架空输电线路空中巡检空管技术分析及系统设计

2018-12-21翟瑞聪许志海杨百川

机电信息 2018年36期

翟瑞聪张峰陈浩许志海杨百川

（1.广东电网有限责任公司机巡作业中心，广东广州510160；2.北京翔仪恒昌科技有限公司，北京100088）

0 引言

南方电网“十三五”发展规划提出了“全面推行‘机巡+人巡’的巡线模式”要求，即依靠先进科技手段提高设备运维水平，有序推进输电线路“机巡+人巡”协同巡检工作，加快实现输电线路精益化运维转变。而随着广东电网机巡业务的迅速发展，各类型飞行器“漫天飞”已成为常态，但“黑飞”时有发生，为安全空域带来隐患。

传感器、互联网、数据处理等技术的进步，为架空输电线路空中巡检的空中管制提供了可能。通过架空输电线路空中巡检的空管系统，可有效掌握飞行器的实时飞行状态，实现飞行轨迹跟踪、预测、一致性监视、流量监视，从而提升架空输电线路空中巡检的安全性和计划性，保证机巡业务的持续健康发展。

1 现状分析

1.1 架空线路空中巡检现状

从最传统的地面人工巡视，到如今逐步推广应用的直升机、无人机巡视，线路的巡检模式正向着多元化方式发展[1]。

目前，广东电网已拥有有人直升机、无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机4类常用机型，在充分发挥各种机型优势的前提下，根据不同的空中巡检需求执行着不同的机巡作业任务，如图1所示。譬如，线路精细化巡检一般采用有人直升机、无人直升机作业，对于复杂交叉跨越、市区等地形，多旋翼无人机可作为有效补充；线路通道巡检一般采用固定翼无人机作业，对于山区空气湿度大、容易出现浓雾天气的情况，多旋翼无人机可作为有效补充。

图1 多机型空中巡检协同作业机制

1.2 飞行器空管现状

飞行器在天空中飞行，必须像地面的车辆一样受到相应规则管制和约束。由专门管理机构指挥、调度、引导和约束航空器飞行的过程，就是空中交通管制，简称“空管”（Air Traffic Control，ATC）[2]。空管能有效解决飞行安全需求和飞行流量管理问题。

近年来，伴随着航空事业的迅猛发展，我国现已成为名副其实的航空大国，但低空域保障设施仍不尽完善，对飞行器飞行造成了极大限制，空管面临着巨大压力[3]。

现行的空管模式主要针对民航客机、有人直升机等有人飞行器，管理运转比较成熟。管制人员可通过多种通信途径与驾驶员进行直接沟通，实现“面对面”空管指挥调度。因此，有序、规范的有人直升机空中巡检作业得到广泛应用。

但民用无人机的管理规范在全球范围内几乎空白，中国也不例外。中国对无人机空管暂无明确的法规可循，主要提出了无人机系统特别飞行证、隔离空域运行、使用航空频率和发射广播信号方面的要求[4]。

目前，无人机空管主要面临以下问题：

（1）无人机暂无统一标准。空管系统的有序运行主要依靠飞行器的控制器（以下简称“飞控”），但飞控类别繁多，性能差异大，使得空管部门无法掌握飞行器的飞行精度和可靠性。

（2）无人机操控人员缺乏系统性知识。当前无人机属于新兴行业，技术参差不齐，起飞着陆及巡航方式各不相同，不同的操控方式对操控者有着不同的技术要求。部分操控者缺乏系统性知识，甚至不了解空管法规，导致飞行活动存在严重隐患。

（3）无人机技术有待提高。现采用视距内手控和预置航线超视距自主飞行，但当前无人机技术无法达到避让的要求，容易发生空中交通意外。

（4）无人机未实现实时状态监控。无人机的状态监控尚无法规要求，空管部门无法掌控空情监视信息，难以做进一步空中管制，不仅影响无人机之间的飞行活动，甚至影响了有人机的飞行活动。

广东电网的无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机空中巡检作业同样遇到上述难题，一定程度制约了机巡业务的发展。

2 空管系统设计

2.1 总体框架

基于我国飞行器空管现状，结合广东电网架空线路空中巡检作业特点，本文设计了基于飞行监控黑匣子的架空线路空中巡检空管系统。系统由飞行器、飞行监控黑匣子、无线网络、防火墙、服务器集群等组成。装配在飞行器的飞行监控黑匣子采用GRPS/3G/4G、北斗等无线网络通道将飞行数据实时传输到数据处理服务器集群，经过处理后由Web服务器集群向用户发布结果。系统架构如图2所示。

图2 架空线路空中巡检空管系统

2.2 飞行监控黑匣子

飞行监控黑匣子（简称“黑匣子”）是架空线路空中巡检空管系统的核心组成部分，用于采集飞行器实时飞行数据。飞行数据包括飞行器经纬度坐标、海拔高度、航向、航速等。

黑匣子分为硬件黑匣子和虚拟黑匣子两类。硬件黑匣子作为独立部件装配在飞行器上，一般用于有人直升机、无人直升机、固定翼无人机，无需对飞行器进行任何软硬件改造，使用简单方便。虚拟黑匣子是通过软件改造虚拟出来的，飞行器巡检应用软件通过调用飞行器API获取飞行数据并处理转发，其功能与硬件黑匣子相同，主要解决了多旋翼无人机难以额外增加负载（硬件黑匣子也属于额外负载）的问题。

3 飞行跟踪监视

为更好发挥架空线路空中巡检的空中管制作用，应尽可能收集更全面的影响机巡作业的数据信息。其中，实时飞行数据是最关键的数据，是开展空管工作的前提；电网内部的机巡计划、规划航线和电网外部的气象数据、空管信息、社会活动也是重要数据，影响着空管工作的质量。系统对这些数据进行轨迹更新、安全监控、一致性监视等一系列的智能处理，及时发出飞行冲突、飞行速度越限、飞行高度越限、误入禁飞区、飞行一致性等告警，最终实现空域管理、飞行记录、流量监控、起飞/降落管理、作业安全。具体数据处理流程如图3所示。

图3 架空线路空中巡检空管系统数据处理流程

3.1 飞行轨迹跟踪处理

飞行数据从飞行监控黑匣子获取而来，系统采用多线程技术实时跟踪全省飞行器的经纬度坐标位置，记录每个航点的海拔高度、航向、航速等信息，实现机巡作业的全程飞行记录。

目前，黑匣子一般采用移动通信网络进行数据交互，加之机巡作业基本发生在野外环境，故必定存在无信号或信号差的飞行监视盲区，严重影响飞行轨迹跟踪效果。为解决此问题，我们提出了以下几条处理策略：

（1）飞行器在飞行监视盲区时，黑匣子应缓存这段时间的飞行数据，移动通信网络恢复后补传数据。

（2）飞行器在飞行监视盲区时，系统应采用假定恒速预测算法临时补全飞行数据，确保飞行轨迹的完整性。

（3）黑匣子可采用双卡双待模式，使用不同运营商（如中国移动、中国联通）的移动通信网络进行数据传输，减少飞行监视盲区。

（4）黑匣子可使用北斗网络进行数据传输，但此类黑匣子的造价和通信费用较高，不宜全面推广。

3.2 飞行轨迹一致性监视处理

飞行轨迹一致性监视主要通过将目标飞行器的运动趋势、当前位置与机巡计划、规划航线进行比较，来判断飞行器是否偏离作业计划。

飞行器的电子围栏是动态变化的，系统根据机巡计划的作业时间确定电子围栏的有效时间窗，根据规划航线和不同飞行器的允许偏移距离确定具体的电子围栏飞行方位。图4中，实线是规划航线，两侧虚线是自动计算得出的电子围栏，两者的距离则是允许偏移距离n m，不同机型允许偏移距离不相同；若飞行器实际飞行超出了电子围栏允许范围，系统则发出飞行一致性告警，由此可推断出本次飞行任务是否出错，飞行器是否失控或发生其他意外情况。

图4 飞行一致性监视原理

3.3 飞行安全监视处理

飞行安全监视为空管部门提供潜在的危险情况提示，帮助及时作出决策解决问题。

结合禁飞区信息库和安全飞行策略，系统根据黑匣子发送的飞行数据进行不同类型的飞行告警，且每种告警分为一级、二级和三级（其中一级为最高级别告警），具体包括以下几类：

（1）飞行冲突告警。飞行器作业时水平距离过近，容易发生机机相撞事件，系统应提前发出告警。根据机型作业的安全级别，4种常用机型避让的优先顺序为“有人直升机/无人直升机＞固定翼无人机＞多旋翼无人机”，即后者遇到前者时，后者应避让前者。

（2）飞行速度越限告警。类似于车辆在高速公路超速行驶会收到罚单警告，飞行器作业时超速飞行同样也会收到系统的告警，这样有利于提高机巡作业的规范性和采集数据的质量。不同机型有不同的超速飞行告警策略，比如有人直升机、无人直升机限速25 km/h，多旋翼无人机限速50 km/h，固定翼无人机120 km/h。

（3）飞行高度越限告警。此类型告警与飞行速度越限告警类似，飞行器作业时超过限制海拔或离地高度，系统将发出告警。

（4）误入禁飞区告警。飞行器作业时不允许进入某些特定区域，否则系统将发出告警。架空线路空中巡检的禁飞区类型有很多种，包括：

1）法律法规要求的禁飞区：民航区域、军事重地、高大建筑等；

2）影响社会生产的禁飞区：牲畜养殖区域、农作物区域、石油化工厂、核电厂等；

3）影响交通运输的禁飞区：高铁、高速公路、省道等；

4）影响电网安全的禁飞区：线路密集区、线路T接点、线路交叉跨越点、变电站等。

但部分禁飞区也是允许部分机型作业的，比如线路密集区允许多旋翼无人机作业，而有人直升机和无人直升机不能作业。

3.4 飞行流量监视处理

飞行流量监控，顾名思义就是监控同一时间某个区域飞行器作业的拥挤情况。飞行器“漫天飞”必定造成空域拥挤，为了机巡作业安全性，应避免此情况出现。长期积累的飞行流量监控数据经过大数据分析，不仅可以了解机巡作业分布特征，而且有助于提高机巡计划的合理性和规划航线的正确性。

4 应用情况

2017年初，广东电网正式投运基于飞行监控黑匣子的架空线路空中巡检空管系统，应用效果良好。据统计，2017年1月—7月期间空管系统发现了15起固定翼无人机非正常降落未遂事件和4起多旋翼超速飞行事件，并进行严肃整改，从以往的粗放式管理阶段逐步向精益化管理阶段发展，持续提升了架空输电线路空中巡检的安全性和计划性，保证了机巡业务的持续健康发展。

图5是架空线路空中巡检空管系统的飞行监控界面，圈出的图标代表飞行器，灰色粗线条代表其飞行轨迹。