多旋翼无人机在输配电线路巡检中的任务管理

李翔

摘 要：该文阐述了微型多旋翼无人机在输配电线路巡检中的应用，针对影响多旋翼无人机系统安全运行的环境因素，以及影响多旋翼无人机系统飞行安全的成因进行了分析，以此为基础归纳了了多旋翼无人机在输配电线路巡检中的任务管理基本注意事项，并在此基础上认为多旋翼无人机在输配电线路巡检时，在系统运作的时可将输配电线路巡检任务分为七个阶段，而只要完整执行这七个阶段，即可以保障输配电线路巡检任务顺利完成，同时针对多旋翼无人机系统在运行七个阶段的应注意的事项进行了探讨。

关键词：微型无人机 多旋翼无人机 输配电线路 巡线 任务管理

中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0028-02

目前输电线路巡视正逐步转向由“航空巡视为主，人工目测巡视为辅”[1]的方式，航空巡视具有快速性以及数据可以共享等优点，而其中微型多旋翼无人机是巡视体系中重要的补充，近年来得到了大量的应用，随着技术的进步近几年来微型多旋翼无人机的完成任务能力有了很大的提高。该文试探讨110 kV及以下电压等级（尤以35 kV及以下中、低压配电网为主）的输配电线路中微型多旋翼无人机的应用。

1 影响微型多旋翼无人机的主要环境因素分析

无人机电力巡线是电网企业进行的一种技术改造项目，势必要产生一定的安全管理问题，而其中安全风险是非常重要的一项。就整体风险而言，项目安全风险、技术风险、管理风险是项目主要风险因素，无人机系统故障因素、飞行环境因素、机载设备性能是影响项目整体风险的关键因素。飞行环境因素包括（无线电环境、气象环境、地理环境）[2-7]。飞行环境中无线电环境由于只能使用频谱仪及无线电距离测试，因此进行电磁环境测定难度最大。也是在任务管理中最难进行管控的因素。

高压输电线路是三相交流电，变化的电场产生变化的磁场，并不断向四周激发，离高压线的距离越近，场强也就越大。电磁辐射强度与电流，电压，塔高，塔型等有关。一般情况下，两塔之间的线最靠近地面，此处的电场强度最大，电磁场强度随距离的减小而衰减。

架空输电线路产生的无线电电磁干扰主要是导线表面和线路部件表面的电晕放电及绝缘子高电位部分放电和接触不良产生的火花放电。电晕放电受气候影响较大，在电晕及其它放电的同时，产生的效应之一是无线电干扰。无线电干扰的实质，是在电晕过程中出现一些有害的、频率相当宽的电磁波干扰无线电通信，对无线电设施产生干扰，危害环境[3]。

线路杆塔高度、相间距离和分裂导线的数目都会影响无线电干扰水平的大小[4-5]。在输电线路50 m以内，电场的影响较大， 是干扰通信的主要因素[5]。

2 微型多旋翼无人机系统的基本运行任务

对线路环境的巡检可基本归纳为两大类。

（1）线路环境类：线路与设施周边植被变化，地形地物变化等。

（2）线路设施类：导线，杆塔，基础，绝缘子，拉线，金具等。

微型多旋翼无人机系统其典型的运行方式是以线路中的某一杆塔处附近为起飞点，不超过起飞点500 m距离内，距离起飞点高度120 m以下区域内使用。这个距离是受目前法律法规的限制，而一旦未来能够放开这个距离，那么无人机的效率方面的优势将更加明显。

3 系统运行期间的典型组织方式

由于线路巡检特殊的任务性质和环境，巡检作业必须精心组织。其保障任务的典型组织方式由以下几个阶段组成：任务规划、飞行准备、起飞、任务执行、回收、回撤/转移、数据整理。

（1）任务规划对任务的成功具有关键性的作用。可以分为两阶段执行。第一阶段应依据和巡线相关数据，确立任务目标，是否允许飞行（不靠近机场等禁飞区区域）现场勘查，飞行路线，气象情况、特殊情况处置等。第二阶段则在飞行模拟器上对任务规划阶段所设定的动作进行模拟预演与操作，如发现问题则记录后调整，返回到第一阶段重新制定并审核。如无飞行模拟器，应采用地图推演法进行基本路线推演。

（2）飞行准备也分为两步执行。第一阶段是内场准备，检查飞行器在存储时的状态，对如：电池、动力系统等各部件进行检测，确定上述各部件正常后将系统由储存状态调整为运输状态。第二阶段是外场准备，当飞行器转运到达场地后，将飞行器由运输状态转为飞行状态，简单平整起飞场地，检查飞行器各部件完好度；机载导航部件校准，返航点设置等情况，数据链路工作是否正常，有效载荷及各部件控制是否完好，地面控制设备完整性，任务规划航线数据输入，飞行准备阶段如果发现问题应立即启动备用方案。

（3）起飞指观察手和操作手在确认起飞区域内情况后，两人确认可以起飞后，操作手可执行起飞命令，飞机按指令动作后，观察飞行器各方面状态，然后将飞行器依据事先已经规划好的航线飞往目标区域；或转入自动程序，飞行器自行飞往目标区域。无论采用何种方法引导飞行器飞往目标区，观察手和操作手都要始终留意各状态量，并相互进行安全提醒。

（4）任务执行指进入目标区域后确定剩余续航时间，高度等，此时操作手应通过数据链路传回数据进行识别，并依据任务规划确定的路线及传感器动作方式进行。靠近目标物期间应稳步操作。在目标区域内如发现不利于飞行安全的物体应按照规定预案规避，同时观察手应注意鸟群等低空活动，飞行器相对位置等情况，如遇到突发事件应冷静处置。

（5）回收指完成任务后应迅速返航，返航时应注意规定航线的执行情况，并同时留意航线周围有关物体的变化，在进入降落阶段时，应稳步操作飞行器，并注意下降率情况，同时留意风的变化，当进入最终着陆接地前应稳步收油门杆。如有可能应尽量使用自动着陆。

（6）转移/回撤指检查飞行器各部件，确认基本完好后，将其转入运输状态并装入防护箱内，完毕后将其转移至运输载具上前进至下一地域或完成任务后回撤。

（7）数据整理指可以利用数据链路实时下载采集到的数据，或者待飞机降落回收后将机载记录数据拷贝至计算机，利用数据网络上传所获数据。

4 微型多旋翼无人机系统输配电线路巡检运行时应注意的事项探讨

由于110 kV及以下的线路，线路之间并行、穿越、跨越等情况较多，对于微型多旋翼无人机运行任务规划时应在现有电力工作安全规定的基础上进行，在实践中对于飞行器飞行中应有以下应注意的地方。

（1）对线路设施进行巡检飞行前应了解线路设施的运行情况，尤其是负荷高低、电流大小，杆塔类型，导线情况，前次巡视记录等。应建立任务规划单，及安全检查单。任务规划单，及安全检查单都应实现电子化，方便调取查阅及保存。

（2）不同类型的无人机和不同的巡线设备，其工作的安全距离的设置是不同的，需要在实践中确定[6-8]。这个安全距离应是动力螺旋桨边缘与线路设施各处的安全距离，而不是传感器与被拍摄物的距离。

（3）在任务规划阶段就应仔细权衡飞行路线上电磁干扰所带来的影响，同时飞行器运行位置应考虑传感器特性及巡检要求。如：遇到线路自高压线路下方穿越及跨越，遇到这类情况，应优先选择返回起飞点并回收，转移地点至线路对侧后重新发射飞行或选择在交叉点位置远距离悬停并凝视。

（4）对不同的塔形及导线布置方式，应制定优化路线，完善的巡视路线方案有利于高效的完成巡视任务。如：双回耐张塔应采用由上层开始，逐步下降高度。

（5）任务规划及执行阶段应考虑传感器的性能，如使用光学传感器在平行线路飞行时，背景有可能的闪耀模糊。还要防止飞行器运动时带来的模糊导致任务失败。尤其是光学传感器每秒帧数。而采用延时摄影法时应保证有较好的重叠率。红外传感器应考虑目标温度在大气环境中的水汽吸收以及所处阵位背景温度带来的影响。

（6）对于飞行器与线路设施安全距离的把握，人的作用目前仍然是无法替代的。目前常有飞行器上加装多种传感器，或辅助距离判定装置等方式，而无论采用何种方式，都应考虑由于隔离操作，传感器盲区等问题，人在飞行平台起飞后的操作更多的是辅助-决策。应制定完善的应急预案，并重视“操作-辅助”模式的训练。

（7）无线电失去控制，尤其是飞行器失去无线电信号后动作处置，考虑到110 kV及以下线路的特点及所处环境。在选择动作方案时不应考虑自动返航，应选择悬停方式。

（8）有效载荷其重量大小等决定了飞行器的续航能力，而有效载荷的类型决定了所能完成的任务。多旋翼无人机系统的悬停高度与任务载荷最大重量成反比，因此需要在任务规划阶段考虑所搭载的有效载荷对任务的影响[9-10]。

参考文献

[1] 魏文力.航拍输电线路图像处理及故障定位方法[D].保定：华北电力大学，2014.

[2] 王骞.无人机电力巡线项目风险管理研究[D].济南：山东大学，2014.

[3] 王群，李永卿，陈静，等.110kV高压输电线路电磁场分析及评价[J].北京工业大学学报，2005，31（3）：308-312.

[4] 杨勇.高压输电线路周围电磁环境的研究[D].南宁：广西大学，2011.

[5] 原斌.110kV高压输电线路与城市环境之间的相互影响[J].山西电力，2008（4）：54-55.

[6] 李力.无人机输电线路巡线技术及其应用研究[D].长沙：长沙理工大学，2012.

[7] 熊典.输电线路无人机巡检路径规划研究及应用[D].武汉：武汉科技大学，2014.

[8] Richard K Barnhart， Stephen B Hottman，Douglas M Marshall， et al.Introduction to Unmanned Aircraft Systems[M].UK：Taylor & Francis Group，2011.

[9] RegAustin.Unmanned Aircraft Systems：UAVSDesign，Development and Deployment[M].USA：John Wiley&Sons Ltd，2010：201-204.