多旋翼无人机在输电线路巡线中的应用
王刚 孟莹梅
摘 要：当下输电线路巡检自动化已成为电力系统维护的必然趋势和发展方向，无人机巡检方式的普及，将极大减轻送电线工在线路日常巡视、紧急抢修、状态监测等方面的工作压力，在消除人工巡检盲点的同时，提高了巡检效率与巡视质量，保障了巡检过程中的人身安全。本文简述了国内外无人机巡线技术的研究现状，将常见的巡线用无人机进行分类比较，得出不同种类无人机巡线的优缺点，并以1000kV同塔双回耐张塔巡线拍摄为例，详细介绍了小型旋翼机巡检过程中的操作流程和基本注意事项。最后还展望了图像、数据处理技术，以及要求更高的激光雷达巡线技术。
关键词：输电线路；无人机；巡检
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.148
0 引言
隨着电力网架构成的进一步丰富、智能电网的迅速发展，继续依靠传统人力巡检输电线路已无法满足现阶段的巡线要求。基于当前无人机在民用领域的应用日益广泛，相应软、硬件技术日趋完善，利用无人机代替人力进行巡线，可以到达人力很难到达的地方，且巡线效率高，范围广，具有极其广阔的应用前景。国家电网公司关于输电线路无人机巡检技术的相关研究和应用也在逐年加强。
1 无人机分类比较
固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机为常用电力专用无人机，其各有优缺点，应用于不同的巡线场合。固定翼无人机飞行速度快，续航时间长，但不能悬停于空中，适用于进行输电线路通道大范围、长距离巡检。无人直升机飞行灵活，能快速准确的进行输电线路作业，现已基本运用到对输电线路通道环境监测，交叉跨越复核检查，重要隐患监控等方面的巡视工作。多旋翼无人机最大的特点便是能垂直起降，飞行控制灵活，稳定性高，可应用在电气线路设备的参数收集、故障查找等任务中。在故障段确定的情况下，多旋翼无人机能在接近线路处进行空中悬停，完成输电线路杆塔设备、绝缘子等定点目标的精益化巡检工作。总结以上各类无人机的优缺点与当前电力生产工作实际相结合，架空输电线路的巡线建议使用固定翼无人机搭配小型旋翼机或无人直升机进行。而固定翼无人机和无人机直升机的价格相对较高，基于巡线频率与性价比综合考虑，价格便宜且操控灵活的小型旋翼机是现阶段最值得推广的机型。
2 无人机巡检流程
我们以1000kV同塔双回耐张塔巡线拍摄为例，对无人机巡检流程进行简要介绍。小型旋翼机巡线一般巡检流程如下：第一、收集巡检线路资料，确定巡检线路的地点、巡检时间、人员和车辆安排等内容；第二、确定杆塔类型、杆塔数量、杆塔巡检对象、拍摄要求、拍摄数量；第三、勘查巡检现场，了解杆塔位置、线路走向、地形、地貌、风向、风速、光源方向、信号塔、山丘、河流、树木、矿藏、地下管道等；第四、制定飞行计划，确定地面站放置点、飞手站立地点、飞机起飞点、飞行方向、飞行路线，尤其需要注意杆塔方位、风向、风速、光源、树木、通讯塔、山丘、矿藏、管道、温度、飞手站位与杆塔电线的角度；第五、根据巡线需求调整相机中设置的照片质量，实施巡检，每个拍摄对象拍摄5张以上的照片，以防止因为无人机抖动造成的相片重影，图像发虚等情况，从中选择最优照片，避免因为不合格照片而需重新飞行，以便提高飞行的效率。
下面将对实际应用过程中杆塔巡检拍摄步骤进行简要介绍：
步骤一：起飞后缓慢上升至左线下相，机身与线路左线大号侧绝缘子串水平，拍摄绝缘子串及连接金具；缓慢下降，机身与线路左跳线硬管母水平，拍摄硬管母整体及连接金具；缓慢上升，机身与线路左线小号侧绝缘子串水平，拍摄绝缘子串、金具等。
步骤二 ：缓慢上升至左线中相，重复步骤一。
步骤三 ：缓慢上升至左线上相，重复步骤一。
步骤四 ：缓慢上升至塔顶，略高于地线，拍摄左侧地线及挂点和金具。
步骤五 ：翻越杆塔至另一侧，缓慢下降，拍摄右侧地线。
步骤六：缓慢下降至右线上相，机身与线路右线大号侧绝缘子串水平，拍摄绝缘子串及连接金具；缓慢下降，机身与线路右跳线硬管母水平，拍摄右跳线硬管母整体及连接金具；缓慢上升，机身与线路右线小号侧绝缘子串水平，拍摄绝缘子串及连接金具。
步骤七 ：缓慢下降至左线中相，重复步骤六。
步骤八 ：缓慢下降至左线下相，重复步骤六。
步骤九：拍摄大小号侧通道及周围危险点。
以上九个步骤为巡检1000kV同塔双回耐张塔时的拍摄方式，其他电压等级的线路巡检过程与其类似。同时我们还应该注意到小型旋翼机巡线时天气状况影响较大，当风力高于 3 级时，无人机会出现飘移的情况，可能导致其与输电线路、输电杆塔设备等无法满足有效的安全距离，甚至发生碰撞。因此加装测距系统也是目前众多巡线用无人机的标准配置。目前使用最多的是超声波测距模块，超声波模块的特点是必须符合探测角度足够大的要求，测量距离的范围适中即可。小型旋翼机机体较小，能近距离飞抵输电线路附近，我们这里选用的测试距离以 6-10 米为宜，检测的精度能够达到毫米级，这也是我们将小型旋翼机作为线路巡检设备首先的考虑因素之一。
3 后期数据处理
目前，无人机巡检作业已然成为了输电线路智能巡检的主要方式。无人机在巡检作业时拍摄了大量的数据资料，对于这些数据，国内相关从业单位主要还是以人工处理为主，或由人工在线监视、实时判断发现输电线路设备的异常情况。人工处理的模式，一方面会增加很大的劳动强度，另一方面个人因素对后期数据的分析质量也会造成不确定的影响。而采用人工在线监视、实时判断发现输电线路设备的异常情况，又比较容易遗漏或误报关键信息，因此采用人工处理无人机巡检数据的方法实际上并不值得继续推广。
可喜的是，随着近些年基于嵌入式系统和图像处理技术的输电线故障检测技术的迅速发展，我们可以让无人机搭载图像传感器和嵌入式处理器，将采集的图像进行预处理、输电线识别与定位、输电线上附件识别，将输电线从复杂背景中进一步分离出来，再进行导线弧垂监测、绝缘子状态评估、异物挂线、导线断股、金具形变等故障检测，加之对报警信息及分析后的视频信号进行存储，以及对存储数据的快算检索，并通过GPRS网络将输电线状态实时反馈至地面控制台。新技术的革新、新产品的研究与推广，使得无人机巡检能够做到有效快速地进行故障检测和分析，安全便捷地向控制中心提供输电线路状况，无论是在输电线路巡检质量，还是在巡检设备承载力上都有了质的飞跃。
4 总结与展望
我们可以清晰的看到，以美国为主的发达国家依托于先进的无人机研发基础，在无人机电力设施巡检领域一直处于领先地位。纵观国内近几年的无人机发展状况，各类基于无人机类型产品的科技公司层出不穷，例如大疆、3D Robotics、派诺特、零度、极飞等，这些公司生产的无人机产品更多倾向于民用航拍，國内无人机行业在机身材料革新、位置及姿态传感技术、无人机地面站技术等方面的发展也是有目共睹的。
但是在电力行业，特别是在输电线路巡检方面，由于输电线路巡检复杂多变的巡检环境以及需要基于输电线路进行无人机任务规划、无人机禁飞区设置等多方面的特殊功能需求，截至目前国内还没有专门针对输电线路巡检所开发的系统的无人机量化产品。且国内无人机行业还处于硬件开发层面，配合无人机巡检的地面监控系统，以及后续的数据在线处理、智能识别、诊断技术等类型的软件技术开发方向的研究还是收获甚微。
目前电力巡检监控系统与无人机之间依旧是一对一的工作模式，即一台地面监控系统只能监控一架巡检无人机，监控系统和巡检无人机间的通信策略研究，将会是影响电力用无人机发展的重中之重，如何能够通过地面监控系统的智能监控，实现多无人机智能、自主和协同巡检，以便进一步提升巡检效率，也会成为巡检用无人机的重点研究方向。随着电子信息技术的发展，引入具有真正意义上的人工智能计算机视觉分析技术，使巡检系统具备人眼的识别和人脑的分析能力，利用无人机巡检系统图像的仿生视觉处理，我们可以清晰的识别输电线路的杆塔、导线、附属设备、弧垂变化等情况，对无人机巡检数据中重要的缺陷和隐患进行及时、有效的处理，以便提高无人机巡检水平，减少人为后期巡检数据处理的工作量。随着尖端技术的发展和普及，在军工领域运用较多的激光雷达技术，也将会成为未来电力专用无人机巡检技术可拓展延伸的方向。我相信，利用数字图像处理技术实现对巡检图像进行预处理功能，实现复杂自然背景下输电线路及附属设备的自动提取与识别，实现无人机巡检数据处理分析的智能化将是国内外电力用无人机发展的必然趋势。
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作者简介：王刚（1991-），男，江苏南通人，本科，助理工程师，从事送电线路方面工作。
