无人机区域巡检电气化铁路接触网预测分析与前景展望

◇神华新朔铁路集团公司供电分公司 秦 龙

本文从我国无人机电力巡检的发展历程、无人机系统的关键技术、无人机电力巡检的优势、无人机的分类适用范围、技术特性等多方面，与现阶段铁路接触网巡检现状、无人机运用于接触网巡检的技术优势，详尽阐述了无人机巡检电气化铁路接触网的可行性与安全性，并预测无人机区域巡检电气化铁路接触网将成为现实成为铁路供电系统不可或缺的设备，从而实现接触网巡检工作的高效和自动化开展。

1 我国电力巡检的发展历程

我国电力巡检起源于国家电网公司和南方电网公司，他们承担着全国的电网运营任务。从最早开始，我国电力巡检主要以人力巡检为主，随着无人机技术的进步与设备应用的快速拓展，出现了载人直升机电力巡检的方式，而后在2004年我国南方电网公司开始初次试用直升机巡视电力线路，开创了直升机电力巡检作业的先河。2015年国家电网系统全面推行直升机、无人机与人力巡检相协同的电力巡检新模式，南方电网公司计划于2020年基本实现以“机巡为主，人巡为辅”的协同巡检新目标。

1.1 我国电力巡检无人机发展回顾

（1）成立试点项目。2009年国家电网公司立项成立了无人机巡检专项项目，六年时间内各地电力公司不断试点并获取实效。2011年南方电网开始试点，四年时间完成了各项调试与验收等工作。

（2）部署、试点推广。2013年制定“在全网逐步推广输电线路机巡作业”部署。3月份开始，国家电网公司出台输电线路直升机、无人机和人工协同巡检模式试点工作方案。国家电网公司在十个省份推广新兴巡检模式试点工作。

（3）人巡为主，机巡为辅。2015年，各地试点工作陆续完成验收，并总结试点经验，完善标准体系。2014年，南方电网开始在班组试用多旋翼无人机，以赛促练，开展第一届多旋翼无人机竞赛。

（4）机巡为主，人巡为辅。2015年国家电网系统全面推行直升机、无人机与人工巡检相协同的输电线路巡检新模式。为提升巡检效率和质量，南方电网公司计划于2020年基本实现“机巡为主，人巡为辅”的协同巡检新目标。

1.2 无人机电力巡检的优势与分类

（1）无人机巡检的优势。无人机电力巡检方式可以较好地突破人力巡检与载人直升机巡检的局限。与人力巡检和载人直升机巡检相比，无人机巡检有着机动灵活、安全性高、成本低、环境要求低、便于携带和运输等独特优势。随着该技术的日益成熟，无人机将成为输电网巡线更为有效的工具，无人机合理搭载配置其它资源、提高电力巡检总效率的优势将不断显现，人力巡检和载人直升机巡检对无人机巡检的替代作用将变得越来越小。

（2）无人机电力巡检的种类与方式。无人机适用于定点巡检、精细巡检、范围巡检与其他巡检。定点巡检：混凝土杆、铁塔、基座、斜拉线、变电设备巡检。精细巡检：防震锤、拉线、耐张线夹、悬垂线夹、连接器、瓷瓶、弹簧销、绝缘子等巡检。范围巡检：违章树木、违章建筑、新架线路、新增建筑物、施工、大型设备移动、偷窃巡检。其他巡检：防雷、接地、惊鸟器、警告牌巡检等。

1.3 无人机的分类与适用范围

（1）无人机的分类。用于巡检作业的无人机，属于工业级无人机，按照机身构造又可分为：直升无人机、多旋翼无人机、固定翼无人机。

无人直升机分为：中型与小型直升无人机；中型直升无人机：适用于精细化多任务中等距离的巡检工作任务；小型直升无人机：适用于故障巡检与短距离、多方位、精细化巡检。多旋翼无人机可以分为：四、六、八旋翼无人机。中、小型旋翼机，主要任务是架线塔体的精细巡检，小型多旋翼无人机主要用于3公里之内的单塔或多塔巡检，通常一次可巡检1～2个塔，并可替代人员登杆检查等。固定翼无人机分为：中型与小型固定翼；中型固定翼，适用于应急巡检与灾情普查及大范围通道巡检。小型固定翼，适用于小范围应急巡检、通道巡检和灾情普查等。

（2）无人机的适用范围。在电力巡检中，直升无人机适用于精细化多任务中等距离的巡检或适用于故障巡检与短距离、多方位、精细化巡检等任务。固定翼无人机适用于应急巡检与灾情普查及大范围通道巡检。多旋翼无人机则主要适用于精细巡检。

1.4 无人机的生产销售与服务

电力巡检无人机的产业链分为上游研发制造，中游销售整机和解决方案，下游提供维修保养、培训操作人员等服务。下游客户国家电网公司、南方电网公司及各分公司等是电力巡检无人机软硬件及相关服务的主要需求方。

1.5 无人机安全巡检系统与关键技术

（1）无人机巡检控制系统构成。电力线路安全巡检系统主要由基于遥感技术的无人机平台与多传感数据获取系统、数据通信链路系统、地面数据处理系统、地面测控站等四个分系统构成。

（2）无人机各分控系统功能。无人机平台及多传感器数据获取系统：主要用于巡检数据采集。数据通信链路系统：用于整个系统通信连接，包括机载与地面测控站的信号接收/发射设备、通信中继设备等，负责无人机飞行平台与地面测控站之间的数据通信。地面数据处理系统：用于后期数据处理、存储与应用。包括多传感器数据预处理与集合处理系统等。地面测控站子系统：主要用于无人机飞行状态的监测和控制、飞行领航、传感器数据获取方式等的控制，此外对飞行获取的数据进行初步处理；该子系统包括：多传感器地面控制系统、数据编解码系统以及实时分析系统、无人机平台地面控制系统等。

（3）巡检系统关键技术。巡检系统中遥感技术的应用，特别是后期数据处理、多传感器集成等方面，仍处于摸索与研究阶段，有待于继续深入探索研究与开发。包括飞行姿态控制技术；多传感器高精度时间同步；线路缺陷、隐患探测技术；多源控制信息的激光扫描各系统参数校验等技术仍然需要继续完善与探索研究。随着我国无人机技术的持续、快速发展和低空空域的开放与管理的进步，上述问题在短时期内都能得到有效的解决。

2 现阶段电气化铁路接触网巡检现状

接触网是电气化铁路运行中至关重要的系统构成，它的运维质量与所处状态对铁路运输能力将产生直接的影响，关系到该区段铁路区间能否安全可靠运行。为确保电力机车供电安全稳定，就应加强对接触网关键部位、重点设备的巡视检查与监测管控，增加巡检次数，缩短检查周期时间。传统的供电接触网巡视，一般是以人巡为主，结合工区以及站段调度室（技术室）安排进行巡视，以检测车和传统工具为主的接触网巡视检查模式。技术、供电部门一直在寻求一种可以摆脱检测车和传统工具巡检的新方式，即能适用于单个接触网工对局部区段供电接触网的巡视任务。

3 无人机运用于接触网巡检的优势

被视为“空中机器人”的无人机，在执行电力巡检中所具备的诸多优势，同样适用于电气化铁路接触网巡检工作，且具备如下优势。

（1）可低空作业，获取高清图像。配备专业航空摄影仪的卫星遥感无人机负载较小，型体轻便，与传统航空测量相比，可以低空飞行，甚至贴地飞行，应用于接触网工程时不仅可以巡视监控接触网施工，也可以通过高清图像观测腕臂定位装置安装工艺及技术标准是否达标。依此可准确的获取一杆一档的准确数据和状态信息，给施工人员和巡检人员节省时间，检测、施工，精确到点，提高了工作效率。

（2）测量精度高，比例尺在1:1000以上。低空飞行无人机可贴地面飞行，精度可达0.1 m以上，据此标准接触网工程航摄在距离地面10 m的高度便可获得高清晰图形，可准确测量出承导线高度，拉出值，侧面限界，跨距，里程等关键数据。

（3）体积小、起降飞行灵活方便，利于全方位测量。无人机体型轻巧，运用于接触网工程时，可沿线飞行、绕杆螺旋飞行、空中悬停等，方便的穿梭于上下航线间距小的线路之间进行全方位检测，获得更详细准确的一杆一档数据。现代航摄无人机采用特殊材料制造，轻便，无需在特殊跑道上起降，可随处起降，多采用弹射起飞、直升直降、滑跑起飞等方式。

（4）运行成本低，操作简便。无人机低空航摄系统造价低，费用低，操作人员学习培训周期相对较短，无人机系统的维护与保养简单，一般场所都能自由起降，无需专用机场。

（5）具有周期短效率高等特点。对于接触网线路这类长距离巡检任务，受天气因素限制较多，检测人员来回跑比较麻烦。全野外数据采集时，成本比较高，作业也比较量大。若将无人机遥感系统进行实用化、工程化开发改造，则可利用其快捷机动的优势，在轻阴雾天或在其它风雨、雷暴等不良气象条件到来前也能在短时间内及时获取合格的影像信息资料，从而将大量的野外工作转入室内，既能提高作业的安全、效率和精度。同时，也能适度减轻工作人员的劳动强度。

（6）大范围内巡视作业，接触网CAD图纸实物化。无人机航摄凭借其优异的灵活性和便捷性，可以很好的完成区域性的全方位航摄任务，以及大范围内反复巡视接触网作业情况。经过对目标区域航摄后保存下来的图像数据资料，经后期处理可以与接触网设计图纸点、线、面一一对应。目前国内广铁集团广州供电段已开始采用无人机航摄新型作业方式，通过对既定目标区域进行航摄作业，对管辖范围内的接触网供电分段示意图以及接触网平面图转换成了影像资料，并与CAD图纸点与点对应，各个接触网关键设备一览无余，极大的简便了后期检修与巡视工作，从曾经的大面积巡检到目前的精准到点，工作效率得到了极大的提升。

4 无人机在接触网区域巡检中的应用与前景展望

无人机输电线路巡检作为一种新型技术，与人工巡检相比具有许多优点。用于电力巡检无人机的关键技术已日渐成熟，成本降低，规模推广，其适用性、稳定性、安全性也在日趋提高。目前，我国一些专业无人机企业已经研制开发出了多种型号能够满足各种需求的无人机。随着无人机设备应用的拓展与操控技术成熟，无人机信息系统与原有的接触网巡检信息管理系统可实现有效对接，采用无人机巡检电气化铁路接触网也将会成为现实，在不久的将来必将涉足本行业，成为铁路供电系统不可或缺的设备。巡检效率和质量会显著提高，并可相对降低工人的劳动强度，提升接触网设备的运行维护能力。伴随着多旋翼无人机的不断发展，小型无人机将逐步涉足铁路供电接触网系统。首先，无人机的售价和维护成本低于直升机，这使得无人机进行接触网巡检成为可能。其次，无人机具备实时性，成本低，响应快，灵活度高等特点，可出色完成任务，并且操作难度不大，工人经过短期培训都可以掌握。最后，无人机对灾难预警、事故预警可以起到意想不到的作用。因此，无人机的应用是接触网巡检智能化发展的有效解决方案。

5 结语

将无人机技术应用于电力线路巡检，包含了融合图像识别、电子、通信等多个技术系统领域，形成了无人机巡检系统较为完整的成套技术体系，可以很大程度减轻电力巡检人力投入，同时又能安全快捷与精准地完成巡检任务，是一个很具实用价值、很有前途的研发方向。无人机轻便快捷，它与载人机相比载有先进的航测系统，受阴雨雾等恶劣天气限制较小。它的这些优越性能必将成为电力巡检更为有效的工具。将无人机巡检通过系统任务进行规划与智能诊断等软件系统协调，以不断提升技术水平和巡检质量。更将扩展它的应用范畴，同时增近了无人机区域巡检接触网的可能，奠定了无人机巡检接触网的基础，增强了巡检自动化综合能力，无人机巡检接触网必将在短期内实现，为国家创造更高的经济效益和社会效益。