无人机技术在架空输电线路通道巡检中的应用

王海波

陕西省地方电力（集团）有限公司安康供电分公司，陕西 安康 725000

0 引言

无人机控制是对传统遥控无人机控制的技术改进，通过机载传感器检测路线，与其他先进技术（如直升机绕道、机器人检测等）相比，尽管其检测精度相对较低，但由于设备简单、成本低、机动性强、安全高效、视野好等优点，且容易发现塔架上方的缺陷，不需要改造线路，没有路径损坏风险，更容易与手持巡检仪集成，使无人机成为常规巡检工具[1-2]。根据国家电力公司公布的数据，无人机航路检测效率比人工检测高8～10倍，目前我国的人工检测和无人机检测工作约各占50%。无人驾驶飞机探测将成为未来高架线路检测中最主要、应用最广泛的探测手段。

1 无人机巡检概述

无人机机身设计一般可分为无人直升机、多旋翼机和固定机翼三大类。但是，目前用于检查架空传输管道的三种机型，其性能差别较大，分别承担不同的检查任务。第一，无人直升机体积大、控制难度高，与动力装置发生碰撞的风险高，不仅使用成本高，还易存在潜在危害，因此在输电线路通道巡检中的应用较少。第二，多旋翼无人机具有灵活性小、精确性高等优点，但其飞行高度相对较低、荷载小、使用寿命短。多旋翼无人机每一个旋翼旋转，其位置会改变。第三，固定式无人驾驶飞机通过螺旋桨或涡轮发动机提供能量，并通过机翼与空气、巡航速度、长距离产生升力，但是其起降和降落需要跑道，且无法悬挂。当检查架空线路时，固定翼无人机通常负责多种任务，对其飞行距离的要求较高。组合翼与多旋翼无人机的结合具有垂直起降、精确的悬停等优点，在复杂的环境条件下有很大的应用潜力，但目前在输电线路通道巡检工作中还没有大规模的应用。从功能上看，无人机主要作为遥感平台在起作用。

2 无人机技术在架空输电线路通道巡检中的发展趋势

2.1 协同立体化巡检发展

为了优化无人机的配置，提高架空输电线路的运行维护水平，需要进一步加强无人机和线路人工检测之间的有效协调，与检验人员合作，提高模型评估和决策的有效性，同时考虑地形特征和其他数据。在设置无人机巡检计划时，气象环境和传输通道的性质是相互关联的，充分考虑了无人机巡检和手动巡检的周期，使其形成有效的互动，提高巡检效率[3]。

2.2 特殊复杂地形区域巡检发展

由于我国高空线路检测工作区的气候条件艰险、风向多变，对无人机线路检测的技术要求也较高。因此，技术人员需要进行更深层次地研究符合高海拔、少数人居住地区等复杂地形的机型和工作模式，并及时进行现场检查，提高无人机巡检方法在特殊地理条件下的实际应用。

3 无人机在架空输电线路通道巡检中的主要问题及对策

3.1 数据处理问题

当前，无人机检测主要从激光雷达云数据和光学成像数据两个方面进行。光学图像数据处理一般指对云层数据的三维恢复和分析，其目的是寻找与图像目标相似的具有特殊图像特征的特定设备或区域。尤其由于设备成本高，在电力检测中实际应用较少，常采用紫外光图像中光子数的间接表示方法，但各类检测仪器的光谱灵敏度差异较大，难以形成统一的定量分析标准，与数据处理方面的研究关联性较小。相对于传统测绘，电气通道测绘的难点主要在于电力线缆的识别和重构。静压盖塔由雕刻结构构成的细柱体构成，由于其镂空的结构以及细长形态，不利于三次点云数据的恢复。传送线导体的外径一般是8～37 mm，由于其测距及分辨率超出范围，无法保证每次的扫描周期都可以扫描出电力线。为此，主要从走廊内云点的分类与判别、传输线的三维重建、桅杆支架的三维修复、危险点的探测等进行研究，提出了一种利用基础数据处理软件实现云量自动识别的方法。

3.2 自主导航问题

自动导航是实现无人机自主巡航检测的核心能力，在现阶段，无人机巡检的导航主要是以人工干预来规定路线，其本质是基于GPS预先设定好的路线运行。通过高准确性能的GPS定位技术，无人机能够在一定程度上独立进行降落和起飞。但GPS技术目前还存在着较大的问题，如不能用来探测目标或环境随时间的变化，或者航道入侵后，组件安装位置和方向会发生变化。此外，按照目前的能量标准，小型无人机必须与线路保持10 m以上的安全距离。为了解决相关问题，自主飞行时使用相位差载波频率无人机，可达到厘米级的定位精度，同时基于在高架线路上自动检测的无人测量机不能用于中距离外景，而且激光雷达检测的成本较大，因此这一领域的研究重点是机器视觉。

3.3 续航问题

对无人驾驶飞机进行有效检查的一个主要障碍是时间不够，而这是进一步开展全程自动化的架空输电线路无人机巡检所需要解决的关键问题之一。当前，无人机检验主要是以小型多旋翼飞机为主，续航时间一般为20～45 min，大中型飞机油电混合续航时间不超过3 h，还需经常更换电池，严重影响检查效率。目前，一般采取安装UAV巢穴的方式来解决这一问题。UAV巢主要有两种，一是由车辆检查工作者改装的移动巢穴，二是安装在桅杆上的固定巢。移动巢穴是一种比较成熟的方案，在香港很多地方已经试点。其典型的工作方式是，在检查人员完成检查任务后，提前将检查任务分派给检查员，然后根据规定的路线进行飞行检查，再自动起飞和返回导航进行充电或手动更换电池，缩短飞行时间。通过安装固定巢，无人机可以在完成检查后自动在桅杆巢内充电。当电池充满后，再按预定路线继续检查线路。采用半自动蛙跳模型，需要少量的遥控干扰，可高度满足无人机自主检测的要求，具有良好的应用前景。但是，由于无人机自主检测技术的不成熟，还有很多技术难点、问题有待解决。当前，固定机巢面临着电力供应和支承负荷的问题。国家电网公司建造机巢安装在梁柱上，利用光伏发电，但其总重量较大，对柱式塔有一定的影响。

4 无人机在架空输电线路通道巡检中的关键技术

4.1 无人机自主巡检作业的关键技术

无人机在空中电线的自主检测方法尚处于起步阶段，主要是利用激光定位仪和动态高精度实时定位激光雷达技术，通过快速获取直线通道内三维云点的高精度数据来规划航路的独立迂回，因此，必须考虑无人机的飞行高度、坐标，VMU惯性测量仪和机载激光雷达的位置数据，主要装备固定翼飞机、大中型无人直升机或成本较高的直升机。实时动态定位技术可分为常规定位和网络定位，常规定位采用移动平台和基站来实现，但两站间距离有限，无法满足定位精度的要求。多基站互联网定位系统是一种基站网络，能够获得高精度的定位结果，满足无人机自主检测的要求，但是，目前国内外综合网络的动态实时定位还不规范，因此还不具备实施条件。

4.2 无人机安全巡检作业的关键技术

在电力行业，无人机对架空传输通道进行检测的任务呈下降趋势。当前，主要是通过管理手段与技术手段相结合，规范无人机的检查，保证无人机的合法合规性。我国有厂家研制的无人驾驶飞机综合控制系统，能够实现对无人机的实时视频、实时控制、远程控制等功能，但主要适用于特定类型的无人机，且无法针对电力行业的特点实施。飞行数据记录仪和模块的研制与应用，用于电力线路检查，控制电气和无人机的所有运行过程。

4.3 无人机辅助检修作业的关键技术

在传统维修方式中，维修人员需要从桅杆底部爬到塔顶，然后逐步转移到线路维修现场，危险系数较高。随着大型支撑架电网的建立，无人机检测逐渐成为网络控制的核心，其对传统维护方式的补充也日益受到重视。UAV辅助维修主要包括UAV牵引线、辅助输电设施、地线清理、无人机测控和绝缘子组件的排水控制。考虑到无人驾驶飞机在电力行业的广泛应用，需要积极探索相关的新技术，包括应力作业、复合绝缘子应力冲洗疏水检测、绝缘子值低、喷涂防污涂料等，在语音识别等技术的基础上进行应急照明和设备异常检测，进一步扩大无人机在维修工作中的使用。

5 结束语

目前，我国对架空输电线路无人操作巡检技术进行了深入研究，并在标准化试验、关键技术操作控制养等方面取得了一系列的创新成果，但当前在实施过程中还存在一定的问题。智能化检测数据处理是无人机检测的当务之急，也是实现全自主检测的关键技术，如利用机器视觉辅佐定位的图像采集、激光雷达的感知无人机定位等。由于近年来人工智能技术的兴起和机器视觉的快速发展，尤其是在图像处理领域发展较快，无人机技术在架空输电线路通道巡检中具有广阔的应用前景。但目前一些基础设施建设，如检测数据库的建立、相关规范的制订等还没有完成，现场检测效果还不够理想，距离实际应用仍存在较大差距。