提高潘大水库无人机巡检系统应用水平的思考

曹春阳，程麒安

（海河水利委员会引滦工程管理局，天津 300202）

2023年是引滦入津工程通水40周年，截至2022年底，引滦枢纽工程已累计供水451亿m³，有效缓解了沿线水资源短缺的情况，进一步改善了水生态环境，为天津、唐山两市经济社会发展提供了坚实的水资源支撑。

引滦工程管理局（以下简称引滦局）作为引滦工程中潘家口水库与大黑汀水库（以下简称潘大水库）的管理单位，积极采用先进技术方法保护好引滦入津、入唐的水源地，创新库区监管新模式，建立潘大水库无人机智能巡检系统，守护库区一汪清水。无人机智能巡检系统在潘大水库高效运行，提升了引滦科技新水平。

1 潘大水库无人机智能巡检系统的运行情况

潘家口水库位于河北省唐山市与承德市的交界处，坝址以上控制面积33 700 km²。大黑汀水库位于唐山市迁西县城北5 km 的滦河干流上，控制流域面积35 100 km²，其中潘家口与大黑汀水库之间流域面积1 400 km²。大黑汀水库坝址以上控制面积占滦河总流域面积的79%。潘大水库两侧山峰陡峭，怪石如林，十分险峻，海拔高度为200～680 m。

潘大水库位于滦河干流，作为大型水库工程对于滦河防洪体系十分重要，特别是2021 年，海河流域遭遇百年罕见夏秋连汛，滦河发生1号洪水，引滦局科学调度潘大水库，充分发挥了枢纽的防洪减灾作用。同时，潘大水库作为引滦入津、入唐输水工程的重点水库，肩负着为天津、唐山两市供水的重任。基于潘大水库重要的防洪和供水作用，需要加强巡检工作，保障水库防洪排涝和补水供水能力。

潘大水库无人机智能巡检系统是引滦局2022年为推动新阶段引滦水利高质量发展、构建水库数字孪生体系、提升智慧化管理水平而建设实施的重点项目，该系统具有全自动作业能力，能够为水库防汛、工程检查、河湖监管、水事巡检等提供智能化服务。该系统主要由无人机、控制系统、机库、任务荷载、中继站5个部分组成，无人机控制信号覆盖整个潘大水库管理区，无人机摄录的影像资料通过图斑解译后能够为河湖监管、水行政执法等工作提供更加全面、准确、清晰的影像依据，解决山区水库因陆路、水路不通而造成的隐蔽违法违规水事行为很难被发现的问题。该系统的建立也标志着潘大水库水陆空三位一体河湖巡查监管体系全面建成，实现了库区监管的可视化、智能化、高效化。

2 潘大水库无人机智能巡检系统取得的成效

谋科技就是谋未来，抓创新就是抓发展。引滦局以改革创新为发展动力，加快推进了科技强局步伐，全面提升了管理水平，助推引滦事业高质量发展。

2.1 创新驱动，凝聚智能

近年来，引滦局转变观念，锐意进取，以高水平管理和高质量发展为导向，走创新驱动之路，与时代发展同频共振，与科技创新深度融合，集全局智慧，统筹项目建设、科技引领、体制机制创新，推动科技创新精神在潘大水库落地生根。

2022 年，引滦局大力推进智慧水利和数字孪生引滦枢纽建设，在此背景下建成潘大水库无人机智能巡检系统，为提升引滦治理能力和高质量发展提供了科技动力。

2.2 革故鼎新，补短增效

为了提升潘大水库河湖监管水平，补足短板问题，下好“先手棋”，引滦局及时转变传统观念，在管理方式上发力，向前瞻性、高效性管理方法转变，赢得了发展主动。

随着潘大水库河湖监督体系基本建立，通过河湖巡查发现和处置库区“四乱”问题维护水事秩序成为引滦局库区日常管理的重要任务。传统巡查方式主要以人工为主，每年投入几百人次和几十万元开展此项工作，由于巡查重复性工作多，重要岗位技术骨干无法抽身开展其他技术工作，造成大量的人力、财力浪费，这种巡查模式制约了引滦局高效管理水平的提升。

2021 年11 月，引滦局在开展河湖管理和“清四乱”工作时提出“优化巡查方式，科技提高效能”的创新理念，确定了河湖管理精细化、库区巡检降本增效的主导思想。在充分论证调研的基础上，完成“利用无人机开展河湖巡查”的顶层构想和初步设计。

2.3 科技赋能，提效领先

“惟创新者进，惟创新者强，惟创新者胜。”2022年12月，潘大水库无人机智能巡检系统全部建成并投入试运行。该系统实现了水库河湖管理与信息技术的深度融合，巡检路线科学、视频影像清晰、图斑目标精准，在引滦局成功构建了空地一体、全面精准、智慧高效的库区监管体系，达到无人机在潘大水库全域巡检的目的。

该系统利用固定翼无人机在180 km²范围内山区峡谷型水库开展长时间巡检，通过对视频数据成果的技术处理，分析研判图斑变化，实现了库区河湖“四乱”问题的精准识别，完全替代了传统的人工巡检方式，传统方式下需要20人用一周时间完成的河湖巡查任务现在可以在半天内高效完成，并可精准定位“四乱”问题点位，第一时间获取相关信息，同时为突发事件处置赢得时间，真正意义上实现了水库监管的智能化、高效化。目前，该系统在全国水利系统属业内领先水平，为提升引滦局管理水平发挥了重要作用。

2022年7月、2023年，潘大水库无人机智能巡检系统先后参与了引滦局2 次大规模防汛演习。同时，在2023 年日常巡检工作中，引滦局通过无人机智能巡检系统解译出来的成果发现新增“四乱”问题数十处，其中燕子峪新建养猪场、椴木峪村库岸施工侵占库容等问题刚一出现苗头就被该系统及时发现，局工作人员第一时间赶到现场确认并进行制止。

3 潘大水库无人机智能巡检系统面临的问题及应对

潘大水库无人机智能巡检系统是新技术应用实践类项目、智能化河湖巡检系统应用尝试的成功案例。该系统在全国水利系统属业内领先水平，可参照经验较少，但在建设过程中，遇到了一些没有经历过的问题还是得到了较好的解决，包括无人机的注册、空域申请以及空域保障；距离机库较近的高山阻挡讯号传输；潘大水库整片库区巡检范围大；巡检数据的处理；巡检系统的日常管理和操作等问题。

3.1 空域申请，提前筹划

我国对空域有着严格的管理，无人机巡检系统应用需要空域申请。我国境内凡是拥有航空器的单位、个人和与飞行有关的人员及其飞行活动，必须实施飞行管制，由中国人民解放军空军统一组织实施，各有关飞行管制部门按照各自的职责分工提供空中交通管制服务。

2022年11月，引滦局完成潘大水库智能巡检无人机向民航局的报备工作，使无人机有了自己的注册信息和二维码，同时向唐山、承德库区各县公安局进行了登记报备。在此基础上，完成无人机空域申请，确保了其在规划时间内的巡检任务具有飞行许可资质，此外在每天飞行之前申请当天飞行的空域时间。

3.2 高山阻挡，建中继站

在潘家口库区最下端靠近大坝的位置有潘大水库整片库区的最高峰，该山会阻挡无人机在潘家口水库巡检过程中的讯号传输。为此，在该山的山顶建设中继站，可实现潘大水库全域信号无阻挡，保证潘大水库信号全覆盖，解决大面积、远距离实时数据获取和回传问题。选址主要考虑以下因素：通信要求、基础建设、电网通畅、设备安装可行性。潘大水库面积大、巡航距离长，通过架设在库区最高峰的长距离中继站解决了信号传输问题，是本项目新技术利用的关键点之一。

3.3 库区辽阔，巡检规划

无人机巡检需要沿着库区河道飞行1 个来回。潘大水库库区巡检范围，如图1 所示。潘家口水库库区从大坝到石佛直线距离31.8 km，无人机沿河道飞行的距离单程则有67.8 km。从潘家口水库到大黑汀水库库区尽头引滦隧洞处直线距离20.4 km，无人机沿河道飞行的距离单程则有26 km。潘大水库库区面积大、巡检距离长，需要考虑如何省时省力地巡检整片库区。为了科学、合理地巡检潘大水库库区，在潘大水库无人机智能巡检系统建设过程中，引滦局做了3个方面的工作：选择合适的无人机机型，修建机库和合理规划航线。

图1 潘大水库库区巡检范围

3.3.1 无人机型，精心挑选

目前，市面上适合用来进行巡检的无人机分为多旋翼无人机和垂直起降固定翼无人机2种。

多旋翼无人机起降灵活，机库所占空间小；缺点是建库数量多，维护不便，由于受载荷、电池容量以及图传功率消耗的影响，续航时间更短、飞行高度不高（一般在相对高度100 m 左右）、图传信号较差，作业范围相对较小。多旋翼无人机巡航速度一般能达到15 m/s，安全续航时间40 min，最多巡航36 km，往返18 km，明显不符合潘大水库库区的巡检要求。

与之相比，垂直起降固定翼无人机采用1 库1机，方便维护，续航时间长，覆盖范围大，图传信号强；缺点是飞机尺寸大，机库比较大，从技术层面要求更高。由于固定翼无人机巡航速度为70 km/h、续航能力为2 h，所以1架固定翼无人机即可满足巡航需要。

3.3.2 合理选址，修建机库

机库选址主要考虑以下因素：基础建设便利，无人机适航安全，电、网通畅。

机库位置选址时，在考察管理单位附近多处地点后，考虑到飞行操作安全无干扰、方便日后管理等因素，最终选址在引滦局游泳池西南角处。这里地势较低，但是视野开阔，周边无输电线路和人员聚集地；建设游泳馆时进行过基础硬化，基础已充分沉降稳定，且有隔离防护栏。机库电源从临近配电箱引出电缆，套管保护后铺设在地面下；通信光缆沿游泳池至附近楼顶架空引至控制室，采用专线，确保网络安全。

自动机库可实现无人机起降全过程无人化，完成对无人机的自动收纳存放、无人机电池的自动充电、对起降地周边环境的监控感知、无人机链路数据的中转。

3.3.3 规划航线，分区巡检

为了实现对河湖监管要素的自主巡检，需要规划好无人机巡检作业的航线，根据巡检航线进行飞行路径的智能规划，并实现无人机的复合避障。根据河湖监管要素的布置特点及巡检要求，规划巡检路线，规范巡检工作，实现巡检部位全覆盖。

考虑到巡检需要和无人机续航能力，将潘大库区划分为三部分，共设计3 条航线——大黑汀水库库区1条，潘家口水库下半部分1条、上半部分1条。无人机飞行1个架次沿1条航线巡检1块区域，大致用时90 min，5 h即可完成库区全域巡检。

3.4 数据管理，成果共享

通过收集整理滦河流域卫星遥感影像数据，建立一期卫星影像数字场景作为数据底图，以无人机智能巡检系统第一期拍摄的影像数据作为潘大水库监管问题解译数据基础，可叠加后期航摄影像进行多期数据对比分析。根据历史影像、水库基础数据、监管数据和“四乱”问题等，建设潘大水库监管“一张图”，主要包括数据库建设和平台建设，数据库建设对空间基础数据、“四乱”专题数据、用户信息和坐标系统进行管理，平台建设主要应用功能包括三维综合浏览、图层管理、信息查询、空间量算、数据管理、用户权限管理和成果共享。

对无人机航摄影像进行空三加密、正射纠正、匀光匀色、镶嵌等处理，制作数字正射影像图（DOM），以DOM 为底图并进行捕鱼、违规排放、防汛监测以及“乱占、乱采、乱堆、乱建”等问题解译，与前期数据进行叠加分析，判断库区岸线及水体变化情况。无人机巡检数据利用大型服务器和软件进行解译，解译成果按时移交使用。截至2023 年上半年，已经完成4期无人机巡检数据解译工作。

3.5 编制规程，严格管理

为了加强潘大水库无人机智能巡检系统的管理，依法依规开展库区巡检，引滦局编制完成《潘大水库无人机智能巡检系统管理办法》（以下简称《办法》）《潘大水库无人机智能巡检系统安全操作规程》（以下简称《规程》）。

引滦局高度重视做好《办法》《规程》编制相关工作。在工作实践、参加相关培训的基础上，根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》等相关法律法规规定，结合工作实际，按照《办法》编制新要求，梳理汇总了编制依据，明确了潘大水库无人机智能巡检系统管理和使用的相关职责、权限和问责，以《办法》做好无人机巡检设备的硬件管理。为切实使用好潘大水库无人机智能巡检系统，保证巡检系统的正常运行、使用，进一步规范工作程序，调整优化完善各项机制，参考各类工作规程，结合工作实际，引滦局制定印发《规程》，以此来规范工作人员的日常操作，做好巡检系统的“软件管理”，确保巡检工作有力有序有效进行。

4 推进无人机智能巡检系统应用的建议

4.1 智能巡检，依法实施

无人机是智能巡检的主要装备，国务院、中央军委日前公布《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，自2024 年1 月1 日起施行。《条例》对无人驾驶航空器从设计生产到运行使用进行全链条管理，着力构建科学、规范、高效的无人驾驶航空器飞行及相关活动管理制度体系，为防范化解无人驾驶航空器安全风险、助推相关产业持续健康发展提供有力法治保障。国家在确保安全的前提下积极创新空域供给和使用机制，完善无人驾驶航空器配套基础设施和服务体系。无人机智能巡检单位要遵从无人驾驶航空器管理法律法规，增强单位和人员依法开展无人驾驶航空器的意识，按照要求办理许可证、注册信息和二维码、进行无人机保险、培训人员、申请空域，之后方可进行空中活动。

4.2 多机协同，数据共享

目前，无人机着重开展河湖管理、水政执法、水污染防治、应急救援、灾情查勘、工程管理等业务，利用无人机巡检已经成为新趋势，引滦局根据河湖管理、水政执法等业务需求配置了多架无人机。未来无人机巡检将成为功能定位清晰、操作规范健全、作业模式科学、装备配置合理、巡线效果显著的常态化业务。为此，要加强操作规范建设，规范无人机巡检作业操作、入网检测、运行维护、数据处理等全过程业务，提升巡检数据处理、分析、应用水平，提高作业效率和效果；要对无人机巡线业务进行顶层设计，紧密围绕线路运维需求，差异化配置无人机开展作业；要建立信息资源共享交流机制，可根据工作任务，对单机、多机进行调度，优化路径规划、跟踪和定位，实现协作配合、资源共享。

4.3 巡检设备，定期维护

自主巡检系统重要的设备需要定期检修，避免因长时间使用造成的损坏。无人机电池是其能量来源,每次使用无人机前务必检查电池的电量和外观是否正常,并保持电池存储时干燥,避免过高或过低的温度。螺旋桨是无人机飞行的关键部件，应定期检查它们的状态，检查其是否有裂痕或变形，如果有应及时更换。无人机日常维护是确保无人机长期稳定运行的关键。此外，要定期检查机库设备及外观、监控设施、中继站设备等并做好维护记录。每次飞行前，要保证飞机各部件无损坏，飞机装配所有部件正常连接，平飞动力电机安装紧固，平飞动力螺旋桨紧固、无损坏，机翼中端安装紧固，空速管无损坏、堵塞，机翼锁扣扣紧，舵机无卡齿，舵面无损坏，旋翼机臂无损坏、锁紧，旋翼电机安装紧固，旋翼螺旋桨无损坏、锁紧，尾翼连接安装紧固，水平尾翼固定螺丝锁紧，机身外部天线紧固，电池安装紧固、到位。注意这些事项并做好维护工作，可以使无人机使用寿命更长、飞行更安全可靠。

4.4 培养人才，建设队伍

国家“十四五”新型基础设施建设规划明确提出，要推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。河湖监管智能化巡检是数字孪生水利建设的重要组成部分。在数字孪生水利建设的新形势下，水利人才培养也面临着一系列重大挑战，需要建立创新人才培养模式，加快建设高素质专业化人才队伍，全面提升智慧水利专业技术人才队伍技术水平，进一步推动智慧水利建设。

5 结语

通过建设潘大水库无人机智能巡检系统，能够为河湖监管、水行政执法等工作提供更加全面、准确、清晰的影像依据，解决了水库山区因交通不便而造成的隐蔽违法违规水事行为很难被发现的问题。该系统的建立也标志着引滦局水陆空三位一体河湖巡查监管体系全面建成，实现了库区监管的可视化、智能化、高效化，为潘大水库库区智能监管提供了技术支撑，进一步提升了潘大水库数字化、智能化管理水平。