。

作業(yè)人員攜帶所需備品備件及相應(yīng)工具到工作現(xiàn)場，還可通過智能穿戴設(shè)備與監(jiān)督人員進(jìn)行實時交互，對檢修點進(jìn)行確認(rèn)。遇到難題實時獲取后臺專家知識庫支撐，提高運維效率。故障原因及措施自動收入安全生產(chǎn)運維資源庫，檢修過程形成閉環(huán)管理。

4.2 光伏設(shè)備健康狀況監(jiān)測與智能預(yù)警

運行人員及多源協(xié)同感知系統(tǒng)在巡檢過程中記錄生產(chǎn)、設(shè)備、管理信息，監(jiān)測實際運行狀況，生成運行報表。實現(xiàn)損耗分析、系統(tǒng)效率分析、電站日負(fù)荷曲線、智能光跟蹤和陰影遮擋分析等功能。實現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)化設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控、輔助生產(chǎn)監(jiān)控。

應(yīng)用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，全面覆蓋、在線智能監(jiān)測光伏電站所有設(shè)備，實時定位并準(zhǔn)確判別故障，避免“無目的例行巡查”，指導(dǎo)開展人工現(xiàn)場檢測核驗消缺。將人工智能引入運維輔助決策，根據(jù)巡檢星系拓?fù)淝闆r，分析判斷態(tài)勢變化，對比因狀態(tài)、時間、氣象和地理等因素變化產(chǎn)生的結(jié)果，經(jīng)過模擬推演和自動評估，形成有利于當(dāng)前環(huán)境的解決方案。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種基于GPS定位技術(shù)的無人機(jī)智能光伏巡檢系統(tǒng)設(shè)計方案，重點對系統(tǒng)組成、平臺設(shè)計、路徑規(guī)劃算法和運維管理等進(jìn)行詳細(xì)描述。在未來的發(fā)展中，無人機(jī)智能光伏巡檢系統(tǒng)將進(jìn)一步與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行深度融合。無人機(jī)智能巡檢將會進(jìn)一步突破信息感知、環(huán)境決策、智能控制、精準(zhǔn)運維和個性化服務(wù)等技術(shù)，進(jìn)一步推動我國光伏產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、智能化和生態(tài)化，推進(jìn)我國智慧光伏戰(zhàn)略的快速實現(xiàn)。