无人机在输电线路巡检中的应用

蔚晓宁 王敏

【摘  要】受制于地形因素，有些线路段无法人工巡检。直升机技术发展至今已有20多年，这种方法有着不受地理条件限制、巡线速度快的优势，但是直升机电力巡线的飞行技术属于精确飞行的范畴，它要求直升机必须沿着输电线路的走向随着导线弧垂的起伏保持相对稳定的间距进行飞行。这对飞行员来说无论是在心理上还是在技术上都带来不小的压力，没有经过专门训练的飞行员很难从事这项飞行业务。人工定期巡线是现阶段运用最广泛的巡线方法，这种方法不但劳动强度大、耗时多，而且效率低下。

【关键词】无人机;输电线路巡检应用;

近年来，架空输电线路规模日益扩大，且绝大部分线路偏远，巡线工作环境恶劣。随着数据采集技术的进步以及遥感技术的发展，利用无人直升机多传感器获取多源数据，为输电线路巡线提供了新的途径。无人机输电线路巡检系统不仅可以大幅提高工作效率，还能减少野外工作，降低巡线成本。

一、概述

无人机技术的发展為架空电力线路巡检提供了新的移动平台。利用无人机搭载巡检设备进行巡线，有着传统巡线方式无法比拟的优势：①无人驾驶，不会造成人员伤亡，安全性高;②不受地理条件的限制，即使遇到地震、洪涝等自然灾害，依然能够对受灾区域的电力线路进行巡检;③巡线速度快，每小时可达几十公里。虽然无人机巡线会受到机体载重、天气以及空域申请等条件的限制，但随着无人机技术的高速发展和空域管理水平的提高，这些问题都能够得到解决。将无人机这项技术应用于电力线路巡检，在无人机平台上集成电子、通信、图像识别等多个领域的先进技术，形成一整套无人机巡检系统，可以弥补人工巡检的不足，实现对输电线路的快速、安全巡检，具有重要的研究价值和良好应用前景。无人机巡检技术是最近十年才开始发展的一门新兴技术，融合了航空、遥感、电子、电力、飞行控制、通信、图像识别等多个高尖技术领域，实现起来难度比较大，世界范围内专门研究无人机用于巡线技术的并不多。国内关于无人机巡线研究的报道比较少，研究人员通过对飞行姿态控制系统等硬件平台开发和多传感器软硬件集成研究，利用无人机搭载高清相机和红外热成像仪对线路进行拍摄，并通过人工分析视频和照片，甄别出主要的缺陷和隐患。

二、无人机在输电线路巡检中的应用

1.无人机巡检系统。无人机巡检系统通常由无人机、通信设备、机载设备和地面站4大子系统组成。无人机巡检的各部分功能分析如下。对于无人机系统来说，通过将相机或摄影机挂载于机体，通过接收地面站的遥控信息指令来实现对电网输电线路重点部位的拍照取样，或对输电线路的全线拍摄。对于无人机机载设备来说，它是无人机获取输电线路图像信息的媒介。对于通信设备来说，它是无人机系统与地面工作站之间的桥梁，接收无人机系统的图像信息并将其传输给地面工作站，接收地面工作站的巡检作业指令并发送给无人机系统。对于地面工作站来说，它的主要功能是协调无人机的遥测、遥控通信以及对无人机巡检过程中所采集视图信息的位置进行定位。无人机输电线路巡检一般将小型摄像机、相机或红外测温仪等装置固定于无人机机体上，通过接收地面站的遥控信息指令来实现对电网输电线路重点部位的拍照取样，或对输电线路的全线拍摄同时将采集到的图像信息由通信设备传输到地面终端工作站，工作人员针对取得的图像结合专家知识分析输电线路运行状态，并对可能发生的故障查找原因和计划进一步的检修策略。无人机巡检技术可对输电线路断线、杆塔倾斜、绝缘子脱落及异物挂线等的识别和分析，它所巡检的输电线路部位主要是杆塔、绝缘子、导线、线路走廊和金具等。

2.无人机巡检过程。为保证无人机线路巡检的效率和安全正常作业，需经过前期丰富的理论研究，结合输电线路现场测试效果，合理地制定规范的无人机线路巡检流程，1）制定巡检计划并审批。在学习线路巡检方式方法的基础上，充分了解巡检任务，制定输电线路巡检计划并交给主管部门审批。若没能通过审批，则需要重新制定巡检计划。2）线路巡检前期准备。获取现场巡检输电线路的地形地貌、气象条件及周边线路的情况，并收集线路的走向、运行参数、杆塔精确GPS信息、交叉跨越情况以及以往缺陷记录资料，将资料信息进行整理以备查找。3）现场线路巡检作业。这一部分主要包括无人机起飞前的准备和飞行巡检作业2个阶段。①无人机起飞前的准备。根据所获得的杆塔及地标物的精确GPS信息，确定无人机飞行具体巡检路线。检查无人机系统，确认无人机处于良好运行状态，若采用自主巡检模式，应对巡检路径进行航迹路径规划。②飞行巡检作业。使无人机以平稳控制方式按预定巡检方案飞行，当遇到特殊飞行状况时，地面操作人员可按要求及时更改飞行方案;无人机通过调整云台角度，以拍照或录像的方式获得所巡检线路工作状态。

3.无人机巡检路径规划。当利用无人机自主飞行进行输电线路巡检时，需事先对线路巡检路径进行规划，并将所规划路径导入到无人机机体导航系统中。现阶段，多采用的线路巡检路径规划方法是操作人员逐点计算飞行路径，然后将这些路径数据人工手动事先输入到机体导航系统中，这种飞行路径规划方法对于操作人员的计算技巧要求极为严格，且计算中不允许出现差错，否则会带来安全隐患。为了有效地规划无人机输电线路巡检路径，提出了使用智能算法来进行其路径的规划方法。基于遗传算法来优化无人机输电线路巡检路径的方法，它采用极坐标编码方式来构造染色体，结合实际无人机巡检中的约束条件设计遗传算子，提高了全局搜索能力。输电线路巡检路径通常主要包括巡检作业起飞点、降落点以及线路巡检作业各目标点经纬度位置信息。在使用无人机进行输电线路巡检时，其路径规划会受到无人机性能参数和巡检任务等多种约束条件，即最大航程、最大爬升/俯冲角、最小路径段长度、最小拐弯角以及自然地理障碍等约束条件。线路巡检路径规划是在可设定路径空间中找到符合各约束条件的最优飞行路线，在实际应用中，可由在所设定路径空间中的一系列路径节点来计算出总飞行路径，且任意2个相邻路径节点用线段接连。该方法是将无人机线路巡检路径规划问题转化为路径适应度函数最小化的问题，可采用单目标优化方法直接优化得出最佳规划路径。当然，在无人机路径规划中，也可将路径与其他优化目标（如飞行路径终点与给定终点之间的距离）一起组成多目标优化模型，利用多目标优化算法得到优化结果。

4.无人机线路巡检作业中故障诊断与预测。无人机线路巡检以拍摄输电线路图像为手段，但仅有极少部分图像包含故障信息，且传统模式中使用人眼从图像中检测可能存在的故障信息类型。这种处理方式易使操作人员眼睛疲劳，检测效率低，且不能处理复杂故障类型。为了快速有效地检测并发现输电线路的故障，输电线路巡检中智能化的故障检测方案开始成为了一个研究热点。开展故障预测是减少输电线路突发故障、提高预知维修的重要手段。使用遗传算法对输电线路故障进行预测，有效解决了电网输电线路复杂故障情况下的预测问题。

现阶段，无人机巡检大多依靠相机、摄影机或红外感光仪器等设备进行监测，且智能化水平不足。虽然无人机巡检技术有这些不足之处，但其具有非常广阔的应用前景。无人机巡检与人工巡检进行结合可有效提高输电线路巡视与检修效率，可针对输电线路进行日常巡检及故障或隐患处理。

参考文献：

[1]徐华东.无人机电力巡线智能避障方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2018.