配电网架空线路无人机自主巡检技术分析

广东电网公司广州天河供电局 任 杰

近几年来伴随着科学技术的快速发展，无人机技术以及相应的机器视觉技术都得到了突破性的研发和推广，这些技术设备可以模仿人类视觉功能，对各类事务进行分辨和数据收集。无人机设备中运用了光学装置和传感器，可以获得客观环境中的各类具体图像，进而感知事物变化。传感器可以将所收集到的模拟信号转化为数字信号，并利用数字图像处理技术对这些客观事物进行智能化的理解与辨析。

配电网架空线路会因故障而导致一定规模停电，修复时间长、用户投诉压力大，所以需要及时发现配电网架空线路安全隐患和技术缺陷，并采取有效的处理措施，防患于未然。应用无人机自主巡检技术，对配电网架空线路进行定期巡检有着十分重要的意义。

1 无人机自主巡检技术工作原理及功能

配电网架空线路无人机自主巡检技术是一种基于计算机、摄像机、图像采集技术、图像处理技术以及光源于一身的视觉巡检系统。摄像机和图像采集系统能够在光源的支持下进行图像数据的收集与拍摄，而图像处理技术则需要在计算机内对所收集到的图像数据信息进行智能化的处理。无人机自主巡检技术实际上就是将各类成像设备人工智能技术进行融合应用，可以实现对客观事物数据信息进行获取、收集、传输、分析、处理和存储，整个技术系统会通过检测配电网架空线路典型特征信息，对配电网架空线路位置、状态、形状、物理属性等各类信息进行分辨识别。该技术是以数据处理为核心，包含数据采集、图像处理以及智能处理等工作模块[1]。

由无人机自主巡检技术所组成的系统结构可以分为四个功能部分，分别为数据收取功能、地面控制功能、通信功能、数据处理功能。

数据收取功能。需根据配电网架空线路巡检任务要求选择不同类型的技术与设备。如，在日间开展快速巡检工作，可以选择使用小型固定翼无人机；而针对配电网架空杆塔进行紫外线和红外线巡检时，为了保证巡检结果的高精度性，需要选择使用技术层次更高的、能够维持较长时间稳定飞行姿态的大型多旋翼无人机。无人机上携带数码相机、紫外线成像仪和红外线成像仪能够更好的满足巡检任务要求。

地面控制功能。主要是指工作人员所依赖的功能系统，该系统用于对无人机进行飞行控制，包括领航、数据收取、飞行状态监测等，同时该系统也能够对无人机在巡检过程中所获得的数据进行初步分析。

通信功能。是指构建无人机控制系统通信联系的系统体系，包括监控站、信号接收和发送设备通信中继设备等，它连接的是无人机与人之间的数据互联，可以保障无人机维持可靠的通信。数据通信系统必须能够保障无人机服从命令、准确到达定点位置，并且可以支持无人机各项工作状态。为了保障无人机巡检过程中数据传输的质量和效率，通信系统会有一定的指标要求，目前普遍认为数据通信系统的速率至少能够达到4到8Mbps 之间，而且这一速率越快越好，以此来保证实时拍摄效果，使工作人员可以及时的了解到无人机的飞行状况和巡检现场的实际情况[2]。

数据处理功能。是指当无人机完成巡检任务后会获得大量的数据信息，该系统将对这些数据信息进行后期的处理与存储，处理的方式是预处理和几何处理，将结合光学原理，紫外线、红外线等特点，实现配电网架空线路在计算机系统上的三维可视化。在三维可视化图上，可以展现出配电网架空线路的特点以及实际的运行情况。在地面数据处理系统中，会有人工智能功能和模糊辨识功能，可以对配电网架空线路所出现的缺陷进行快速的辨识，以此来帮助工作人员精准、高效率的定位配电网架空线路的安全隐患，能够对线路所存在的风险故障进行自动排查。

2 配电网架空线路无人机自主巡检路径设计

配电网架空线路无人机自主巡检技术总设计，首先是利用无人机图像拍摄功能和数据传输功能等方式来获取配电网架空线路图像信息，然后对这些图像信息进行一系列的处理。具体功能模块包括图像采集、图像预处理、缺陷分割、缺陷存储、缺陷图像分类识别。具体的工作流程包括：地面控制中心获得由无人机传送的图像数据后会对这些图像数据进行预处理，分类识别和缺陷判别之后，对所发现的缺陷问题进行定位，同时也会将相关的数据信息进行存储，计算机端将对缺陷图像进行进一步的读取，并将其展现给工作人员。

2.1 配电网架空线路无人机自主巡检技术总设计

为了发挥出无人机所具备的精细化巡检优势，需要在无人机上搭载高精度的定位装置，目前广州地区普遍应用的为RTK 或北斗定位装置，辅助无人机可以在复杂的地理环境或气候环境下，仍然保持较为精准的定位能力，必要时补充手持基站，这也将保障无人机自主航行时的线路准确性，同时高精度定位装置也将配合云平台控制保障无人机的拍摄可以维持最佳的朝向精度。巡检路径规划上要求无人机需要对配电网架空线路每一个基杆塔进行逐一的巡检，会自动记录自己的飞行路线，以此来帮助云台控制系统以及相关的工作人员获取无人机飞行路径[3]。

这项工作会与配电网架空线路基杆塔巡检数据记录同步进行。根据以往的飞行数据，对无人机自主巡检路径进行规划一般包括五个流程：关键位置点的获取（点云采集）、路径的整理、点位的核查、多基点规划和定点重拍。路径整理要求对路径点进行数据的整理记录，删除位置不恰当的点位，按照空间距离和角度要求对路径点科学性进行判断，如果水平距离小于半米而高度相等则应将该点位删除。点位的核查将采取部分测点校对的方式，通过进行实地测飞来保障所收集到的路径点位置，准确计算点与点的位置关系，确保路径点位置关系恰当。多基点规划要求将多基杆塔的连接设置出一定的算法逻辑，每一个连接点都能够实现互相通讯，连接点可以将单机杆塔的巡检路径连起来，并且构建器整体巡检路线。

2.2 配电网架空线路无人机自主巡检路径分析

2.2.1 利用北斗定位系统的巡检路径分析

为了能够发挥出无人机的精细化巡检功能，进而获得更为精准的路径点，可以在无人机上加装RTK 差分技术功能，配合使用高精度定位设备，这样就可以使无人机巡检平台在复杂的环境下也能够保持较为稳定的定位能力和高可靠度的航向，同时在高精度云台的控制引导下，无人机相机将可以拍摄到质量较高的图像，进而帮助工作人员获得高精度朝向数据。利用无人机控制平台，在逐塔采集架空线路中，每一个基塔所获得的信息都将在一定范围内记录下无人机的飞行数据，以及无人机的飞行路径，此时系统也将自动填写好单基杆塔所获得的采集信息和相应的拍摄信息。利用这些飞行数据进行路径规划时，需要从五个流程中开始逐步落实：路径点的收集、路径点位的整理、路径点的检查、多基点分类、定点重复拍摄。

路径点的收集：利用我国北斗卫星高精度定位系统，对无人机的行动路径进行精细规划，遇到明显的转弯点时，可以将其视为路径点的补充，收集各个点位之间的连接点、降落点、起飞点等位置，并以此作为多基路径点的基础数据。

路径点位的整理：该环节主要是整理已经记录好的路径点数据，此时需要将距离过近，点位不恰当的进行删除，同时也要关注偏离度过高的点位，必要的情况下也可以删除。根据立体空间距离和角度关系，来科学判断该点位是否值得保留。如，如果水平距离低于半米、高度一致且夹角大于25度小于45度时，这个点位便可以删除。总而言之，需要坚持的点位规划原则是保证距离的恰当性和夹角偏离度较低性。

路径点的检查：对各个路径点进行抽样校验核对，通过实地飞行的方式进行测量核准，以这种方式来确保路径点位的科学合理。计算各个点位之间的相对关系和位置距离，要确定路径点位的相对关系准确，添加路径点的详细说明，以此来为后续工作中对于点位识别的精细度要求提供必要的基础数据信息。

多基点分类：该项工作流程需要设置出科学的计算方式，将各个基杆塔的连接方式以顺次的方式进行关联，连接点主要是指单基塔在巡检路径中的各个能够互相通视的点位，这样各个连接点就可以将单基杆塔的巡检路径以点和线的方式连接起来，形成多基杆塔的整体性的巡检路线图，将无人机所有的起飞点和降落点关联起来，并形成统一管理的路线图。

2.2.2 关于关键坐标点的路径规划算法分析

在以上的路径规划过程中，为了提高无人机智能巡检路径规划的自由度和灵活性，可以采取基于关键坐标点的无人机配电线路巡检路径规划算法，以及自主巡检方法中的路径规划算法，以此来确定需要进行路径规划的基杆塔，并对用户所选择使用的杆塔进行整合分类。如，将连续的杆塔命名为A，将跨度较小的杆塔命名为B，将跨度较大的杆塔命名为C，在进行计算时按照各自的逻辑进行编码和计算。

3 配电网架空线路无人机自主巡检工作程序

3.1 执行任务

当无人机开始执行自主巡检任务时，无人机的控制需要遵循自主巡检控制方案和安全保障策略，工作人员需要携带无人机到达检测现场，并以云端下载的方式自动生成巡检路线。工作人员确保巡检路线已完全加载之后，便可点击起飞按键开始，针对目标区域的巡检工作，无人机将在预制好的机场位置自动起飞，并按照自主巡检控制方案所设定的周期和对象，开始进行逐一的自主巡检拍照工作，所采集到的数据信息会回传给控制平台，以此来完成无人机在高压配电网架空线路中的自主巡检工作任务[4]。

3.2 结果处理

一般而言，针对配电网架空线路所开展的巡检工作重要的信息包括线路名称、杆塔编号等。无人机在巡检的过程中会生成高精度差分坐标、被巡检设备的ID 信息以及档案信息属性，这样便可以帮助无人机在开展自主巡检工作时，能够将所发现的缺陷问题与具体设备进行匹配。构建起按照配电网架空线路空间信息内容要求的巡检任务体系，将保障所获得的缺陷内容是准确和可靠的。

对于结果的处理，无人机自主巡检系统会自动进行整理。工作人员可通过权限对这些信息进行读取，并结合信息中所生成的被检设施参数，与实际配电网架空线路中的设备进行定位对比，进而可以对对比结果进行下一步的数据操作，如进行维修方案建议的调取等。系统也将对这一系列数据信息进行分类存储，整个结果处理过程都将是准确和高效率的[5]。

4 结语

随着技术的持续研发和应用经验的逐步积累，利用无人机自主巡检技术对配电网架空线路进行巡检，已在诸多地区内获得了显著的成果，既可以维护电网日常供电的安全稳定，也可以对重大活动保电工作给予支持。广州地区在2021年完成配电网无人机航线规划4830.8km，计划在2022年实现配网机巢覆盖。

利用无人机自主巡检技术替代人工巡检，每千米的巡检时间不到五分钟，相较于人工操作效率至少提高了十倍以上，而且无人机自主巡检技术能从空中对配电网架空线路进行观察，这也比地面人工巡检工作更加精准和有效率，能够全方位观察线路，进而使所发现的问题更加全面和准确。无人机自主巡检技术所获得的新建资料可以随时查看，这将为配电网架空线路的可持续稳定运行提供有力的保障。