基于多模态信号中继传输的多机联合巡检研究

张楚谦， 郭景武， 王星超， 夏立伟， 吴嘉琪

（国网湖北超高压公司输电检修中心，湖北武汉 430050）

0 引言

近年来，我国整体电网建设速度加快，输电网络延伸，运维工作量随之大幅增加，传统的人工巡检暴露出效率偏低、人员安全保障困难等缺点[1]，给人工安全和现场作业管理带来许多不便，难以有效保证电网的安全运行。目前海内外学者对输电线路巡检作业相关课题展开了大量研究，除了人工巡检，还有卫星遥感技术、激光探测技术、无人机智能巡检等方法技术。卫星遥感技术非常适合大面积探测[2]，而面对小面积的突发情况仍存在时效性差、精度低等问题；激光雷达技术可判断线路问题的准确位置等信息，但可视化能力较差，不适用于输电线路长时间实施巡检监测；通过搭载视觉传感器，无人机沿输电线路开展巡视，在无人机回传视频信息后，地面人员可及时了解情况[3]。与其他技术相比，无人机巡检更为高效、经济、安全，适用于架空输电线路的巡检作业。

随着无人机相关技术的不断完善，该技术已经成为电网运行巡检、监控及维护的一个重要辅助工具。为了更大地提升巡检质量和效率，解决安全风险问题，需推动输电线路巡检作业向智能化方向转变，实施架空输电线路无人机高效高质巡检。使用无人机进行电力巡检的应用虽然发展较快，但在山地较多且人员不便到达或通视性有限的区域，其作业效率在受到挚肘的同时也存在不少缺陷[4]。首先，发送端设备和接收端设备一个位于控制端上，另一个位于飞机上，常规的无人机图像传输和控制信号存在收发天线失配的风险，因为设备发送端一般使用垂直极化天线，如果多台设备同时互相通信，势必会存在互相干扰问题；第二，无人机如果在飞行途中遇到如高山、大树等障碍物时，图像传输的信号会变弱甚至没有信号[5]。克服这些不足之处是当前有效开展架空输电线路巡检作业的关键。

近年来，国内外许多学术文献都在探索无线通信中关于中继通信方式的选择和相关算法，尤其是在无人机相关技术不断发展的趋势下，新颖解决方案成为热点，希望借此能突破对无人机通信中继方式的判断和应用的研究。比如，有学者在研究构建无人机系统的卫星中继测控数据链时，使用作为空中中继平台的通信卫星是商业化卫星或军用卫星，实现了国内远程无人机系统超视距遥控、遥测和侦察信息的实时传输。还有不少研究人员提出中继转发系统的思路，并成功应用到无人直升机的相关场景，对该系统的设计方案、总体架构以及实现时遇到的技术难点、解决方案都进行了阐述和论证。还有学者在单载波频域均衡体制的4G 技术的基础上，利用小型旋翼无人机实现中继通信，旋翼无人机构建起空中转信平台，达到地空宽带无线网络互联的效果，这是一种基于4G 的无线组网设计方案，有利于促使快速网系互联、多业务高速数据传输。本项目在分析和运用无人机多模态信号一体化中继系统的基础上，研究架空输电线路多机联合巡检技术，不仅提升了巡检作业效率，更使架空输电线路安全运行系数不断提高。

1 无人机中继传输系统

1.1 目前主要的无人机中继方式

无人机中继方式的种类繁多，综合分析后可分为两大类，即基于地面中继节点的通讯方式和基于空中中继节点的通讯方式[6]。按中继节点的特点来看，基于地面中继节点的通信方式还可分为基于公网资源和自建的地面中继节点通信方式。相比较而言，基于公网的方式有着覆盖面广、运行成本低等优点，但时延问题及安全问题也是其不可忽略的弊端；按可沿线路走廊布置的自建地面中继节点，电力系统的杆塔等设备均可作为中继设备安装支点，但是过多的地面自建中继节点点多面广，容易受到户外安装恶劣环境的影响，设备新老更换等工作会是未来的难点和痛点，维护更新成本较高。

依据空中中继节点的特点，基于空中中继节点的通讯方式可分为基于卫星的中继方式和基于机载的空中中继平台方式的无线通信。全天候、全覆盖、灵活通信是卫星中继的优点，但卫星中继使用费用高、飞行高精度及实时飞控等要求难以达到。超大范围的数据链路双向通信、高速大流量的双向数据传输是选择机载空中中继平台作为无线通讯方式的突出优势，但需要操作无人机组，操作控制较为复杂，系统前期设计成本较高。具体分类比较和总结如表1所示。

表1 中继传输系统的主要分类

1.2 无人机作为中继平台的优势分析

就协助执行传输任务而言，无人机作为中继平台的多跳通信系统能够有效加宽传输网络的覆盖区域、强化系统的鲁棒性，而且使信道容量稳步提升[7]。卫星是无人机作为中继平台出现之前最常见的中继平台，但是卫星在中继通信中存在如制作成本非常高、部署麻烦、维护困难等一些比较明显的缺点，这也是卫星逐渐在中低海拔通信领域被无人机取代的原因[8-9]。而相较于卫星，无人机作为中继平台的优势非常明显，具体分析总结如表2所示[10]。

表2 无人机中继通信方式的优势分析

在将无人机作为中继平台时，需同时关注两条链路，即地面节点到无人机的中继链路和无人机中继到目的地节点的链路，两条链路都会对通信网络性能产生影响。因此，相比无人机作为空中基站，无人机作为中继平台的位置部署要困难得多，这也是当前相关研究的重点和难点。

2 多模态信号一体化中继传输系统

2.1 多模态信号一体化中继传输系统工作原理

无线信道对性能的影响在无人机组内相互通信时最大，不同种类的传输现象从波传播角度都可以归结到信道特性上。电磁波传播模式与无线通信场景、复杂地形紧密相关，主要包含反射和绕射、散射及吸收等。这些因素也会影响作为中继传输系统的无人机[11]。目前，无人机系统遥控器和地面控制终端的上下行传输均采用2.4 G 通道。由于2.4 G干扰较大且绕射性能较差，可以将无线通信链路改造为多信号链路的移动基站。信号通过无人机挂载中继，传输距离更长，质量更好，飞机操作航程更大。

无人机信号时刻变化，当多个单元相互分离时，执行任务需要无线通信的协调。中继系统通常用于增强无线信号，传统方法中包括地面车辆、直升机或卫星等无线信号作为中继系统，当用于增强无线信号时仍有一定的局限性。多模态信号一体化中继传输系统应用多链路传输技术以及自动切换应用频率技术，多个设备同时使用时，可以使用无干扰频率自动切换技术，在2.4 G和5.8 G范围内，将工作频率自动切换到高质量信息频率，频率产生的同时出现大量次频率，这些次频率通常以主频倍数的形式出现，增强通信量和距离。

多模态信号一体化中继传输系统的工作原理是利用无人机组实现指挥中心与一个或多个指挥中心之间的无线通信连接，每个梯队分配多架配备无线通信中继设备的无人机，这些指定的无人机发射并在地面梯队后面的操作区域上形成空中中继系统，也就是空中中继节点。忽略周围环境、部署时间以及梯队和指挥中心的位置的情况下，多架无人机为地面部队提供无线通信。

2.2 多模态信号一体化中继传输系统技术

配备移动基站的无人机飞到高空，在多模式信号一体化中继传输系统的应用下，可以不被外界干扰地锁定预定目标，然后控制另一台工作无人机，通过移动基站传输信号，间接控制无人机，完成飞行任务。无人机远程控制端和飞机中继端之间传输的数据通过外部第三方设备传输，以扩大无人机控制的距离，增强图像传输信号。遥控器和地面终端数据传输站通过UART 接口连接到数据传输站，地面数据传输站通过无线链路向飞机端数据传输站传输数据，飞机端数据传输站通过CAN 接口或UART 接口向飞行控制站传输数据。此外，为了实现无线高清视频的远程中继传输，可以选择COFDM 图像传输设备将视频从飞机传输到地面端。

多台无人机在处理任务时，其状态可能实时受到环境的影响[12]，基于多模态信号一体化中继传输系统的多机联合巡检技术，使用如基于MQTT 协议的多模态信号一体化中继传输系统，可以实现“一控多机”、多机联合的输电线路机巡作业。地面遥控器发送巡检任务至无人机中继系统平台，中继无人机接收到信息后，及时通信给巡检无人机编队，编队中的无人机在接收到相关任务请求后，分享传递消息，实现多机联合，共同完成巡检任务。

3 基于多模态信号一体化中继传输系统的多机联合巡检技术

成本低、操控性强这些因素使无人机广泛地应用于巡检任务中。在大面积的电网智能巡检任务中,单无人机的续航半径非常有限，无人机组联合协作可有效完成巡检任务[13]。例如无人机分层族群规划任务[14]、分布式多无人机编队[15]、有障碍区域多无人机多目标点路径规划[16]等这些技术都有借鉴意义。由于无人机在开展巡检作业时，目的节点距离源节点较远，甚至可能受到譬如高山峻岭、高大建筑物等障碍物的遮挡与阻拦，使节点之间不能建立直接有效的链路[17]。为此，布设适量的无人机组在目的节点和源节点之间，可以建立通信链路，实现多机联合助力架空输电线路巡检作业。

无人机具有航点飞行功能，无人机多机联合巡检在发挥这一功能时，使架空输电线路巡检任务在多台无人机的起飞、巡航、拍摄、降落全过程实现自动化，操作人员通过一键启动无人机来实现自主巡检[18]。目前多机联合模式较为常见的是无人机编队控制，这是一种经典的协同控制响定，是无人机协同控制的一个重要趋势，拥有广阔的发展前景。这种模式可以充分发挥有限的单机资源的作用，形成队伍来共同执行当前较为复杂的巡检等任务,尤其是对于单机来说不可能完成或是难度较高的任务[19]。无人机组协同飞行是实现以及强化无人机作战能力的核心技术，具有单机无法比拟的优势。

中继技术可以维持无人机组联合巡查模式下的数据链路。无人机采集视频数据后实时传送，有利于及时开展任务[20]。通过基于多模态信号一体化中继传输系统的多机联合巡检，可实现多机联合的架空输电线路机巡作业，形成编队制。当无人机中继系统平台接收到地面遥控器发送的巡检任务指令后，中继无人机给巡检无人机编队传输任务信息，各无人机接收到任务请求后，互相通信并一起完成联合巡检任务。具体流程如下：①地面站发送巡检任务至中继无人机后，中继无人机发送信息给邻居无人机，接收到任务请求的邻居无人机互相通信并一起完成任务；②邻居无人机接收到任务请求后，转发给附近其他无人机成员，同时自我判断能否充当中间节点，若能，就迅速将此信息反向传递给中继无人机；③以上步骤完成后会形成无人机路线，中继无人机沿此路线采用“点对点”方式与其他成员通信，共同完成任务。

4 结束语

无人机在电力线路巡检中有着重要技术应用场景，中继系统的研究显得尤为重要。综上所述，在面对较为复杂的地形时，开展架空输电线路巡检作业迫切需要无人机技术的突破与支持，特别是在中继系统方面。而基于多模态信号一体化中继传输系统的多机联合巡检技术，不仅能够克服地形对无人机信号的遮挡和信道干扰的缺点，而且其工作效率是传统巡检作业效率的数倍对提升输电线路安全运行水平有极大促进作用和价值。