微型全保护无人机电缆隧道巡检应用系统

郑子杰

（华南理工大学，广州 510641）

1 微型全保护无人机电缆隧道巡检应用系统的研究意义

目前无人机行业国际上都在加大科研力度，进行无人机共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。国内已有类似管道无人机的产品，但主要用在煤气等管道中，仅仅起到检查管道的作用，同时由于牵引力相当有限，不具备越障能力，不适合用于隧道电缆的复杂环境和相关检测。

目前智能电缆隧道巡检无人机的研究在国内处于起步阶段，根据国内应用情况，可以归类为隧道巡检无人机方向。隧道巡检无人机研究主要集中在国内高校和研究所内。

2 微型全保护无人机电缆隧道巡检应用系统所带来的经济效应

本项目推广之后，配网隧道巡检无人机可以直接快速的担当起它的责任。隧道巡检无人机通过携带相应的传感器，可以对地下配网管道的诸多测试项目进行测试。它通过管道铺设的有线网络链路可以将地下配线管道的实时情况传回远方电网运维监控中心。而监控中心发现问题之后，可以第一时间知道故障发生地点以及相关情况，从而在最短的时间内做出应对措施，挽救电网的直接经济利益。同时，间接的说，配网管道隧道巡检无人机可以在事故发生后最大限度的保障社会的经济利益。成果推广后可产生如下效益：

（1）完成城市配电电缆管道工程中智能隧道巡检无人机大集控系统，将移动巡检、环境实时监测、设备在线监测、灾害预警与响应、数据深度分析挖掘集成于一身，多位一体，有效弥补传统隧道巡检的缺陷，人工巡检费时费力、可靠程度低，存在较大的安全风险等缺陷；固定死角监控时死角多，灵活性低，被动监控等缺陷。

（2）弥补了隧道事故与应急领域的空白，能够对电缆隧道自然性火灾进行预警，能够对高压积水电缆隧道进行有效监测，对可燃性气体泄漏、线路腐蚀进行有效预警。

（3）巡检结果的实时性、全面性反馈，巡检数据的准确性以及事故位置、原因以及事故隐患的清晰定位和判断，使所有设备、环境状态数据可据可查，事故原因与过程可追溯。

3 微型全保护无人机电缆隧道巡检应用系统的机械结构

隧道电缆巡检无人机进行地下作业，复杂的地下环境会给巡检过程带来难度，由此可见，良好的飞行性能和障碍检测能力是隧道巡检无人机必不可少的配备。为了适应狭窄的作业空间（如图1所示），隧道隧道巡检无人机必须小型化、模块化，适应快速拆装或者部件替换。隧道巡检无人机在应用过程中配备红外成像设备以及搭建可控云台则更有利于帮助电缆维护人员掌握电缆运行状况。

该隧道巡检无人机为满足电缆隧道巡检要求而设计。在机械上，具有飞行平稳，灵活的特点。其主要机械参数如下表：

性能 参数 性能 参数轴距 250mm 飞行速度 0～5 m/s最大飞行距离 4km 重量 1kg机身尺寸(mm) 300 ×80 ×300

图1 隧道空间示意图

4 隧道巡检的实现

4.1 移动视频巡检

智能无人机巡检系统可实现不间断地对隧道进行自主往返巡检、异常点自主定位复检、手动控制复检、手动灾害处理等功能。并实现对隧道状态的连续、动态的数据采集及系统存储。

智能隧道巡检无人机通过双视云台搭载可见光高清相机与红外热成像仪，针对隧道内的各类电力设备以及环境进行24小时实时的可见光监控与红外热成像视频监控。云台安装在智能隧道巡检无人机底部，云台内可搭载可见光相机、红外热成像相机（可选）和补光设备。

云台水平方向具备360°转动能力，垂直方向具备±90°转动能力，同时配合相机变焦，可有效保证对智能隧道巡检无人机30米内各方向现场细节进行有效监控；同时云台自带减震装置，配合一体化防抖相机机芯，在智能隧道巡检无人机运行过程中可减小振动，大大提高视频观测稳定度和可观测性。

4.2 隧道环境监测

隧道内部空气不流通、温度较高、潮湿、易积水，且容易出现O2含量低，而H2S、CO、CH4等气体含量高的人生和设备安全隐患。智能隧道巡检无人机搭载了多种气体传感器与温湿度传感器，以移动的方式，在隧道内进行长期频繁密集的采集。

在隧道巡检无人机常规巡检任务下，每隔10米采集一次环境数据，并实时将环境数据传输至终端管理平台进行数据存储、深度挖掘与趋势分析预警。同时对于环境数据异常及趋势异常情况，无人机与终端平台将实时发出报警信息，提醒管理人员进行关注与处置。

4.3 无人机全方位保护罩的实现

隧道巡检无人机采用全方位的保护罩。考虑到重量的限制和机械强度的要求，保护罩使用密度小强度高的碳纤维棒作为材料。

隧道巡检无人机的保护罩参考蜂巢结构设计，广泛使用衍架式结构。通过对保护罩3D模型的构建与力学受力分析、有限元分析，反复比较确定模型的最优解方案。

在保护罩设计出来之后，经过加工生产安装，保护罩被装载隧道巡检无人机上。通过各种碰撞测试，跌落测试，保证设计的保护罩性能达到设计的要求。

4.4 无线通信链路进行覆盖方案

由于隧道建筑结构的特殊性，隧道内空间有限，目前，常用的隧道无线覆盖技术有三种不同的方式：采用漏泄电缆天馈系统的覆盖方案。漏泄电缆是一种特殊的天线，它通过本身独有的孔辐射电磁波信号，具有信号辐射均匀，无盲区，抗干扰能力强等优点。但是由于隧道隧道巡检无人机所需通讯带宽高（需传输视频图像信息），漏泄电缆能满足该带宽的漏泄电缆造价高昂，且传输带宽越大，线缆直径越大，最大漏缆直径可达50mm，在电缆隧道铺设施工难，实用性较低。

采用基于基带部分和射频部分分离的BBU+RRU构架的Node B标准组网方式与大功率天线结合的方案。这种方案是对现有通信系统的延伸，设计灵活，安装方便，成本低，但存在信号切换延时，不稳定，且信号带宽不足等因素。

采用wifi网络多无线接入点AP无线覆盖方案。该方案在隧道内安装多个AP，通过光纤与隧道口无线控制器（AC）相连，AC再与监控后端的控制器连接。该方案通过光缆传输降低了电磁干扰，减少了底部噪声，可实现隧道内信号的高带宽稳定、无盲区传输。

4.5 红外热成像图像识别智能巡检方案

隧道巡检无人机借助搭载的红外热成像仪，对隧道内电缆、电缆接头、接地箱、风机等设施设备进行成像，结合测温数据与图像分析技术，可以从热成像图中得出设备设施的工作状态，一旦发现有超温现象，即可进行报警。通过自动化的报警功能，工作人员不必24小时不间断监视现场设备设施，只需要在有报警的时候关注和处理报警问题。

常规红外热成像测温分为移动式测温与特定点测温两种模式。在移动式测温模式下，隧道巡检无人机将在保持常规行驶速度的条件下，对整个视场内的全部致热性设备进行逐一的温度值提取与实时分析，并实时将温度数据与分析传输至管理平台进行存储与汇总分析。对于检测到的设备温度异常数据，隧道巡检无人机将即时发出预警或报警。

对于部分重点监视设备或单次指定监视设备，无人机将执行特定点测温任务。隧道巡检无人机行驶至设备附近，对该设备进行重点监测，同时采集该设备的可见光视频与红外温度图像，并做出温度状态分析，对于设备异常将即时予以报警。

5 结束语

巡检是确保地下隧道电缆安全稳定运行的主要手段。目前地铁隧道的巡检和安全防护主要以人工静态检查为主，少量动态检测车为辅的形式完成。前者工作环境较为艰苦，速度慢、效率低、占用线路时间长，同时，有些问题靠人工无法快速识别判断。

配网管道隧道巡检无人机通过携带相应的传感器，配网管道隧道巡检无人机可以对地下配网管道的诸多测试项目进行测试。例如：积水深度，淤泥量，管内沼气浓度，线路温度，电缆接头处是否存在放电，是否存在偷排污水，偷排油烟等情况。配网管道隧道巡检无人机通过管道铺设的有线网络链路可以将地下配线管道的实时情况传回远方电网运维监控中心。