无人机在电力工程全生命周期中的应用

乐志豪

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)

0 引言

无人机硬件的发展和软件技术的不断完善，使得搭载各种传感器获取空间数据的能力得到大幅提升。无人机的使用成本低，获得的数据精度高，在工程领域的运用也不断成熟，在项目建设的各个阶段发挥着越来越重要的作用。电力行业对项目全过程化管理需求，项目的全生命周期综合管理成为当前电力设计企业转型的迫切需求，原有的单要素、碎片化、单过程的资源管理方式难以满足管理提升的需求，急需在技术上从二维到三维的转变。工程项目建设对无人机的需求也从单一的拍照、摄像、展示等应用，深入到设计、施工、运维的各个阶段，工程项目生命周期各阶段的无人机需求如图1所示。

图1 项目生命周期各阶段的无人机需求

很多学者对无人机在电力工程中的应用做了大量的实验与应用。许粲玲[1]等对无人机智能技术在新能源工程管理中的应用前景进行了论述。周冰[2]等在电厂地形图测量中应用无人机系统进行勘测作业，并对地形图精度进行了分析。林宇龙[3]等在特高压基建工程施工中运用无人机高频次、长距离巡查施工现场，既提高了管理效率、减轻了劳动强度，又有利于扩大对施工管控的覆盖范围，同时也加强了基建管控力度。周诚[4]等结合无人机的优势在地铁深基坑施工过程中制订了详细的应急救援流程，对深基坑施工现场进行远程自动风险采集分析，并传达指令实现安全预警响应和疏散人员，实现深基坑施工风险远程自动化管控。王柯[5]等对无人机低空遥感技术进展及典型行业应用进行了综述，展望了无人机电力线安全巡检的优越性。杨玉川[6]等探讨了无人机扫描技术在工程全生命周期中的应用思路并介绍了该技术在水利水电工程等领域的实践操作应用。结合公司近年使用无人机的项目工程，对无人机在电力工程不同阶段中的应用进行探索。

1 决策阶段

在电力工程项目的决策阶段，电厂(水电、火电、风电、光伏、生物质发电)、变电站的选址和线路的路径选择，对项目的立项和项目的成败至关重要。电力项目选址须全面收集现有资料并进行分析，找出影响项目选址的重要控制因素，但传统小比例尺地形图的现实性较差，难以全面反映拟选站址的现实情况。往往电力设施的建设地就在城市、乡镇周边，而这些地方规划调整的需要、环保的需求、房屋建设增长的变化，对厂站址及路径选择带来挑战。如采用传统方式勘察并实测，短期内所测的范围有限、测量效率低，很难满足宏观对比分析的需要，往往很难优选出经济可行的方案。

近年来，在光伏、变电站、生物质电厂中应用无人机进行站址优选，获得不错的效果。运用无人机倾斜摄影测量技术，在拟选厂站址区域现场快速高效地获取测区影像，从而获得拟选站址的详实信息。在项目决策阶段根据拟建厂站的实景三维模型，将拟建位置的地形地貌地物等周边环境信息“搬到”屏幕，设计人员利用模型结合规划、交通、进出线路径及经济分析等要求和限制条件就能优选合理的厂站及路径。如图2所示为广西靖西变电站优选站址模型。

图2 广西靖西变电站优选站址模型

2 设计阶段

在电力工程设计阶段，涉及测绘、地质、水文气象、电气、土建、结构、通信、水工、技经等多专业间的通力合作。无人机测绘数据生成的三维模型，作为各专业间设计沟通的载体，提供可视化的设计环境。怎样深度融合实景三维模型与激光点云数据等现实数据和建筑信息模型(building information modeling，BIM)等设计数据并高效协作，已成为亟待突破的难点。田先斌[7]等利用无人机进行激光探测及测距(light detection and ranging，LiDAR)测绘作业，探索了其成果数据作为BIM 前期工程项目数据的可行性。薛向华[8]等对BIM 技术在水库工程设计及施工阶段应用分析进行研究，并对水库运行维护阶段应用方式开展探讨和研究，促使项目相关建设主体能协同工作、提高项目全过程精细化管理水平、为项目建设的各阶段提供有力的数据和技术支撑。

勘测设计各专业，通过三维实景模型与设计模型的无缝融合应用，让设计业务流程及工程信息从二维到三维转变。多专业空间数据的融合应用，将为勘测设计工作提供一个信息协同交互平台，减少各专业沟通障碍，提高勘测设计水平和工程设计管理效率。设计人员通过三维可视化的设计，采用模块化设计原则，对设计方案进行全方位优化，做到精细化设计，用一个项目对应一个模型来协同设计管理工作。项目空间数据融合如图3所示。

图3 勘测设计各专业数据融合示意图

在对220 kV平果变电站初步设计中，对现场勘查，测区地形平坦，地块主要为旱地。通过少架次正射及倾斜摄影，经过数据处理获得测区三维模型，模型中站址附近高速公路、道路、植被、电力线路和水系等清晰可见，如图4所示。

图4 220 kV平果变电站实景三维模型

在巫山光伏施工图设计中，分布式光伏电厂的地块分布绵延数十公里，采用传统数据的采集方式难以满足光伏电厂施工进度及工期的要求。在引入无人机倾斜摄影技术后，工作效率得以提升。在施工过程中随着征地的困难，施工受阻，常规的测量手段难以满足项目的迫切需求。运用无人机快速补测，在施工过程中快速选址，拟定新方案，已成为项目实施过程中的常态。

在雅安—资阳500 kV线路施工图设计中，线路经过区域房屋、重要交叉跨越数量众多，固定翼和旋翼无人机配合航测作业，为线路方案的优选及定位工作提供了极大的技术支持，获得了全长100 km以上的清晰的影像数据。在青海—湖南±800 kV特高压输电线路工程中，运用旋翼无人机对全线路塔位三维建模，对后期土地确权管理提供了重要数据支撑，为工程项目用地协调工作节省了大量时间。

3 施工阶段

项目施工过程中按施工工序和建造流程把三维设计模型进行分割与拼接，将建筑物基础、各层或区域的布置结构及设备在三维空间中的布局和施工过程结合起来进行管理，与施工现场情形进行比对，为施工管理带来便利。运用无人机对贞丰电厂生活区及道路测图，在工程施工阶段用无人机数据进行进度分析、现状调查、施工管理、检查施工填挖方量、设计与施工数据比对。通过无人机对施工过程现场的具体情况进行数据采集，与设计图纸、模型进行对比统计，实现对施工过程的监管、改善和优化。施工现状进度对比如图5所示，物质堆放及施工机具检查管理如图6所示。

图5 施工现状进度对比

图6 物资堆放施工机具检查

4 竣工验收

竣工验收阶段，无人机航测资料可用于检查统计项目竣工后的质量和数量，检查竣工图的真实性，可避免未按规划、设计施工及施工有偏差情况的发生。用施工前设计图纸、规划红线与竣工后模型比较，直观地实现项目占地情况、周围的生态恢复状况，对工程竣工是否符合设计要求进行监管，同时也有利于资金的结算工作。贞丰电厂生活区设计图与竣工影像对比如图7～图8所示。

图7 生活区施工布局与设计对比

图8 生活区填挖方与设计对比

5 运行维护

无人机对电力工程运维监测的手段和方法越来越丰富，搭载不同的传感器将完成不同的特定任务。很多学者利用无人机对辅助巡检进行研究，为实现电力线路安全巡检工作的高效和全自动化开展而努力。彭向阳[9]等将无人直升机用于电力线路巡检工作的技术要点进行了较为全面的阐述。范怡敏[10]等设计了一种配备紫外光传感器的无人机巡视系统，专门针对输电线路的电晕放电现象进行观测和检查。郭敬东[11]等进行灾后电力线路巡检，获取灾后现场数据，对现场情况评估，为解决灾后检测电力杆塔的状态，提出了一种基于YOLO 深度学习算法的无人机巡检视频实时目标检测模型。

乐志豪[12]等在石棉—雅安500 kV送电线路工程10号塔位滑坡处理中，用无人机测绘并进行了塔位及周围环境的三维建模，并对模型精度进行了评定工作。实景模型可以清晰地展现滑坡体、滑坡范围、植被覆盖、大面积裸露基岩等铁塔与周围环境的关系，结合现场地质勘查可以更准确地判断场地整体稳定性、是否会出现较大的滑坡导致整体失稳、滑坡主要破坏形式是否为浅表层滑坡的情形，为滑坡成因分析和滑坡灾害应急处理能够迅速研究可行的治理方案提供有力的技术支持。通过对滑坡情况现场勘查和模型研究，科学选择制定“改线方案”或“治理方案”，如图9～图10所示。

图9 塔位“改线方案”三维模型

图10 塔位“治理方案”三维模型

6 结论

运用无人机技术在电力工程项目各阶段中，①在决策阶段：有助于选出更为合理的方案，这对项目的立项和项目的成败至关重要；②在设计阶段：通过各设计专业间的通力合作，三维模型成果可作为各专业间设计沟通的载体，为设计工作提供可视化的设计环境；③在施工阶段：无人机对施工过程现场进行巡查，实现对施工过程的监管、改善与优化；④在竣工验收阶段：无人机航测资料可从宏观上对项目进行检查，避免未按规划、设计施工以及施工有偏差情况的发生；⑤在运维阶段：无人机搭载不同的传感器将完成不同的特定任务，保障电力工程的安全运行。探索无人机技术在电力工程各阶段的应用实践，以期不断拓展和丰富无人机在电力工程项目中的应用场景。