基于人工智能的输电线路无人机巡检技术分析

鲁 杰 陈 建 宁 岩 席海阔

（国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北 承德 067000）

使用无人机进行大面积电力输电线路巡查，利用其搭载的高精度可见光和红外设备对输电线路进行可见光和红外热成像观测，通过人工智能程序进行缺陷隐患的识别和数据对比，精确找出电力设备隐患发生点，辅助人工进行线路巡视，能够有力保障输电设备设施的安全稳定运行，极大地降低了巡检成本，提高了巡检效率，保障了巡检人员的生命安全。

1 无人机电网巡检的规模和现状

近年来，电网的规模快速增长，截至2021年底，220kV及以上输电线路回路长度843390km，220kV及以上公用变设备容量493921万kVA。据悉“十四五”期间，电网规模将继续以每年5%左右的规模持续增长。但是，由于输电线路地理分布广袤，随着运行时间的不断增长，以及周围地理环境的变化和天气的影响，输电线路会出现各类隐患和缺陷，不断威胁着输电线路的安全运行。国家电网积极开展“架空输电线路直升机、无人机和人工协同巡检”等相关技术研究和应用，大力推广电力无人机巡检，逐步建立起了巡检管理和技术支撑体系。截至2021年，无人机巡检已覆盖各电压等级输电线路，巡检模式向以无人机为主的协同自主巡检模式转变，输电线路巡检效益得到明显提升。

2 无人机电网巡检的优势分析

2.1 降低人工风险，提升巡检效率

传统的电力巡检主要依托人力来进行巡检作业，巡检人员需要克服各类环境限制，跋山涉水，并且劳动强度极大，通过利用无人机巡检，可以有效降低对人工的依赖，减少巡检人员以身涉险的状况发生。同时，有数据表明无人机巡检较人工巡检能提高6~10倍的效率。

2.2 获取影像便捷，辅助检修作业

通过无人机进行巡检，可以近距离获得可见光和红外、紫外影像数据，而基于人工智能的无人机巡检系统可对拍摄的可见光和红外、紫外影像进行自主智能识别和检测，及时发现包括绝缘部分及导线接头异常等各类缺陷，从而为检修工作提供决策支持。

2.3 人工智能加成，巡检精准高效

通过人工智能技术的结合，综合利用激光雷达、RTK高精度定位可使无人机精准定位，迅速到达指定位置开展巡检作业，同时在飞行过程中做到有效避障，避免无人机巡检作业时对输电线路及无人机自身造成损伤。

3 基于人工智能的输电线路无人机巡检系统组成

基于人工智能的输电线路无人机巡检系统包括应用无人机进行高精度定位飞行避障，数据采集、线路巡检、数据的处理与应用。

3.1 数据采集系统

承德电网在电网运行中加强了无人机自主巡检技术的项目研究，并已于2019年开始采集数据，目前已完成全域2000km输电线路高精度绝对坐标系的激光雷达点云数据采集，无人机自主巡检航线覆盖约80%的220kV电压等级的输电铁塔。任务载荷设备与无人机装置高度集成、一体化控制，可挂载可见光、红外、紫外、激光雷达等任务载荷，系统同时集成有GNSS高精度定位、惯性导航、高速数采、时间同步等多功能部件，整机紧凑、集成度高，采用全频 RTK+IMU 融合技术与激光雷达测量技术，数据采集和测量精度高。

3.2 巡检系统

无人机根据巡检作业要求，可搭载各种任务载荷设备，如表1所示。一般含有5个类型：可见光相机、红外热成像仪、紫外成像仪、激光雷达、倾斜摄影相机。

表1 各种任务载荷设备及特点

3.3 数据处理与应用系统

利用无人机可进行数据的采集、存储、处理和应用，承德电网采集了9000余km的输电线路本体和线路通道影像数据，获得了几万张输电线路缺陷图像，针对输电线路采集的信息，特定缺陷识别准确率可以达到90%以上。

3.4 无人机与巡线机器人的复合搭载系统的应用

承德电网正在研发无人机与巡线机器人的搭载技术，主要是研究机器人自动对接与自动放置，同时利用了无人机良好的机动性和巡线机器人的近距离工作高效的优越性，极大地拓宽无人机和机器人巡检的应用场景。无人机与巡线机器人复合系统工作流程图如图1所示。

图1 无人机与巡线机器人复合系统工作流程图

4 人工智能技术在无人机巡检中的应用

4.1 巡检影像的智能识别与分析

通过无人机上搭载的不同任务载荷获取电网巡检需要的数据，并通过人工智能技术进行数据处理，辅助电网运行和检修。可见光影像主要针对输电线路本体缺陷和输电通道环境情况，例如导地线断股、螺栓松脱、放电点查找、通道内导线和树木距离等。红外影像通常可以诊断输电线路设备的发热缺陷，包括绝缘子内部缺陷、导线接头接触不良、金具缺陷等引起的发热现象。紫外影像主要用于结合可见光影像，快速识别异常放电部位。对于常规任务载荷的控制、数据获取和智能分析，以及研发适合与电力线路巡检的新型任务载荷设备，是利用无人机进行电力线路巡检的关键环节。

依托云端具备强大算力的GPU服务器或具备一定算力的边缘计算设备，通过深度学习与云计算相结合的方式，利用人工智能视觉处理与分析算法对可见光图像进行智能识别，对图像数据进行自动分析，实现对输电线路本体缺陷的智能自动识别，如图2所示。

图2 输电线路缺陷的可见光影像智能自动识别

通过无人机搭载的激光雷达，对输电线路所处的空间环境进行测绘，可以获取完整的输电线路及通道走廊的激光点云数据，从激光点云数据中提取出输电线路导地线及杆塔的空间数据，同步获取其相应的周边地理信息，使输电线路及周边环境变成了可任意测量分析的精准立体三维模型，如图3所示。通过激光点云形成的三维模型，巡检人员可以观察到线路通道走廊内目标物的空间位置和轮廓，并且可以通过软件系统提供测量工具确定导地线、杆塔等与地面、建筑、植被等目标物之间的空间距离，距离测量精度可以到厘米级别，可用于输电线路交跨距离测量、弧垂测量、导线风偏计算等。

图3 输电线路及通道走廊的激光点云三维模型

4.2 无人机自主巡检导航和巡线机器人的投放与回收

承德电网正在研发的无人机巡线机器人复合系统，依据激光点云空间数据或测绘的精确输电线路坐标数据，通过人工智能算法对输电线路所处的空间位置进行识别与定位。根据输电线路相对于无人机的位置，利用制导算法自动生成无人机巡检所需的航点和航线，生成飞航指令并通过地面站发送给无人机，引导无人机自主航行至架空输电线路导地线的正上方。利用无人机搭载的激光测距模块得到架空输电线路导地线相对于无人机的空间距离信息，根据空间信息以及实时测距数据，实时生成无人机自主飞行所需的控制数据参量，引导无人机到达巡线机器人的投放或回收位置，实现巡线机器人的精准投放和回收。同时，系统还设计了基于机器视觉的导地线检测系统，包括机器视觉模块、图像处理模块和导地线方位矫正模块等，用于导地线可见光影像拍摄、智能识别和位置定位，辅助无人机自主飞行，以及巡线机器人的投放或回收。

5 结语

基于人工智能的输电线路无人机巡检系统，整合了数字成像技术、自动避障技术、高精度定位技术、人工智能自主学习及分析技术、边缘计算技术、云计算技术、无人机自主巡检技术，搭载可见光、红外、紫外、激光雷达，以及巡线机器人等任务载荷，通过多种任务设备结合，对输电线路进行自主巡视，具有机动灵活、功能多样、展开迅速、快捷高效，以及超视距自动驾驶等优势，极大地提高了输电线路的无人机自主巡检水平，使输电线路巡检质效得到了巨大的提升和飞跃。