無人機電力線路安全巡檢技術(shù)探究
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摘要：無人機屬于電力線路安全巡檢新型技術(shù)，這種新興的自動化航測設(shè)備靈敏度高、操作簡便，同時能夠克服巡檢作業(yè)區(qū)域較為復(fù)雜帶來的阻礙。
關(guān)鍵詞：無人機；電力線路安全巡檢；關(guān)鍵技術(shù)
1無人機電力線路安全巡檢的含義與任務(wù)
無人機屬于電力線路安全巡檢新型技術(shù)，這種新興的自動化航測設(shè)備靈敏度高、操作簡便，同時能夠克服巡檢作業(yè)區(qū)域較為復(fù)雜帶來的阻礙。通過敏感的遙感技術(shù)，利用無人機對相關(guān)巡檢設(shè)備進(jìn)行搭載，可對電力線路的安全巡檢過程進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)獲取，保證將操作人員的安全危險系數(shù)降到最低[1]。與此同時，可幫助技術(shù)操作人員頻繁反復(fù)地對電力線路的運行安全進(jìn)行有效維護(hù)，配合使用無人機對電力線路的安全巡檢操作進(jìn)行組織落實時，無人機首先要對巡檢區(qū)域的復(fù)雜地形條件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時采用多批次無人機平臺飛行試驗的方式，確保電力線路系統(tǒng)的性能符合優(yōu)良要求。為了讓數(shù)據(jù)獲取得更為全面，技術(shù)操作人員還可反復(fù)多次地開展無人機平臺飛行試驗操作，與此同時，利用run機影像與遙感數(shù)據(jù)處理平臺對獲取到的相關(guān)信息進(jìn)行精確分析與結(jié)果預(yù)判[2]。通常情況下，架空電力線路在電網(wǎng)系統(tǒng)運作過程中扮演著十分重要的角色，不僅能夠保證大功率的電流穩(wěn)定通過線路傳送到用電用戶家中，還可有效降低電能運輸過程中所出現(xiàn)的電能消耗[3]。但為了讓電能覆蓋的區(qū)域更廣，架空電力線路區(qū)域覆蓋范圍、地形地勢、水文氣候等自然環(huán)境可能較為復(fù)雜通常情況下，采用人工巡線的方式不僅會耗費大量的人力、物力，占用的時間也較多，同時基層操作人員還可能在巡檢過程中受到較大的安全威脅，整個作業(yè)過程較為危險，安全事故發(fā)生概率較高。與此同時，復(fù)雜的地形氣候條件也可能會給工作人員帶來較大的勞動強度，總之采用人工方式開展電力線路巡檢工作效率較低。伴隨無人機技術(shù)在電力線路巡檢工作中的應(yīng)用，以上問題全部得到有效克服，無人機技術(shù)還能夠讓整個電力線路的巡檢過程更加安全高效，可有效擺脫環(huán)境因素的影響與限制[4]。
2無人機電力線路安全巡檢系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成
2.1多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)從字面意義上就可以理解到，子系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組合而成，包括無人機飛行平臺系統(tǒng)、多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺、POS定姿定位系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的精確組合，讓無人機的飛行平臺功能可以更為豐富，同時在性能發(fā)揮過程中也可出色的完成各種飛行與信息采集任務(wù)。如對無人機的飛行平臺進(jìn)行種類劃分，還可分成固定翼飛行平臺以及旋翼飛行平臺兩種。技術(shù)操作人員組織開展電力線路安全巡檢工作時，無人機飛行平臺還需搭載傳感器系統(tǒng)與穩(wěn)定平臺機載設(shè)備。需注意的一點是，不同的電力線路巡檢環(huán)境如電力系統(tǒng)巡檢任務(wù)的任務(wù)類型、飛行距離與飛行速度等，會導(dǎo)致無人機平臺配合應(yīng)用的方案會有所差異，這需要視實際情況而定，保證無人機飛行系統(tǒng)可獲得更好的電力線路巡檢效果。在組織落實基于可見光拍攝的快速巡檢任務(wù)時，技術(shù)操作人員應(yīng)配置小型固定翼無人機平臺，因為這種無人機電力線路巡檢系統(tǒng)體積更小、環(huán)境適應(yīng)性更強，能高效的完成電力線路巡檢系統(tǒng)的巡視任務(wù)。同時光學(xué)數(shù)碼相機、熱紅外成像儀和激光掃描儀等構(gòu)成了其傳感器系統(tǒng)，不僅能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中的絕緣子爆裂或是地線斷股問題進(jìn)行精確定位，輸電線路設(shè)備的視頻信息采集層面也可使用無人機輸電線路紅外設(shè)備，也就是熱紅外成像儀。同時，無人機上的穩(wěn)定平臺還能保證熱紅外成像儀發(fā)揮出較好的圖片數(shù)據(jù)采集效果，保證目標(biāo)的成像質(zhì)量，POS定子定位系統(tǒng)可幫助無人機最大限度地規(guī)避風(fēng)險，防止出現(xiàn)成像模糊、飛行不穩(wěn)定的情況。
2.2地面測控站系統(tǒng)。通常情況下，無人機的飛行狀態(tài)主要由地面測控站系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)控，而地面測控站系統(tǒng)由多個控制系統(tǒng)組成，包括無人機、平面地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)以及實時數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。各種子系統(tǒng)在對無人機的飛行過程進(jìn)行控制時，地面控站系統(tǒng)可直接通過傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸方式對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取與分析。
2.3數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)。無人機執(zhí)行電力線路的巡檢工作時，數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)可發(fā)揮出較強的通信功能，保證無人機可隨時隨地地將數(shù)據(jù)傳輸給地面測控站系統(tǒng)。如果從組成部分上分析，地面測控站、信號收發(fā)設(shè)備、無人機通信設(shè)備等讓數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)功能更為強大，同時可在較為惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定的獲取相關(guān)數(shù)據(jù)與圖片信息。從系統(tǒng)的等級上看，數(shù)據(jù)通信鏈路系統(tǒng)為子系統(tǒng)，基本功能是對地面測控站與無人機飛行平臺之間的數(shù)據(jù)通信與交換進(jìn)行過程穩(wěn)定性保障，防止出現(xiàn)信號較差或是通信過程因突發(fā)狀況而中斷。此系統(tǒng)可保證無人機在外部環(huán)境較為復(fù)雜的作業(yè)區(qū)內(nèi)獲得更好的通訊能力并保證傳輸給數(shù)據(jù)中心的圖片與視頻更加清晰穩(wěn)定。無人機巡檢系統(tǒng)可直接滿足數(shù)據(jù)鏈路的傳輸需要，并保證發(fā)揮出的功能與數(shù)據(jù)鏈路傳輸需求相匹配。與此同時，技術(shù)操作人員可根據(jù)電力線路安全的巡檢系統(tǒng)實際情況來對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蔬M(jìn)行控制，通常情況下需將其控制在4Mbps~8Mbps之內(nèi)。
2.4數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理功能得以有效發(fā)揮的原因是，地面系統(tǒng)可實時精確地接收無人機傳輸?shù)南嚓P(guān)信號指令或圖片數(shù)據(jù)，在無人機發(fā)揮電力線路安全巡檢功能時，數(shù)據(jù)信息的后期處理與儲存作用也可更高效的發(fā)揮，可快速對獲取到的信息進(jìn)行精確分類與價值分析。同時，多傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)與幾何處理系統(tǒng)共同構(gòu)成了地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，而地面處理系統(tǒng)在發(fā)揮功能時，主要依靠攝影測量、遙感分析等數(shù)據(jù)處理方法。
3無人機電力線路安全巡檢的關(guān)鍵技術(shù)
3.1飛行姿態(tài)控制技術(shù)。外界環(huán)境因素，如氣候因素中的強風(fēng)或降水，都可能對無人機的飛行狀態(tài)與姿態(tài)產(chǎn)生較大的影響，致使無人機的飛行控制出現(xiàn)不穩(wěn)情況。無人機的姿態(tài)控制技術(shù)屬于無人機電力線路安全巡檢系統(tǒng)中的一個重要應(yīng)用，不僅能讓無人機的飛行狀態(tài)更加穩(wěn)定，還能讓無人機按照預(yù)定線路規(guī)劃開展飛行過程。依據(jù)專業(yè)研究人員的研究數(shù)據(jù)結(jié)論，LQG控制器主要控制無人機的俯仰翻轉(zhuǎn)姿態(tài)，而PID控制器也是無人機飛行控制中的一個重要系統(tǒng)，可有效預(yù)防無人機在飛行或航拍過程中出現(xiàn)偏航問題。因此在無人機電力線路的安全巡檢過程中承擔(dān)著飛行姿態(tài)的控制職責(zé)，子系統(tǒng)的敏感性與抗干擾性必須較強，否則就可能致使無人機的飛行狀態(tài)無法更為穩(wěn)定。
3.2地面數(shù)據(jù)處理技術(shù)。無人機電力線路巡檢工作主要由地面數(shù)據(jù)處理技術(shù)承擔(dān)，地面數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要是利用巡檢設(shè)備中的紅外成像儀、紫外線成像儀或POS系統(tǒng)聯(lián)合保證數(shù)據(jù)傳感器可以發(fā)揮出較強的數(shù)據(jù)收集與分析功能。地面數(shù)據(jù)處理技術(shù)還能夠?qū)τ行畔⑦M(jìn)行收集與分析，保證生成的數(shù)據(jù)結(jié)果更加精確，具備更強的參考性。
3.3正射影像采集技術(shù)。通常情況下，無人機電力線路安全巡檢系統(tǒng)中的正射影像采集技術(shù)需與GPU模型聯(lián)合，并以GPU模型為基礎(chǔ)，保證采集技術(shù)的數(shù)據(jù)采集作用可全面發(fā)揮，在對此項技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時，其最大的技術(shù)優(yōu)勢是能讓正射影像采集速度大幅提升，并為航測影像的快速處理提供技術(shù)方面的支持。
3.4線路隱患、缺陷的探測技術(shù)。3.4.1視覺探測技術(shù)。視覺探測技術(shù)也被稱作為可見光探測技術(shù)，一般會被應(yīng)用在線路隱患和缺陷的探測操作之后。技術(shù)操作人員可借助無人機搭載的高清相機與攝像機，對整個巡線過程進(jìn)行圖片與視頻獲取，與此同時借助信息技術(shù)將相關(guān)信息數(shù)據(jù)傳輸給地面基站。此時基站工作人員可直接利用專業(yè)系統(tǒng)對線路的整體情況進(jìn)行精確分析，需注意的是，視覺探測技術(shù)能甄別出電力線路的安全巡檢過程中可能會出現(xiàn)一些顯性故障，如導(dǎo)線斷股、異物懸掛或是桿塔變形等，這對于后期的線路分析工作有著非常重要的指導(dǎo)作用。所以，視覺探測技術(shù)必須發(fā)揮出強大的視頻與圖片清晰攝取的功能。3.4.2紅外線、紫外線探測技術(shù)。紅外熱成像儀在對無人機飛行過程中的表面溫度進(jìn)行提取時，具備較強的敏感度，能準(zhǔn)確測量到無人機表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點。因此此設(shè)備最大的作用是能依據(jù)紅外光譜圖像對無人機飛行器的線路接頭、線夾和絕緣子設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備在實際運作過程中可能出現(xiàn)的異常發(fā)熱情況，并對發(fā)熱點進(jìn)行精確定位。紫外熱成像儀在實際應(yīng)用過程中，還具備接受線路設(shè)備放電過程中出現(xiàn)的紫外光訊號功能，同時對無人機電力線路安全巡檢工作進(jìn)行落實時，技術(shù)操作人員可直接配合圖像對系統(tǒng)出現(xiàn)的導(dǎo)線外傷、絕緣子放電及污染等放電等現(xiàn)象進(jìn)行精確捕捉，尤其是紫外線探測技術(shù)被應(yīng)用在電力線路巡檢過程中時，技術(shù)人員必須時時關(guān)注太陽光以及人造光源，因其可能會對巡檢工作造成了干擾進(jìn)行重視，防止因為任何遺漏致使無人機出現(xiàn)飛行安全問題。3.4.3激光雷達(dá)探測技術(shù)。激光雷達(dá)探測技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，由于激光具備較強的單色性和相關(guān)性特征，所以將其應(yīng)用在無人機電力線路安全巡檢操作步驟中，能發(fā)揮出良好的方向定位功能。伴隨時展，激光技術(shù)的使用功能也在不斷擴展，因此其在角度檢測、距離測量以及長度測量過程中，同樣可發(fā)揮出較大的應(yīng)用價值。通常情況下，連續(xù)波相位式測距技術(shù)與脈沖式測距技術(shù)最為常用，同時將無人機電力線路巡檢技術(shù)與激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行融合，可協(xié)助巡檢人員在掃描線路走廊內(nèi)獲得精確度更高的激光點云數(shù)據(jù)，保證高分辨率航空數(shù)碼影像技術(shù)可輔助三維建模工作高精度落實，獲得更好的建模效果。在電力線路巡檢過程中應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)，還能輔助巡檢人員開展輸電線路與樹木、建筑物的距離測量工作，保證獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果更加精確，同時精確定位故障缺陷，為接下來的工作提供指導(dǎo)。無人機電力線路巡檢系統(tǒng)還需得到GPS技術(shù)的輔助，尤其是在激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用過程中，GPS巡檢系統(tǒng)能保證數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確，保證無人機平臺的任務(wù)載荷得到高水平獲取，電力線路GPS巡檢系統(tǒng)安裝的前后比較如下。巡檢落實：難于落實/必須到現(xiàn)場、巡檢時間可考核；檢測項目規(guī)范：不規(guī)范/規(guī)范；狀態(tài)量化：量化少，感覺多/多，儀器測量；記錄：記錄少/記錄多；交流：不方便/方便；在線幫助：無提示，存在漏檢/在線提示，狀態(tài)判別（貼身助手）；設(shè)備維護(hù)檔案：無，狀態(tài)趨勢無/有，有狀態(tài)趨勢曲線。
3.5無線通訊技術(shù)。無人機的遙控測量功能、信息傳遞功能以及跟蹤定位服務(wù)功能，三種功能的全面發(fā)揮離不開無線通信技術(shù)的輔助。為了讓無線通訊技術(shù)的作用全面發(fā)揮，在對無人機的遙控測量工作進(jìn)行組織落實時，應(yīng)對幾方面進(jìn)行重視：首先，測量無人機的飛行狀態(tài)，保證無人機在飛行過程中路線精確、過程穩(wěn)定；其次，精確測量無人機設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，對無人機系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)背后的價值被更深入的開發(fā)。還可借助無線電通信技術(shù)以及巡檢技術(shù)對正在運行采集信息的無人機飛行狀態(tài)進(jìn)行獲取，并通過地面設(shè)備對其進(jìn)行控制，無人機上裝載的任務(wù)荷載傳感器在信息傳輸過程中發(fā)揮著不可替代的作用，能夠讓地面系統(tǒng)對無人機進(jìn)行跟蹤定位，同時新建技術(shù)人員還可及時了解到無人機當(dāng)前的位置以及任務(wù)的完成效果。如發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的情況可及時操作系統(tǒng)進(jìn)行糾正，無人機的巡檢技術(shù)由多個系統(tǒng)或技術(shù)終端組合而成。同時也橫跨了圖像識別、電子通信以及影像采集等多個技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)建出一個完善科學(xué)的無人機巡檢系統(tǒng)，能夠讓巡檢工作的勞動強度得到有效降低，同時大幅縮減巡檢資金與時間成本保證有效提升巡檢工作的落實效率。需注意的是，無人機電力線路安全巡檢系統(tǒng)以及關(guān)鍵技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用與革新，還直接促進(jìn)了航測技術(shù)與電力技術(shù)的快速發(fā)展。綜上，無人機跟蹤定位系統(tǒng)相關(guān)功能的有效開發(fā)，能夠讓巡檢技術(shù)操作人員隨時隨地掌握無人機飛行的位置以及飛行過程中產(chǎn)生的路線，保證無人機飛行工作狀態(tài)得到有效監(jiān)控，并維護(hù)其飛行過程的穩(wěn)定。
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作者:謝曉君 楊小龍 倪天江 單位:內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司航檢分公司 中飛賽維智能科技股份有限公司
