輸電線路無人機巡檢過程實時通信傳輸方法

摘要： 在輸電線路無人機巡檢中，為解決由通信距離變化引起的信息丟失問題，文章提出一種實時通信傳輸方法。該方法涵蓋資源信息采集、數據包壓縮、波束切換調整信號相位和幅度以及地面控制中心信號處理。仿真測試表明，該方法的信息丟失率僅為0.3%，具有可行性和有效性，為無人機巡檢實時通信提供了理論與實踐指導，確保了輸電線路的安全穩定運行。

關鍵詞：輸電線路；無人機；巡檢；實時通信；傳輸技術

中圖分類號：TM75" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著智能電網的快速發展，無人機巡檢以其高效、靈活、成本效益高等特點，成為輸電線路巡檢領域的新技術^［1］。當前，已有多位學者對無人機巡檢實時通信傳輸技術展開了研究，田世坤等^［2］在隨機衰減信道條件下，研究了具有嚴格時延的P2P實時通信傳輸策略。該方法證明了系統的可索引性，給出了傳輸策略的Whittle索引封閉解。李云松等^［3］對高壓輸電線路無人機巡檢技術的運維管理展開分析，通過構建科學的運維管理體系，有效提高巡檢效率和質量。但上述無人機巡檢實時通信傳輸技術仍存在通信延遲較大、數據傳輸效率不高等不足。因此，本文針對輸電線路無人機巡檢實時通信傳輸技術展開研究，為無人機在電力巡檢領域的應用提供更為可靠的技術支持。

1 輸電線路無人機巡檢實時通信傳輸方法設計

1.1 采集處理輸電線路無人機巡檢資源信息

在接收到基于變電站和輸配電線路信息分析得出的起飛指令后，無人機將配備傳感器和紅外攝像頭，在低空區域執行巡檢任務。無人機通過智能算法選定單桿塔作為巡檢目標物并根據特殊地形自動生成最優航線，同時記錄飛行軌跡^［4-5］。在執行任務過程中，無人機將實時記錄溫度、振動、電流等信息并拍攝設施圖像。之后，預處理程序對比降噪，刪除冗余數據，實現數據標準化。

1.2 實時通信信息數據包壓縮

無人機巡檢產生的數據量龐大，直接傳輸這些數據會消耗大量帶寬和能源，同時影響傳輸效率。壓縮數據包能提高數據傳輸效率、減少能耗，增強信號的抗干擾能力。此外，數據壓縮還能降低存儲和處理成本，確保地面控制中心能夠實時、準確地獲取巡檢信息，滿足實時性需求。

在無人機傳感器網絡中，為了實現多區群配置，將網絡劃分為若干個獨立區群，每個區群由x個傳輸節點組成，這些節點的標簽分別為a=1，2，...，x。在每個區群內部，對各個節點采集的實時通信信息數據進行壓縮處理。壓縮完成后，這些壓縮后的數據將被傳送至該區群內的首位節點（即標簽為a=1的節點），以便無人機巡檢傳感器能夠高效地收集和分析這些處理過的數據。節點壓縮過程可表示為：

Ba=ia（1）

其中，Ba為壓縮的數據包；ia為傳輸節點采集的全部數據；為傳輸數據的壓縮系數。為防止信息流失，須優化壓縮過程，根據約束條件對優化系數ra進行運算：

ea=‖ia-∑mi=1raia‖22（2）

其中，ea為處理后的數據與原始數據值之間的偏差。

ra=∑xn=1en+αea/∑xm=1∑xn=1en+αem（3）

其中，m和n分別為2個不同無人機巡檢網絡傳輸節點；α為壓縮包的優化結果。引入優化系數ra對不同區群的數據包進行優化，得到最終數據包G，計算公式如下：

G=raBa-∑mi=1raia2（4）

對實時通信數據進行壓縮，能夠有效減少數據傳輸過程中產生的能耗。為了進一步降低能耗，本文結合各傳輸節點的能量消耗情況，引入一個優化系數來動態控制數據的壓縮率。這不僅能確保各傳輸節點在能量消耗上達到平衡，還能保證它們能夠高效作業，顯著減少節點在數據傳輸過程中的工作量和能耗^［5］。

1.3 波束切換調整通信信號相位和幅度

壓縮數據通過波束切換技術調整信號，補償傳輸衰減，確保無人機巡檢實時通信穩定。本文采用選擇式合并技術提升信噪比，選取最佳天線接收，實現波束加權處理。在進行波束轉換前對波長η進行計算，公式如下：

η=ωL70°（5）

其中，ω和L分別為天線的半功率角和天線直徑，根據實際輸電線路走向進行波束切換。寬窄波束無線覆蓋如圖1所示。在輸電線路無人機巡檢過程中，當無人機遠離接入點時，其通信連接主要依賴波束3的覆蓋。此時，波束2和波束1由于保持狹窄的覆蓋范圍，無法為無人機提供主要的信號接收支持。因此，無人機在遠離接入點的狀態下，主要依賴波束3的旁瓣來接收信號，以確保通信的連續性和穩定性。

無人機傳輸時，波束3弱化則切換至波束2維持通信。波束2用于覆蓋飛行區域，但當無人機遠離時，信號減弱。此時切換至波束1確保穩定連接。通過反復切換波束1和波束2，系統動態調整信號覆蓋，確保無人機穩定巡檢通信。

1.4 地面控制中心處理實時通信信號

經過波束切換傳播的實時通信信號會發送到地面控制中心，經過地面控制中心第二數傳設備和圖像接收設備的接收、解碼、分析和處理過程，完成輸電線路無人機巡檢的實時通信傳輸。傳輸過程如圖2所示。

根據圖2所示，無人機在巡檢過程中首先采集圖像數據，通過壓縮設備減小數據量以便于傳輸。其次，利用微波光子技術，圖像數據經第一數傳設備高效傳輸。最后，圖像發射設備運用波束轉換技術將數據傳輸至地面控制中心。在地面控制中心，第二數傳設備負責處理來自無人機的圖像數據。此外，為確保數據安全，采用統一密鑰進行加密解密并設立數據管理和訪問控制機制，以防止數據被非法獲取。

2 仿真測試與分析

2.1 搭建測試環境

實驗測試選擇空曠無障礙物且信號傳輸良好的區域，確保實時數據傳輸和雙向通信。在這個區域中，利用無人機信號資源與電力公司進行聯絡，以建立穩定的架空地網通信線路。為了確保通信覆蓋的廣泛性和穩定性，建設多個耐張塔，確保接入點得到全面覆蓋。

在耐張塔兩側，部署2條全向天線，用于近距離覆蓋。兩側天線的增益相差為6.0 dB，以優化信號覆蓋范圍和通信質量，表1列出了各天線的參數。

在輸電線上安裝電壓傳感器，以便實時監測并傳輸電壓數據。本文選擇DJI Mavic 3 Enterprise無人機，配備FLIR Vue Pro R巡檢設備，用于捕捉和傳輸高質量的巡檢圖像和視頻。同時，配置通信設備及地面控制站，以確保無人機與地面控制中心之間的穩定通信。在部署完所有設備后，進行詳細的配置和調試工作，以確保所有設備能夠正常工作且與通信系統兼容。

2.2 測試結果分析

分別用本文方法、田世坤等^［2］提出的基于P2P的輸電線路無人機巡檢實時通信傳輸方法和黃逸霄^［4］提出的基于光纖通信技術輸電線路無人機巡檢實時通信傳輸方法進行測試，統計100 kbit字節和100 GB 數據量的信息發送傳輸時間、接收傳輸時間和節點能耗，對傳輸信息的丟失程度進行對比。

3種方法測試統計結果如表2所示。

由表2看出，本文方法與其他2種方法相比，信息傳輸時間更短，丟失程度更低，保證信息完整性。證明本文方法在測試范圍內，無人機與地面控制站的通信效果良好，傳輸速率滿足要求。

3 結語

本文研究的輸電線路無人機巡檢實時通信傳輸技術為電力行業提供了一種高效且安全的巡檢手段。通過優化通信傳輸方法，該技術有效提升了無人機巡檢的實時性和通信效率，對保障輸電線路的安全穩定運行具有重要意義。未來，隨著無人機技術和通信技術的不斷發展，研究人員將對這一領域進行更加深入的研究，進而推動電力行業的可持續發展。

參考文獻

［1］邢華軍.輸電線路無人機巡檢智能管理系統設計及應用探究［J］.電氣技術與經濟，2024（2）：134-136，139.

［2］田世坤，唐勝達.衰減信道下具有嚴格時延的P2P實時通信傳輸策略［J］.廣西師范大學學報（自然科學版），2022（6）：122-130.

［3］李云松，崔健，李煜稼，等.高壓輸電線路無人機巡檢技術運維管理分析［J］.農電管理，2024（1）：49-50.

［4］黃逸霄.面向實時控制的無線通信傳輸策略研究［D］.成都：電子科技大學，2022.

［5］馬斯維，靳函通.輸電線路無人機全自主巡檢方案［J］.流體測量與控制，2023（3）：49-52.

（編輯 王雪芬編輯）

Realtime communication transmission method for UAV inspection process of transmission lines

MA" Xiaowei1， YUAN" Jinxia2

（1.Yantai Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Yantai 264000，

China; 2.Yantai Fushan Region Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Yantai 264000， China）

Abstract：" In the unmanned aerial vehicle inspection of transmission lines， this article proposes a realtime communication transmission method to solve the information loss caused by changes in communication distance. This method covers resource information collection， packet compression， beam switching to adjust signal phase and amplitude， as well as ground control center signal process. Through simulation testing， the information loss rate is only 0.3%， which verifies its feasibility and effectiveness. The method provides theoretical and practical guidance for realtime communication of unmanned aerial vehicle inspections， and ensures the safe and stable operation of transmission lines.

Key words： transmission line; UAV; patrol inspection; realtime communication; transmission technology