无人机装备智能化通信光缆巡检巡修应用探要

陈 东 陈红林 傅 彤 曹如琢

1.战略支援部队信息工程大学 河南郑州 450001；2.中国人民解放军31401部队 吉林长春 130012

一、概述

通信光缆线路是整个光纤通信系统的重要组成部分，加强通信光缆线路的维护是保证通信畅通的主要措施。为此，通信运营商往往通过人工步巡或车巡的方式，对光缆线路隐患进行排查或看护，但直埋敷设的光缆一般贯穿于公路、农田、山林或者河流之中，受地形、天候等因素影响较大，直接导致巡检周期长、人力消耗大、投入产出比高、隐患排查时效性差等问题。随着无人机装备和人工智能等前沿技术不断向民用领域延伸拓展，传统的巡线员分段承包、定期巡检的值维模式已不再适应当前发展形势，探索把具备智能识别隐患功能的无人机系统应用于光缆巡检巡修，可节省部分人力物力，降低环境因素影响，提高安全性和时效性，是未来信息通信行业转型发展的必然趋势。

二、无人机系统概况

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一种利用电磁波控制或者由其自身程序操纵的，能够在空中进行持续、可控的飞行，或是在航空航天空间均可实现可控飞行，能携带民用或军用性质的任务载荷执行任务，可一次性使用或可重复使用的无人驾驶飞行器。

(一)无人机系统及其组成

实际上，无人机并不能独立完成任务，它还需要地面控制设备、数据通信设备、维护设备，以及指挥控制和必要的操作、维护人员等，较大型的无人机还需要专门的发射/回收装置。因此，完整意义的能够执行任务的无人机应称为无人机系统，通常包括飞机系统、地面系统、任务载荷和综合保障系统等。

(二)无人机系统的应用现状

无飞行员座舱驾驶的特性使得无人机系统在执行任务时无须考虑人员的生命安全问题，更不必考虑任务的危险性，由此带来的是无人机的设计和使用要求被大大放宽，加之可借鉴的技术相对成熟、应用潜力巨大等原因，无人机系统被大量运用于军事领域，其发挥出的独特战斗效能极大地提高了各国军方对无人装备的重视程度；我国对无人机系统的研究虽然起步相对较晚，但发展速度迅猛，成效显著，近年来大批具有自主可控优势的无人机已逐步在态势感知、侦察监视、通信中继、电子对抗、目标识别等方面崭露头角。

随着军民融合程度的不断深化，无人机系统在诸多民用领域也迎来了蓬勃发展，比如在航空拍摄、电力巡检、消防救援、应急通信等方面得到了大量应用。我国无人机每年都在世界市场上不断发展，技术和制造成为世界上最好的系统之一。例如，随着国产某型产品组合的推出，以卓越的设计、低廉的价格和简单的操作方式，迅速占据了大多数消费者的位置。同时，为规范航空器管制，中国民航局于2016年修订下发《民用无人机驾驶员管理规定》《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》等文件，进一步规范了无人机行业的设计发展和应用范围。

(三)无人机系统的发展趋势

随着科学技术的进步和应用领域的延伸，未来无人机系统必然向“信息化、体系化、智能化”方向发展。一是成体系协同发展。一方面，无人机系统内各组成部分之间高度集成融合，协调配合起来将更加稳定高效；另一方面，各种功能、各种层次的无人机与其他系统间将实现互联互通，进而级联成功能互补、协同作业的有机整体。二是具有超强的续航能力。基于动力源和控制信号的稳定性要求，长航时将是未来无人机系统发展的一个重要指标。三是趋于小型化、精细化。针对无人机遥感等应用范围，要求其具有目标小、噪声低、材料轻便、机动灵活、可在复杂环境下作业等特点。四是高度的智能化特征。减少无人机系统对操作人员或地面控制站的依赖程度，将基于深度学习的AI算法应用于无人机系统的开发和优化，以提高其自动化和智能化水平。

三、光缆线路巡检巡修的主要内容

光纤通信具有传输容量大、抗干扰能力强、保密性能好等优点，是目前主要的有线通信手段之一，而光缆线路是信号的传输通道，是整个光纤通信系统的重要组成部分，按敷设方式一般可分为直埋、架空、管道、水底四种，据某维护单位统计，光纤通信系统业务中断原因中属于线路故障的占2/3以上，因此维护通信畅通，信息通信从业人员执行光缆线路巡检及应急抢通修复等任务实践则显得尤为重要。其中，线路巡检的目的就是及时发现威胁线路安全的潜在隐患，并按有关操作规程，科学有效予以处置，减少或避免外力破坏光缆的可通性。巡线需排查的隐患通常包含以下两种：

(一)涉线施工隐患

随着地方经济建设步伐的不断加快，各类型土建施工项目逐渐增多，一旦动用大型机械在直埋或管道光缆上方动土开挖，将直接造成通信系统局向性全阻，由此带来的人为隐患称为涉线施工隐患。此类人为隐患具有一定的计划性，一般有所征兆，比如，在线路附近有施工动土迹象或有挖掘机、推土机等大型机械频繁活动等，需要巡线员预判风险，提前采取制止或加固措施“防断”。

(二)自然灾害隐患

通信光缆敷设区域内可能突发地震、洪水、泥石流、山体滑坡等自然灾害，由此引发线缆被抻断、杆路遭折损等严重后果，这类隐患一般称为自然灾害隐患。其具有一定突发性，难以预知，通常做法是与当地气象水文部门沟通联系，预先采取应对措施，对于已经发生线路故障的情况，可用OTDR仪表测定出障碍点与测试点之间的距离和障碍性质，进而推算出断点概略位置，巡线员应及时掌握现场情况，引导抢修小组实施应急抢修作业“保通”。

四、传统人力巡线方式的缺点和不足

由于信息技术的迅猛发展和通信用户的迫切需要，我们对光纤通信传送网的可靠性和安全性要求越来越高，通信运营商“防断保通”的压力也持续增大，传统的人力巡线方式往往耗时耗力、产出投入比低下，主要存在以下三方面不足：

(一)受地形、天候因素影响较大

光缆线路的敷设与运维环境较为复杂，总体呈现点多、线长、面广的特点，多数线路埋设于农田、山林之中，巡线员爬沟过坎易引发安全事故；突发地震、塌方、强降雨、山洪、泥石流等自然灾害后，人车出行不便，需要现地查看重点灾损地段时，人身安全难以保证。

(二)巡线间隔周期长影响时效性

不论是步巡还是车巡，均受到位移速度和出动频次的制约，巡修量受日均峰值限制，一般单次巡修仅能满足一个路由方向，同一中继段两三天才能被巡检一次，而按照目前土建单位的施工进度，这种巡检频率显然无法满足时时盯防的要求。

(三)对巡线员的专业性和责任心依赖程度高

光缆线路巡检巡修任务不单单是体力活，还是技术活，更是良心活。一方面，巡线人员要具备一定的专业化素质，明晰路由走向和维护标准，掌握政策法规和防护手段；另一方面，巡线员可能会因体力消耗大、动态监管难而产生侥幸心理，出现跳巡、漏巡甚至是不巡的情况，对人员素质“软指标”提出了相当高的要求。

五、智能化无人机系统在光缆线路巡检中的应用分析

针对上述人力巡线方式的缺点和弊端，我们应有效利用无人机小巧灵活，运行成本不高，可轻易快速到达巡检巡修区段，人为因素限制少等特点，探索将具有智能化特征的无人机系统引到光缆线路巡检巡修任务当中。为此，本文提出如下技术开发路径和设计需求分析。

(一)外观设计及动力源

利用无人机巡检线路，可采用重量轻、体积小、机动灵活的多旋翼无人机，由车辆携带或者单人携带，方便转场和调度。此类型适用于小微型无人机实施巡检伴随保障时使用，其动力源可采用镍氢、镍锰、锂聚合物和锂离子等化学电池作为主用手段，机载太阳能电池板作为备用手段提供动能。另外，在使用无人机系统实施自主巡航保障时，则可采用垂起式固定翼无人机，体型稍大，可搭载各类附属设备，因其以更小的能耗来实现大范围的覆盖。因此可完成对长距离线路的快速巡检，其动力源一般包括微型涡轮发动机和过氧化氢火箭/涡轮组合发动机以及脉冲喷气发动机等，同时，也可将太阳能采集板附着在机身，飞行中积蓄光能，作为备用保底手段来使用。

(二)智能导航技术

依托北斗卫星导航系统和地理信息系统(GIS)，建立地理空间三维数据云，加载数据类型包括卫星影像设计、电子地图数据、路网数据、地名地址数据等，并将通信光缆线路路由图、标识(杆号)与纤长对照表等竣工资料进行数字化、标准化，在此基础上对线路数据及维护站点数据进行矢量化处理并上图，与影像地图及电子数据进行无缝叠加，航迹规划的一种方式是通过地面控制站与无人机时时数据传输，按照既定路线远程操控进行全巡；另一种方式是将巡线航迹程序写入无人机导航系统，依托自主飞行模式开展智能化巡航，遇有通信信号微弱、续航能力不足、极端恶劣环境等情况，无人机可依托预定的自主返航程序，利用惯导模式实施“自保式”返航。

(三)图像摄取传输功能

可见光和红外成像是无人机系统巡线的主要途径，它是利用在无人航空设备上装备稳定的可见光检测仪与红外成像仪等载荷，通过对光缆线路及其周边环境进行检查和录像，实现实时采集、实时回传、实时高清影像呈现，并附带数据存储回溯和动态分析等功能。地面站人员在显控系统中观察判读各类隐患，发现异常可通过操纵系统使无人机盘旋于隐患点上空，对画面高精度放大摄取，并可利用远程广播系统实施喊话，发出护线宣传警告，制止涉线施工等危险行为。

(四)无人机通信中继平台

无人机在复杂环境下的应用效果和巡检安全都受到通信能力的制约。采用无人机系统巡线的关键在于通信信号能否稳定、准确传输，目前无人机通信方式主要有卫星、中继基站和无线网络三种，但都各自存在一定局限性：卫通信号传输时延大、信号易中断、通信误码率高；中继基站通信受地形影响和通信距离限制；无线网络保密性差，在覆盖不完全的山区、森林等地无法使用。由此考虑引入另一架无人机“伴飞”执行通信中继任务，在原有的线路巡检无人机、数据传输电台、图像传输设备、地面控制站四部分的基础上，“伴飞”无人机搭载5G通信中继设备作为空中基站临时架设，以保证通信信号的高效、稳定、时时传输。

(五)自动躲避障碍物

无人机在巡线期间，可能会在既定航迹中遇到高压电塔、树木、鸟群等障碍物，通常采用的做法是通过装配在机身上的雷达反馈系统及时发现并检测，形成告警信号回传给地面控制站，经人工确认后再做出调整飞行姿态的决策，这一信息交互的时间将对无人机的飞行安全构成一定威胁。因此，在后续的改进设计中，应搭建起一套障碍反应系统，基于AI技术等实施自主航迹修正，达到自控避障的目标要求。

(六)图像数据的智能化判读

目前，无人机系统采集到的隐患图像一般以人工方式判别，存在效率低下和人为误判等缺点，尚未实现计算机的智能检测识别，无人机巡线的自动化水平还有待提升。为此，探索运用深度学习算法中的更快的基于区域的卷积神经网络(Faster Region-based Convolutional Neural Network，Faster R-CNN)目标检测的方法，通过人工预置航空影像，形成工程车辆、地质变化、杆路受损等影像数据集，基于仿真训练和测试，实现航拍图像中挖掘机、推土机等工程车辆，线路附近地形、地貌变化等目标检测，对比传统的机器学习检测算法，当检测精度(AP)达到一定阈值时，即可实现无人机航拍图像中光缆线路隐患的自动目标检测，触发的告警信息经通信传输到达地面控制站，值勤人员再根据情况做进一步处理，提高了值维管理手段的智能化、精确化水平。

结语

目前，无人机系统装备具有强大的远程机动、图像采集、信息交互和数据处理等能力，具备通信光缆线路巡检巡修的应用前景。后续研究可通过技术赋能和工程设计使无人机系统形成航迹规划、自主导航、5G通信中继、自动避障和智能判读等能力，最大限度减少巡线任务对通信从业人员和外界条件的依赖程度，以技术革新推动值维模式深入转型，着力探索更加完善的管理措施和人才支撑，实现智能化运维管理手段的高效运转。