无人机在输电线路巡检领域应用综述

2017-07-04刘越王万国山东鲁能智能技术有限公司

无人机 2017年11期

刘越王万国（山东鲁能智能技术有限公司）

我国输电线路历程长，分布广泛，途径的地理环境复杂的情况，人工巡检效率低。通过将无人机巡检技术引入到输电线路巡检，提高了输电线路巡检效率。本文对无人机在输电线路巡检领域的应用进行介绍，对巡检用的无人机系统进行了分类，并对无人机智能巡检技术在输电线路巡检领域的应用进行了详细阐述。

随着国民经济的快速发展，社会用电量逐年增加，为满足日益增长的用电需求，国家加快了高压输电线路的建设，尤其是特高压线路的建设。截至2016年底，已建成并投运的220kV以上的高压输电线路达170万千米，输电线路的日常巡检及维护面临严峻的挑战。输电线路地理环境复杂，经常地处山区、丘陵、高原、高寒、跨越河流等环境中，巡检难度大，传统人工巡检方式已无法满足日常巡检需求。随着无人机技术的发展，无人机巡检作业巡检技术作为一种新型的巡检模式被引入到输电线路的日常巡检工作中。

无人机巡检系统组成与分类

输电线路巡检无人机系统主要由无人机平台、地面站控制系统、载荷及数据采集设备组成。在执行输电线路巡检时，根据巡检任务内容选择无人机平台及采集设备。无人机系统通过搭载任务载荷、数据采集设备，通过地面站控制无人机沿输电线路进行飞行、巡检、采集线路状态数据信息。

固定翼无人机巡检平台

固定翼无人机平台主要包括机身、机翼、尾翼、起落架和电机。平台通过搭载可见光相机或摄像机，配备用于长距离传输的数据传输模块与图像传输模块，构成固定翼无人机巡检系统。固定翼无人机适用于对线路大环境进行侦察，其飞行控制系统较为精准。固定翼无人机特点在于续航时间长、飞行距离远、飞行速度快（一般为80～120m/h）、飞行高度高，主要携带照相机和摄像机对输电线路进行超视距巡检，适用于对线路走廊、采空区、杆塔倾斜、线下树木、违章建筑、违章作业等较大尺度对象的巡视。由于平台不具备悬停功能且飞行高度高，导致拍摄的影像资料不够细致，不能很好地了解杆塔、导线的本体状况。

多旋翼无人机巡检平台

多旋翼无人机平台，通常具有三个及以上的旋翼轴，每个轴上的电机带动旋翼产生升力及推力。平台通过高精度云台搭载可见光相机、红外热成像仪、倾斜摄影相机、激光扫描仪等设备组成多旋翼巡检系统，可完成对输电线路杆塔、金具、导线的可见光数据、红外热图、激光数据等状态信息的采集。结合图像视觉分析技术，可实现输电线路各类设备运行状态（是否存在破损、异物等）的分析；利用激光点云处理技术，可实现输电线路设备及走廊的三维重建，进而分析存在的树线矛盾、违章建筑的情况。多旋翼无人机巡检作业平台具有良好的悬停能力，可实现输电线路杆塔及其附属金具近距离、定点、定位的高清图像信息采集。地面操控人员通过机载图传系统传回地面站的视频信息，观察各部件的运行状态信息，通过操纵机载云台与相机，完成各部件信息的精确采集。多旋翼平台通常体积小、易操作、易携带，可以单人完成日常的输电线路巡检工作，巡检作业效率高，较传统人工巡检方式在山区、丘陵地带的巡检效率提高10倍。但多旋翼平台续航能力有限，无法完成长航时、远距离的精细化巡检作业任务。

无人机巡检系统示意图。

输电线路杆塔覆冰。

无人直升机巡检平台

（上）多旋翼无人机平台。

（下）多旋翼无人机输电线路采集图像。

常用的无人直升机有单旋翼无人直升机、共轴式无人直升机。无人直升机通常具备较大的续航能力（续航时间≥2h）与载荷能力（任务载荷重量≥30kg），具备更强的环境适应能力，可以在高原、高寒环境下完成巡检工作。大载荷无人直升机，通过配备高精度吊舱，可同时搭载可见光采集设备及红外热像仪，一次输电线路巡检可实现多种类型状态信息的采集，极大提高了巡检作业效率。但无人直升机通常体积大，不便于运输，且需要多名巡检人员协同完成巡检工作，不利于快速展开巡检工作。

无人机智能巡检技术在电力巡检中的应用

2014～2015年，国家电网公司在山东、辽宁、青海、福建等10个省份地区开展了无人机、人工和有人机的协同巡检工作，在协同巡检的试点应用过程中，确定了无人机巡检作为常规巡检手段的地位。随着无人机巡检技术研究的深入，巡检系统在自主避障、智能采集、集中管控、数据智能化处理等领域取得了一定的成果，提高了无人机在巡检领域的智能化水平。

无人机巡检自动避障技术

无人机在巡检过程中，尤其是在执行超视距的巡检任务中，存在无人机碰撞导线及其他障碍物的危险，通常无人机通过搭载双目、激光、毫米波雷达等设备来探测巡检路径中可能存在障碍物，实时计算障碍物的距离及方位。

获取到障碍物信息后，需要构建避障决策机制，来实现无人机巡检系统自动避障。通过融合多种机载传感器信息，对无人机周围空间的环境进行三维场景恢复，建立柱状避障空间；利用路径规划算法，如A*、模糊神经网络等算法，确定避障路径，完成巡检过程中无人机自动避障飞行。

无人机巡检智能采集技术

在进行输电线路精细化巡检时，需在无人机悬停状态时由地面站操控人员手动操控云台及相机完成设备信息的采集。为完成精细化巡检任务，至少需要两名操控人员协同完成采集工作，一名负责控制无人机的飞行姿态、悬停位置等；一名负责调整云台及相机，对杆塔及附属金具完成信息采集。

为改善这种作业方式，提高巡检效率，利用图像处理及视觉伺服技术构建智能伺服系统。通过摄像机获取杆塔图像，并依据特征提取、模板匹配、深度学习等技术确定关键目标在图像中的位置及偏移量，指导云台伺服机构完成调整及拍照，完成输电线路信息的智能采集。

表1 多种测距方式对比

（上）输电线路智能采集系统。

（下）输电线路巡检图像智能处理。

无人机巡检集中管控技术

输电线路巡检无人机巡检监控的数据不仅仅是输电线路设备的图像信息，还需要对无人机的飞行轨迹、状态、吊舱状态、天气等信息进行集中监控，为无人机线路巡检的安全和可靠运行提供技术支持。

无人机巡检集中管控系统，采用支持高并发、高可靠性、分布式集群的技术架构，通过大规模的移动地面站管理和数据采集，实现对无人机巡检流程的管理、巡检设备的管理、巡检任务的监控、巡检结果数据的管理、巡检线路管理和巡检人员的管理，可以极大地提高无人机巡检效率，提升巡检的管理水平，保障电网的安全性和可靠性。

无人机巡检图像数据智能处理技术

输电线路无人机巡检会产生海量的图像数据，依靠人工方式来处理海量数据，劳动强度大且效率低。利用图像处理及模式识别手段，构建部件自动识别与缺陷诊断系统，智能化、高效率完成巡检后图像数据处理。目前，图像数据智能处理技术可以实现杆塔、绝缘子、均压环、防震锤等部件的分类与精确定位，可以实现绝缘子掉片、鸟巢、异物等缺陷的诊断。