无人机安全巡视系统在水电站的应用研究

吴 耀，王 磊

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

水电站多分布于水资源丰富、自然环境相对恶劣的高山峡谷地带，为保障电站安全运行，须定期对厂房、大坝、库区、河道、道路、边坡、线路等所辖户外区域进行安全巡视检查。目前，大部分水电站仍采用人工携带手持设备或“纸+笔”的方式，对巡视对象进行观测与数据记录，但受工程条件与自然环境限制，人员车辆难以抵近部分河段、高陡边坡和危险区，仍然存在巡视观测盲区。此外，当遇到大雾、极端高温和低温等天气或者滑坡、泥石流、地震等地质灾害时，巡视作业安全风险增高，人工巡视将无法满足安全巡视时效性要求[1]。

近年来，随着无人机及其配套技术装备的飞速发展，以其为平台实现多功能应用集成的成本大幅降低，且系统整体性能不断增强，使无人机在地形测绘、航拍、摄影、遥感、地质灾害调查等民用领域的应用日趋广泛[2-4]。因此，利用无人机搭载高精度光电探测设备，充分发挥其体积小、重量轻、操作简单、机动性强等技术特点，同样可以很好地满足水电站所辖户外区域的安全巡视需求，能够将传统的以地面作业为主的水电站安全巡视扩展至立体空间，在人员车辆无法到达抵近的区域，实现快速、高效的安全巡视部署与作业。

本文以西南某水电站为依托，将无人机、图像识别、大数据分析等先进的技术手段引入到水电站日常安全巡视作业中，实现了大坝、厂房、上游库区、下游河道等区域不安全现象和事件的智能识别和告警，有效提升了电站安全巡视质量、效率和水平。

1 某电站安全巡视需求

某电站属于典型的引水式水电站，厂房位于大坝下游河道左岸约6 km处，日常运行与生产人员主要在厂房区域值守，根据安全与生产需求前往大坝区域进行相应作业。电站所辖区域总体上属于岩溶中高山地貌，大坝上游库区、大坝至厂房间河道两岸边坡多为植被茂密的峭壁或陡峭山体，外部与进厂道路沿河而行，多位于半山腰或谷底，人员、车辆出入频繁。在非泄洪状态时，大坝下游部分河段因水流减少形成浅滩，时常有外来人员露营、野炊和垂钓，受山体与植被遮挡影响，泄洪前河道安全巡视很难发现并及时驱离。

经现场调研踏勘，可将某电站日常安全巡视需求分为近坝区域、厂房区域、河道区域3个部分，相应需求如下。

1)近坝区域。大坝下游面及坝顶户外设备外观巡视；大坝上游库区300 m范围内库岸边坡、道路外观巡视；近坝库面大体积漂浮物识别；近坝区域人员、车辆及船只安全行为识别与警示驱离。

2)厂房区域。厂房外立面、户外设备外观巡视；尾水下游300 m范围河道边坡外观巡视及人员、车辆安全行为识别与警示驱离。

3)河道区域。河道边坡、道路外观巡视；河道外来滞留人员、车辆安全行为识别与警示驱离。

其中，近坝和河道区域为人员、车辆出入频繁区域，人员、车辆安全行为识别、边坡外观巡视等安全巡视需求较为集中，是安全巡视的重点区域。

2 系统架构

无人技术巡视系统的系统架构主要分为系统硬件拓扑架构和系统软件功能架构2部分。

2.1 系统硬件拓扑架构

无人机巡视系统硬件设备分为前端数据采集、数据传输和后端管理3个部分，其中前端数据采集系统包括无人机、智能机库、双光摄像机、高空喊话器等设备；数据传输系统包括交换机、网线和光缆等；后端管理系统包括服务器设备、存储设备等。其系统硬件拓扑架构如图1所示。

图1 巡视系统拓扑图Fig.1 Topology of patrol system

2.2 系统软件功能架构

巡视系统采用B/S架构，以实现巡视系统的客户端登录与远程Web访问，软件根据其功能特点分为感知层、网络层、支撑层、应用层和用户层。软件功能总体架构如图2所示。

图2 巡视系统软件功能架构图Fig.2 Functional architecture of patrol system software

2.3 系统部署方式

综合考虑某水电站数字化现状和安全巡视区域分布，系统前端数据采集设备就近部署在坝顶区域，后端管理系统以高级功能应用模块形式部署在厂房集控中心统一数据平台或专用服务器上，通过统一数据服务总线实现数据存储、访问、监视、分析和预警。

3 系统功能

3.1 综合展示功能

对系统设备状态、无人机飞行轨迹、巡视实时影像、安全告警等信息进行全面、直观的综合展示，为电站安全防护与应急提供信息与数据支撑。具体功能模块如下。

1)安全状态指标。将某水电站安全巡视区域划分为近坝、厂房和河道三个大区，以数据化方式展示各大区相应外来人员、车辆及船只的入侵、逗留数量；库岸、边坡、道路及河道的垮塌、阻塞和中断数量；建筑物及户外设备外观异常、库面大面积(体积)漂浮数量，使安全生产人员直观的掌握各大区整体安全状况。

2)异常情况展示。采用柱形图、直线图、饼图、雷达图等多种图表形式展示安全巡视对象的异常情况，对不同巡视对象的异常情况按年、月、日3个维度进行统计，用于对比分析相应异常情况变化与趋势。

3)安全告警列表。展示实时告警信息，具备声光提示、确认、处理的闭环功能，并对历史告警信息进行统计，用于事件回溯查询。

4)巡视影像展示。以无人机视角展示安全巡视作业实时可见光和红外影像；巡视作业间隙轮回展示上一次巡视异常情况影像，使安全生产人员能够远程观看、分析和查询异常情况。

3.2 设备管理与控制

构建某电站的户外空间三维地理模型，全局展示电站所辖区域近坝、厂房和河道区域地形地势、建筑物布置、巡视系统设备终端分布等情况。同时，可实时查看、调取和控制巡视无人机、智能机库、双光摄像机、高空喊话器等设备状态与采集信息，使安全生产人员能够直观掌握系统运行状态。

3.3 智能识别

融合图像识别、大数据分析、人工智能、机器学习等先进技术，提取安全巡视场景特征参数，构建相应对象识别模型，建立巡视场景与事件映射关系，实现人员、车辆、船只、边坡、道路、漂浮物等对象与异常情况的智能识别。

3.4 巡视任务管理

系统根据某水电站不同的安全巡视需求定制相应巡视模式。

1)计划性巡视。可按照日常安全巡视需求设置定期巡视计划，智能机库定时放飞无人机，携带双光摄像机、高空喊话器等吊舱，沿着既定巡视路线完成巡视作业。

2)临时性巡视。可临时规划单点或多点巡视路线，并建立临时性巡视任务，智能机库根据指令放飞无人机，携带双光摄像机、高空喊话器等吊舱，沿着临时性巡视路线完成巡视作业。

此外，系统可进行巡视周期延迟或缩短、特定点位悬停时间调整等操作，以满足特殊情况下的安全巡视需求。

3.5 系统联动管理

无人机安全巡视系统以高级功能应用模块形式部署在统一数据平台或专用服务器上，后端管理系统通过统一数据服务总线实现与某电站安防系统、故障诊断系统、智能巡检系统、ON-CALL系统、应急指挥等业务应用系统互联互通，实现数据共享与协同联动。

4 结语

通过无人机安全巡视系统建设，某水电站将传统的以地面作业为主的水电站安全巡视扩展至立体空间，消除了安全巡视盲区，有效提升了安全巡视效率与质量。受无人机续航能力和信号遮挡影响，某地电站无人机安全巡视的频次、局部巡视的细致程度仍然有待提升，但随着相关技术的不断发展，以上问题必将得到解决。