输电线路无人机巡检过程实时通信传输方法

摘要： 在输电线路无人机巡检中，为解决由通信距离变化引起的信息丢失问题，文章提出一种实时通信传输方法。该方法涵盖资源信息采集、数据包压缩、波束切换调整信号相位和幅度以及地面控制中心信号处理。仿真测试表明，该方法的信息丢失率仅为0.3%，具有可行性和有效性，为无人机巡检实时通信提供了理论与实践指导，确保了输电线路的安全稳定运行。

关键词：输电线路；无人机；巡检；实时通信；传输技术

中图分类号：TM75" 文献标志码：A

0 引言

随着智能电网的快速发展，无人机巡检以其高效、灵活、成本效益高等特点，成为输电线路巡检领域的新技术^［1］。当前，已有多位学者对无人机巡检实时通信传输技术展开了研究，田世坤等^［2］在随机衰减信道条件下，研究了具有严格时延的P2P实时通信传输策略。该方法证明了系统的可索引性，给出了传输策略的Whittle索引封闭解。李云松等^［3］对高压输电线路无人机巡检技术的运维管理展开分析，通过构建科学的运维管理体系，有效提高巡检效率和质量。但上述无人机巡检实时通信传输技术仍存在通信延迟较大、数据传输效率不高等不足。因此，本文针对输电线路无人机巡检实时通信传输技术展开研究，为无人机在电力巡检领域的应用提供更为可靠的技术支持。

1 输电线路无人机巡检实时通信传输方法设计

1.1 采集处理输电线路无人机巡检资源信息

在接收到基于变电站和输配电线路信息分析得出的起飞指令后，无人机将配备传感器和红外摄像头，在低空区域执行巡检任务。无人机通过智能算法选定单杆塔作为巡检目标物并根据特殊地形自动生成最优航线，同时记录飞行轨迹^［4-5］。在执行任务过程中，无人机将实时记录温度、振动、电流等信息并拍摄设施图像。之后，预处理程序对比降噪，删除冗余数据，实现数据标准化。

1.2 实时通信信息数据包压缩

无人机巡检产生的数据量庞大，直接传输这些数据会消耗大量带宽和能源，同时影响传输效率。压缩数据包能提高数据传输效率、减少能耗，增强信号的抗干扰能力。此外，数据压缩还能降低存储和处理成本，确保地面控制中心能够实时、准确地获取巡检信息，满足实时性需求。

在无人机传感器网络中，为了实现多区群配置，将网络划分为若干个独立区群，每个区群由x个传输节点组成，这些节点的标签分别为a=1，2，...，x。在每个区群内部，对各个节点采集的实时通信信息数据进行压缩处理。压缩完成后，这些压缩后的数据将被传送至该区群内的首位节点（即标签为a=1的节点），以便无人机巡检传感器能够高效地收集和分析这些处理过的数据。节点压缩过程可表示为：

Ba=ia（1）

其中，Ba为压缩的数据包；ia为传输节点采集的全部数据；为传输数据的压缩系数。为防止信息流失，须优化压缩过程，根据约束条件对优化系数ra进行运算：

ea=‖ia-∑mi=1raia‖22（2）

其中，ea为处理后的数据与原始数据值之间的偏差。

ra=∑xn=1en+αea/∑xm=1∑xn=1en+αem（3）

其中，m和n分别为2个不同无人机巡检网络传输节点；α为压缩包的优化结果。引入优化系数ra对不同区群的数据包进行优化，得到最终数据包G，计算公式如下：

G=raBa-∑mi=1raia2（4）

对实时通信数据进行压缩，能够有效减少数据传输过程中产生的能耗。为了进一步降低能耗，本文结合各传输节点的能量消耗情况，引入一个优化系数来动态控制数据的压缩率。这不仅能确保各传输节点在能量消耗上达到平衡，还能保证它们能够高效作业，显著减少节点在数据传输过程中的工作量和能耗^［5］。

1.3 波束切换调整通信信号相位和幅度

压缩数据通过波束切换技术调整信号，补偿传输衰减，确保无人机巡检实时通信稳定。本文采用选择式合并技术提升信噪比，选取最佳天线接收，实现波束加权处理。在进行波束转换前对波长η进行计算，公式如下：

η=ωL70°（5）

其中，ω和L分别为天线的半功率角和天线直径，根据实际输电线路走向进行波束切换。宽窄波束无线覆盖如图1所示。在输电线路无人机巡检过程中，当无人机远离接入点时，其通信连接主要依赖波束3的覆盖。此时，波束2和波束1由于保持狭窄的覆盖范围，无法为无人机提供主要的信号接收支持。因此，无人机在远离接入点的状态下，主要依赖波束3的旁瓣来接收信号，以确保通信的连续性和稳定性。

无人机传输时，波束3弱化则切换至波束2维持通信。波束2用于覆盖飞行区域，但当无人机远离时，信号减弱。此时切换至波束1确保稳定连接。通过反复切换波束1和波束2，系统动态调整信号覆盖，确保无人机稳定巡检通信。

1.4 地面控制中心处理实时通信信号

经过波束切换传播的实时通信信号会发送到地面控制中心，经过地面控制中心第二数传设备和图像接收设备的接收、解码、分析和处理过程，完成输电线路无人机巡检的实时通信传输。传输过程如图2所示。

根据图2所示，无人机在巡检过程中首先采集图像数据，通过压缩设备减小数据量以便于传输。其次，利用微波光子技术，图像数据经第一数传设备高效传输。最后，图像发射设备运用波束转换技术将数据传输至地面控制中心。在地面控制中心，第二数传设备负责处理来自无人机的图像数据。此外，为确保数据安全，采用统一密钥进行加密解密并设立数据管理和访问控制机制，以防止数据被非法获取。

2 仿真测试与分析

2.1 搭建测试环境

实验测试选择空旷无障碍物且信号传输良好的区域，确保实时数据传输和双向通信。在这个区域中，利用无人机信号资源与电力公司进行联络，以建立稳定的架空地网通信线路。为了确保通信覆盖的广泛性和稳定性，建设多个耐张塔，确保接入点得到全面覆盖。

在耐张塔两侧，部署2条全向天线，用于近距离覆盖。两侧天线的增益相差为6.0 dB，以优化信号覆盖范围和通信质量，表1列出了各天线的参数。

在输电线上安装电压传感器，以便实时监测并传输电压数据。本文选择DJI Mavic 3 Enterprise无人机，配备FLIR Vue Pro R巡检设备，用于捕捉和传输高质量的巡检图像和视频。同时，配置通信设备及地面控制站，以确保无人机与地面控制中心之间的稳定通信。在部署完所有设备后，进行详细的配置和调试工作，以确保所有设备能够正常工作且与通信系统兼容。

2.2 测试结果分析

分别用本文方法、田世坤等^［2］提出的基于P2P的输电线路无人机巡检实时通信传输方法和黄逸霄^［4］提出的基于光纤通信技术输电线路无人机巡检实时通信传输方法进行测试，统计100 kbit字节和100 GB 数据量的信息发送传输时间、接收传输时间和节点能耗，对传输信息的丢失程度进行对比。

3种方法测试统计结果如表2所示。

由表2看出，本文方法与其他2种方法相比，信息传输时间更短，丢失程度更低，保证信息完整性。证明本文方法在测试范围内，无人机与地面控制站的通信效果良好，传输速率满足要求。

3 结语

本文研究的输电线路无人机巡检实时通信传输技术为电力行业提供了一种高效且安全的巡检手段。通过优化通信传输方法，该技术有效提升了无人机巡检的实时性和通信效率，对保障输电线路的安全稳定运行具有重要意义。未来，随着无人机技术和通信技术的不断发展，研究人员将对这一领域进行更加深入的研究，进而推动电力行业的可持续发展。

参考文献

［1］邢华军.输电线路无人机巡检智能管理系统设计及应用探究［J］.电气技术与经济，2024（2）：134-136，139.

［2］田世坤，唐胜达.衰减信道下具有严格时延的P2P实时通信传输策略［J］.广西师范大学学报（自然科学版），2022（6）：122-130.

［3］李云松，崔健，李煜稼，等.高压输电线路无人机巡检技术运维管理分析［J］.农电管理，2024（1）：49-50.

［4］黄逸霄.面向实时控制的无线通信传输策略研究［D］.成都：电子科技大学，2022.

［5］马斯维，靳函通.输电线路无人机全自主巡检方案［J］.流体测量与控制，2023（3）：49-52.

（编辑 王雪芬编辑）

Realtime communication transmission method for UAV inspection process of transmission lines

MA" Xiaowei1， YUAN" Jinxia2

（1.Yantai Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Yantai 264000，

China; 2.Yantai Fushan Region Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Yantai 264000， China）

Abstract：" In the unmanned aerial vehicle inspection of transmission lines， this article proposes a realtime communication transmission method to solve the information loss caused by changes in communication distance. This method covers resource information collection， packet compression， beam switching to adjust signal phase and amplitude， as well as ground control center signal process. Through simulation testing， the information loss rate is only 0.3%， which verifies its feasibility and effectiveness. The method provides theoretical and practical guidance for realtime communication of unmanned aerial vehicle inspections， and ensures the safe and stable operation of transmission lines.

Key words： transmission line; UAV; patrol inspection; realtime communication; transmission technology