无人机电力巡检的风险管理技术研究

李雄刚，陈 赟，李国强

（广东电网有限责任公司机巡管理中心，广东 广州510000）

目前，我国已形成华北、东北、华东、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网，电网规模已位居世界首位。随着电网规模的逐渐扩大，电力巡检工作也遇到了前所未有的挑战。对输电线路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况，是供电部门一项重要且繁琐的日常工作。传统的电力巡检主要靠人工巡检方式，这种巡检方式在一些恶劣条件下，如跨江跨河或高山峻岭地区，不仅劳动强度大、工作条件艰苦，而且存在严重的安全隐患，影响检修工作人员的人身安全。随着无人机技术的快速发展，无人机应用于输电线路巡检以替代人工巡检正逐渐成为现实，运用无人机进行电力巡检，有着其他巡检方式无法超越的优势：（1）可避免人员安全事故；（2）不受地形地貌的限制；（3）巡检效率高；（4）飞行成本低；（5）巡线效果稳定[1]。然而运用无人机进行电力巡检时，仍有许多潜在的风险。出于安全风险的考虑，电网企业相继开展无人机巡线风险管理技术的研究[2]。南方电网针对性地建立了机巡风险管理技术研究，实现风险管理的全面化，为无人机电力巡检管理提供支撑。

1 风险管理技术研究内容

通过层次分析从预先风险评估、过程风险控制及事后风险管理三个时间维度，飞行冲突风险、公共安全风险、国家空域运行安全风险三个层面，分析无人机运行的风险，构建立体化的机巡作业安全风险管理技术机制。经过分析，构建如表1电力巡线无人机运行全过程风险管理分析矩阵：

表1 电力巡线无人机运行全过程风险管理矩阵

A1B1：预先风险评估阶段，对飞行冲突层面的风险评估。

机巡计划智能调度的设计中，对不同航路机巡任务的分配是非重叠的，通过SORA《特定类无人机试运行管理规程（暂行）》中根据SAIL值针对UAS相关技术问题、支持UAS运行的外部系统性能、人为因素和不利的运行条件、气象等方面对各项运行安全目标制定安全检查表，进行预先性风险评估。

A1B2：预先风险评估阶段，对公共安全层面的风险评估。

找出任务执行风险的基本要素，制定安全检查表。

A1B3：预先风险评估阶段，对国家空域运行安全的风险评估。

主要通过危险源区域的辨识与划分后，基于风险清单分析法对智能调配的机巡任务航线中危险源区域的避让验证评估。

A1B1、A1B2、A1B3因素实现了飞行前预先风险管理，定量评估结果作为机巡智能调度优化算法的约束条件之一，运用飞行后风险管理建立的风险集完成风险评估，有效降低风险发生概率，提升机巡调度的安全性和可靠性。

A2B1：飞行过程风险控制阶段，对公共安全风险的管理。

（1）通过SORA将项目无人机运行风险场景进行划分；（2）根据SORA要求将危险源区域进行性质和危险等级划分；（3）对飞行冲突风险采用线性外推法进行冲突的预判，分别对水平和垂直方向的冲突预警探测，为降低虚警概率采用滑窗相关算法完成冲突确认，从而实现机巡运行过程中飞行冲突风险的管理。

A2B2：通过传感器设置感应函数和预警函数，达到飞行障碍物规避功能。

A2B3：飞行过程风险控制阶段，对空域安全的管理。

将机巡空域划分网格作为航路规划参考数据，依据A1B3的空域安全验证性评估实现机巡运行时段的风险监测，设置路径修正流程，规避因为路径问题而导致的严重事故。

A2B1、A2B2、A2B3因素实现了机巡作业运行阶段的风险管控，过程中风险事件的统计也为飞行后风险管理阶段分析关联风险事件、风险特征识别及风险集的建立提供数据支撑。

A3：飞行后风险分析过程。

运用评估矩阵从无人机自身飞行情况数据，地面人员主观评价两方面对此次任务进行评价，后台风险管理人员对任务完成情况评价进行量化补充风险评估集，丰富机巡智能调度中风险约束条件的数据库。

2 预先风险管理

2.1 飞行冲突风险评估

建立无人机机巡作业调度模型，需要充分考虑作业任务需求、空域环境、资源能力、人员配置、调度成本、气象条件、地理特征等因素对机巡调度任务规划的影响，根据不同阶段的需求差异和不同巡检航线的风险差异，可能产生一系列直接或间接的优化约束条件。公共安全风险涉及无人机无序飞行对航空秩序的影响，机身、附件或外加载荷的坠落或碰撞侵害他人人身和财产安全。在机巡计划智能调度中，充分考虑上述因素，对机巡计划开展预先风险评估，并以此为优化约束条件降低公共安全隐患，维护社会和公民个人从事和进行正常生活所需要的稳定外部环境和秩序，同时提升机巡作业的可靠性，保障机巡工作在安全、高效的前提下开展。

根据SORA《特定类无人机试运行管理规程（暂行）》[3]和《民用无人驾驶航空器系统适航审定项目风险评估指南》（AC-XX-AA-2020-XX）[4]中针对无人机相关技术问题、支持无人机运行的外部系统性能、人为因素和不利的运行条件、组织机构、气象等方面对各项运行安全目标制定安全检查表，进行预先性风险评估。安全检查表中无人机的技术问题占35%，人为错误占15%，组织机构占5%，不利运行条件占10%，支持无人机运行的外部系统恶化占15%，气象条件占10%，内审及与局方的接口占5%，文件控制占5%。表中总评分为100分，各单元权重不同，单元相加总权重为1，其单元满分为100分，单元权重以及各单元中各评估内容具体分数可根据项目实际情况进行调整。90分以上为低风险，80-90为中风险，80分以下为高风险，中风险情况下是否可以运行，则由决策人员决定。

2.2 公共安全预先风险评估

机巡作业无人机的飞行路径上可能存在一些限制区域，如人口密集区、电力特殊区域、山林、重要建筑、交通区域（机场、高铁、公路）等，在经过这些区域时可能发生事故，如坠机、涉密或侵犯隐私，产生公共安全事故，同样也会产生社会舆论，对机巡作业造成不利影响。可以通过预先路线检查，来规避坠机所可能造成的公共安全事故，并制定输电线路危险源控制表，将路径上的危险源标记出来，若巡检过程中经过上述位置，则将其位置上传至路径规划系统，采用路径规划系统重新规划路线。

制定危险源控制表时需要注意以下三点：

（1）已登记的危险源要定期更新，对已规划路径定期排查。（2）危险源位置要准确，并对危险源是否规避做出判断。（3）更新后，重新审核控制措施是否合适。

而危险性质和危险内容可由当地供电所工作人员前去查看，危险性质分为：交叉跨越、人口密集区、环境特殊区域、重要建筑、交通区域（机场、高铁、公路）、牲畜养殖、作物种植、线路本体、安全距离。其中经济损失情况由相关工作人员、公司领导、专家根据当地经济情况和公司财务，以及法律有关案件赔付程度制定。输电线路危险源控制表与路径规划系统配合流程如图1所示。

图1 输电线路危险源控制表与路径规划系统配合流程

2.3 空域环境安全的预先风险评估

空域环境的安全性既是单个航段机巡工作全过程风险控制的重要组织部分，也是确保整个巡检区域空域审批工作顺利开展的重要前提。需要确保的是，机巡计划的使用空域与申请使用空域的类型、使用时间是否一致，在保证所使用空域均为申请空域的前提下，使空域申请计划更加安全、合理、高效。由于人为失误、地理环境等因素影响航空器在执飞过程中可能出现偏航，因此飞行前需要验证飞行航迹与临时作业空域是否有进入军事禁飞区、限制区、飞行危险区、民航机场净空区等危险区域的可能性，若航线规划与危险区域有交集则应重新对航线进行调整规划。非必要情况下，机巡作业航迹不得穿越人口密集区、危险要害区、电力特殊区域、重要建筑区等危险源区域；若航线有穿越的必要，应对危险源区域进行事故危险等级的评估，参照危险等级划分表。

3 飞行过程风险控制

3.1 机巡作业飞行过程风险划分

在划分无人机飞行风险之前，需要根据当地地理环境、线路位置、空域规划等多方面因素进行考虑，如揭阳夏秋间常受强热带风暴袭击，有时因季风活动反常或寒潮侵袭，会出现冬春干旱或早春低温阴雨天气，所以在无人机巡查揭阳输电线路时，需要有面对突发恶劣天气的应急措施，才能将机巡作业风险处于可控水平，保证机巡作业安全性和可靠性。机巡作业无人机飞行过程风险划分类别主要分为以下四类：地面人员不安全行为风险、无人机飞行环境风险、公共安全风险以及国家空域安全。风险出现的内在原因有无人机飞行故障、坠机、地面撞击、空中撞击以及无人机飞行过程损坏，而外在原因有干扰航空秩序以及进入军事禁飞区、限制区、飞行危险区。事故的原因主要有无人机操作不当、数据链问题以及环境的复杂性，如起飞前未对无人机进行安全检查、风力过大干扰无人机正常飞行以及无人机数据链路信号干扰等。

3.2 机巡作业风险等级矩阵

根据《民用无人驾驶航空器系统适航审定项目风险评估指南》（AC-XX-AA-2020-XX），评估无人机系统的产品风险等级，应当基于预期的运行场景，从能量等级和碰撞可能等级两个维度综合给出。

基于民用无人机系统自身的能量等级和运行环境的碰撞可能等级两个维度，形成如图2所示矩阵。其中，A区域为低风险；B区域为中风险；C区域为高风险。

图2 无人机飞行风险等级矩阵

3.2.1 能量等级

民用无人机系统的能量等级从动能角度出发，通过最大起飞质量和巡航速度来确定。计算公式为为最大起飞质量，v是巡航速度。根据动能数值进行分级，等级1为34千焦～1084千焦，等级2为1084千焦～8134千焦，等级3为8134千焦～67787千焦，等级4为67787千焦以上。

3.2.2 碰撞可能等级

民用无人机系统的碰撞可能等级通过要飞越的人口密度（例如，远离人群、人口稀少、人口密集）和空域要求（例如，隔离区、完全融合等）来确定。

EC（Encounter Category）代表碰撞可能等级，其严重程度从EC4至EC1依次递增，通过图3所示流程来确定。

图3 环境等级

3.3 机巡作业风险场景划分

根据SORA内在的无人机地面风险是指地面人员被失控无人机击中的风险，分为11个等级，由无人机拟运行场景、无人机的尺寸和动能指标确定。无人机的最大特征尺寸和预期的典型动能指标中，以先到达更高级的为准进行评估。具体如表2所示。

表2 固有无人机地面风险场景

在考察项目运行环境后，操作场景几乎都是控制区上空的VLO，位于人烟稀少的环境中、人口稀少环境下的BVLOS（人口集中的飞行区），无人机固有风险等级在1～3中，属于低风险，无人机坠机后，对地面人员伤害几乎可以忽略不计，且风险可识别性高。

空域遭遇类别（AEC）是一组空域类型，最能反映感知的碰撞风险水平。如果无人机将在多个AEC空域运行，则需要对每个AEC进行评估，以确保在整个运行过程中存在可接受的碰撞风险。SORA中的非典型空域（非常低密度）定义如下：

（1）限制空域或危险区域：正常载人飞机不能飞行的空域（例如建筑物或构筑物400英尺范围内的空域）；在操作过程中，载人飞机的遭遇率（遭遇定义为水平接近3000英尺，垂直接近±350英尺）可显示为每飞行小时低于1.0*10-6。

（2）不属于第1至第11类空域会合类别（AEC）的空域：无人机飞行空域大部分属于场景6，其飞行高度无法对有人机产生威胁，无人机自身路径规划，属于单向循环，几乎不可能发生无人机与无人机碰撞。因此，在无人机飞行冲突风险管控中，重点需要考虑无人机偏离路径坠机风险，障碍物规避风险。

3.3.1 障碍物规避风险

机巡作业无人机飞行冲突的发生，根本原因为飞行路径上障碍物的阻挡，所以如何规避障碍物则为风险管控的研究重点，在已有的多目标规划和智能调度系统下，机巡作业无人机可以避免因路径规划而导致撞击发生的事故。但在输电线路交叉跨越点仍需要注意空中相撞的可能性，因机巡作业无人机巡查线路与输电线路相符合，从宏观上看为数条直线组成，因此可以在无人机上安装激光测距传感器，然后通过线性外推法的冲突预判算法来判断是否冲突。

3.3.2 路径安全风险管控

机巡作业时无人机可能偏离航线，或因路径规划失误、意外情况，未经允许进入军事禁飞区、限制区、飞行危险区等特殊空域，造成空域入侵事件发生，同时无人机数据链路信号干扰其他航空器正常作业。

对此情况可与民航局空管局航空情报服务机构合作，收集机巡作业路径上的特殊空域管制区，并在特殊区域的空域障碍物限制面保护范围数据基础上，制作无人机空域网格图，路径规划时，直接避开该区域。绘制方法为：以管制区域中心点为基准划设空域网格，每个网格为1分纬度×1分经度，覆盖整个管制区域。绘制结束后，将该区域信息上传至路径规划系统作为参考数据。

在完成机巡作业安全路径规划后，无人机仍然有可能因意外情况闯入一些限制区域，如交通区域（机场、高铁、公路）等，这时需要进行人为操作，修正无人机飞行路径。因此需要设计实时告警系统。

（1）利用北斗导航系统和无人机卫星导航设备，将无人机自身设置为导航圆心，以垂直地面为参照物，设置安全水平间隔，将安全水平间隔作为安全屏障半径R，在安全水平间隔内设置告警半径Rd。无人机路径告警系统范围如图4所示。

图4 无人机路径告警系统范围

（2）卫星地图，将无人机形式路径上可能会闯入的交通区域（机场、高铁、公路）等标出，设置网络格栅警示边界，当无人机安全屏障与网络格栅警示边界接触时，自动触发无人机路径强制修正程序，同时给地面驾驶员或操作人员发出持续示警信息，提醒关注。程序运行时间上限为式（1）所示。

V为无人机水平飞行速度。

（3）当无人机路径强制修正程序运行时间达到上限T时，无人机启动安全降落预备时间T1，在时间T1内，必须由驾驶员或相关操作人员进行人为修正，倘若人为操作路径修正不成功，且人为操作无法安全迫降，则由无人机打开降落伞，关闭运行电源。并发出实时位置信息，由地面人员联系有关部门进行回收和事故处理。

4 飞行后风险统计分析

随着无人机技术的发展，无论在性能上还是操作性、可靠性等方面都有了长足的进步，但仍不具备有人机的可靠性与安全性。通过对机巡作业任务完成后的相关数据进行分析，能够使后台风险管控人员对此次任务执行情况有清晰透明的了解，找出潜在不安定因素，评价任务完成效率、完成情况，然后与地面人员、相关部门沟通交流，采取措施消除不安定因素。通过飞行后风险管控，降低机巡作业风险水平，提高任务完成效率。利用任务完成评价表方法分析任务执行情况及相关因素数据，获取各个因素对机巡作业任务影响的特点，提出有效的改善措施。因此，这就需要针对无人机完成机巡作业后，根据无人机自身飞行情况数据，地面人员对此次任务评价，后台风险管理人员对任务完成情况评价进行调研分析，从而得到启示，有针对性地提高机巡作业任务的安全性，降低其风险水平。

任务完成评价表及量化指标，首先任务完成评价表从三方面对此次任务进行调查分析：

（1）系统软件分析无人机自身飞行情况数据，如飞行过程中传感器是否正常，拍摄照片的清晰度是否符合要求，有无自身故障报告等。

（2）地面人员对此次任务工作环境等的评价。

（3）后台风险管理人员任务全过程情况评价

评分标准按照与飞行前、飞行中以及飞行后各个因素、类别的相关程度划分为几个级别并进行量化表示，据此来进行加权分析，从而得出结论。

5 结束语

无人机作为智能化在民航领域的一种延伸技术，已经在全球引起广泛关注，对无人机风险评估的研究也日益增多。本文在已有研究基础上，通过风险管理矩阵，将所需要研究的内容划分为了两个方向，一个是时间维度方向，另一个是三个层面方向。从时间维度上来看，无人机巡线作业全过程主要是预先风险评估、过程风险控制及事后风险管理三个时间阶段，预先风险评估主要在无人机尚未飞行时进行一些风险的测评，数据的收集，相关因素的分析；过程风险控制主要在过程中可能会遇到的一些状况等等；事后风险管理主要在无人机着陆后，数据事件已经发生生成，则需要进行一些数据整理评估，量化总结。从三个层面上来看，无人机巡线作业则是从飞行冲突风险、公共安全风险、国家空域运行安全风险三个层面来分析风险因素。这两个方向的内容有着密不可分的联系，故此将它们之间的联系也进行了一些阐述，希望可以构建立体化的机巡作业安全风险管理技术机制，最终形成无人机巡线作业飞行安全风险全过程管理方法，从而为无人机空中运行管理提供支撑。