输电线路无人机巡检技术应用与研究

夏中晨 胡如意

[摘    要]在当今社会经济飞速发展的背景下，电力作为国民经济生活的基本保障，发挥着重要的作用。为不断实现人民对美好生活的向往，电力企业需要飞速发展，电网建设规模不断扩大，其中输配电线路巡检的工作量和管理难度呈直线趋势上升。为了确保输电线路安全稳定运行，降低输电设备故障的发生概率，减轻人工巡检的工作量，无人机在输电线路巡检过程中的应用显得尤为重要。随着无人机在电力行业内的广泛应用，操作无人机已成为输电运检工的必备技能，取得无人机飞手证书更是成为输电运检工的必备条件，但是取得飞手证书并不能满足电力机巡的技能要求。研发一款专业的电力无人机巡线实操模拟软件，严格遵循中电联等电力机构相关标准，提高输电运检工的无人机巡检实操能力，从而提升输电线路的可靠性和稳定性。

[关键词]无人机巡检;技术研发;应用实践;实操模拟

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章編号]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]Under the premise of the rapid development of social economy， electric power plays an important role as the basic guarantee of national economic life. In order to realize the people's yearning for a better life， the electric power enterprises need to develop rapidly and the scale of power grid construction is expanding， among which the workload and management difficulty of transmission and distribution line inspection are rising in a straight line. In order to ensure the safe and stable operation of transmission lines， reduce the probability of transmission equipment failure and reduce the workload of manual inspection， the application of UAV in transmission line inspection is particularly important. With the wide application of UAV in the power industry， the operation of UAV has become a necessary skill for transmission operation and inspection workers flying hand certificate is a necessary condition for transmission inspection workers. However， obtaining flying hand certificate can not meet the skill requirements of power machine patrol. To develop a professional power UAV patrol simulation software， strictly follow the relevant standards of power institutions such as ITU， fill the gap between flying UAV and mastering UAV power patrol line， Improve the UAV inspection and operation ability of transmission inspection workers， so as to improve the reliability and stability of transmission lines.

[Keywords]UAV inspection; technology research and development; application practice; practical simulation

我国经济飞速发展，促使我国的电力行业迎来发展契机，随着高电压长距离输电技术的成熟，输电线路分布愈发广泛，供电范围也不断扩大。但是输电线路运检工的巡线距离越来越长，工作量越来越大，工作条件艰苦，而且劳动效率低，遇到电网紧急故障和异常气候条件下，输电线路运检人员不具备有力的交通优势、利用普通仪器或肉眼来巡视设备。这种方式已经不能完全适应现代化电网建设于发展的需求。所以，需要借助无人机巡检技术来完成输电线路巡视工作，在电网中，无人机广泛运用于线路巡视、竣工验收、电力施工中的展放导线、自然灾情之后的灾情勘察、应急抢修和故障清除等，但是无人机在实操过程中经常发生坠机事故，因此，进行无人机巡检技术应用的深入分析，具有至关重要的现实意义。

1 无人机巡检技术

1.1 基本概述

无人机巡检技术主要是指输电巡检人员通过对无人机进行远程操作，发挥无人机简单小巧、成本低、机动性能好、使用维护方便的优点，利用其空中平台的功能，携带高倍照相机、高清摄像机、红外成像仪、激光雷达等多种机载设备，可对输电线路设备及周边环境情况进行全光谱的快速拍摄监测。通过分析，可快速发现各类设备缺陷、隐患以及线路附近可能对线路造成威胁的各类危险源。无人机电力巡检可大幅度提高巡检质量、实现快速巡检、克服视距限制、保障巡检人员作业安全。

1.2 特点及优势

在电力巡线的应用上，无人机操作控制过程简单可靠、运行稳定，而且巡检速度快，复杂地形下可达人工巡检的10倍以上，经济性高，巡检成本仅仅是载人直升机的1/10，并有代替载人机进行各种工作的趋势。

1.3 无人机巡检技术的应用

根据电力线路巡检需要，无人机上搭载多种传感器的任务设备，主要完成激光点云以及可见光、红外、紫外影像数据的获取;无人机上搭载喷火装置、热熔丝等装置，可以完成带电清除线路异物的特种作业。

（1）可见光影像数据是最常用的，可用于检测电力线路外观缺陷以及环境通道状况，包括导地线断股、损伤、覆冰等绝缘子烧伤、破碎、断裂、伞裙脱落等杆塔倾斜、塔材变形、缺失、锈蚀等杆塔基础情况;线路通道内违章建筑物以及树木生长情况等;导地线悬挂异物、山火易发地区以及线路保护区内机械施工等。

（2）红外影像数据主要用于检测溫度异常情况，铁塔较高，导线中间接头人工不易到达，线路巡检人员利用手持红外测温设备很那在远距离准确地完成测温作业，利用无人机搭载红外测温云台，可近距离、准确地发现绝缘了局部及导线接头异常发热等问题。

（3）紫外影像数据主要用于结合可见光影像数据，快速识别异常放电部位，确定缺陷情况。对于常规数据采集传感器的控制，以及研发适合与电力线路巡检的新型传感设备，是利用无人机进行电力线路巡检的关键环节。

（4）由于架空输电线路长时间处于户外暴露状态，所以架空输电线路在运行过程中经常会附着一些塑料袋、薄膜、风筝、孔明灯、杂草等异物。这就需要输电线路巡检人员及时清理线路上的异物，以免造成线路接地、相间短路等故障，导致线路被迫停运。但是传统的人工出导线清理或利用绝缘杆清理漂浮物的方式，不仅效率低，还存在着极大的人身安全风险。引进无人机技术后，就可以将喷火装置或热熔丝设备装置安装在多旋翼无人机上，当巡检人员利用云台摄像头找准杂物附着位置时，就可以适时调整无人机的悬停方位，开启喷火装置或热熔丝，就可以快速地熔断杂物，使输电线路处于正常运行状态了。

2 无人机实操模拟器的研发及应用

目前，电网无人机操控手在上岗前都要进行大量的实操培训，并通过AOPA（中国航空器拥有者及驾驶员协会）认证考试之后才能持证上岗，班组成员即使取得AOPA证书，对于电力巡线技巧的掌握尚需要时间磨砺，因此在无人机在实操过程中坠机情况时有发生。所以亟需研发一种输电线路无人机巡线仿真训练系统，让班组成员通过在模拟器中培训和练习，提升无人机巡线能力和业务水平，保障输电线路及电网稳定运行。

2.1 真实巡线场景的搭建

采用3A级3D引擎，进行精确建模与实景还原，对通道走廊、铁塔、金具、导线、绝缘子等进行精细建模，然后将构建的三维模块导入到三维引擎UE中，三维场景具有可视化界面，包括110 kV至500 kV的直线塔、耐张塔、同塔多回等常见铁塔类型。输电线路巡检人员可以佩戴VR头盔，并通过遥控器控制无人机在虚拟场景中进行巡线仿真。

2.2 无人机运动特性仿真

无人机飞行性能的精确仿真是巡线培训中真实感的基础，微软开源模拟器AirSim可以用来训练自动无人机、无人车和其它自主移动设备。使用AirSim模拟器创造了一个高还原的超逼真虚拟环境，且在模拟过程中支持主流飞行控制器来实现物理及视觉双重层面的超仿真。根据AOPA取证要求，设计无人机起飞、降落、悬停、“8”字飞行、四边航线等飞行技能。制作逼真的特种作业场景，研究无人机在输电线路中特种作业应用（喷火除异物、无人机憎水性检测）项目，训练操作人员无人机特种作业技巧。

2.3 自然环境仿真

研究不同种类常用无人机在复杂地形环境条件下飞行特点，以及这些不利因素对无人机飞行性能及操控的影响，得到无人机在不同环境下飞行参数。将这些参数融入到仿真系统中进行调校，还原真实无人机巡线操作。

2.4 基于Pixhawk飞控的半实物仿真

无人机飞行性能的精确仿真是巡线培训中真实感的基础，微软开源模拟器AirSim可以用来训练自动无人机、无人车和其他自主移动设备。使用AirSim模拟器创造了一个高还原的超逼真虚拟环境，且在模拟过程中采用Pixhawk飞行控制器来实现物理及视觉双重层面的仿真。飞控模块主要是根据遥控器的遥控指令（包括无人机自主控制和操纵杆控制的切换指令、无人机油门和方向控制杆指令、机载设备控制等指令），利用嵌入式飞控仿真算法计算出无人机的实时飞行参数（位置、速度、姿态）和云台参数（是否拍摄、对焦、方向）。

2.5 标准化巡线流程

研究电力巡线作业流程及巡线拍摄照片质量判定标准，按照中电联、南方电网公司、海南电网公司相关标准与规定，结合无人机巡检经验，确定巡线流程并在模拟器中实现。训练机巡作业人员拍出适合后期数据处理的照片技巧，熟练掌握规范的巡线流程。

2.6 意外情况仿真

研究突发意外情况（电磁干扰、气象变化等）员工应对策略与技能。研究不同种类常用无人机在紧急情况条件下飞行特点及这些不利因素对无人机飞行性能及操控的影响，得到无人机在不同环境下飞行参数。将这些参数融入到仿真系统中进行调校，还原真实无人机巡线操作，提升工作人员在突发情况下的紧急应对能力。基于微软AirSim模拟无人机飞行特性，利用AI技术，提供逼真的环境，模拟无人机的飞行特性，给予机巡作业人员最真实的操作感受。

2.7 无人机特征点标识与虚实结合

培训过程中虚拟工具与真实场景的融合是达到理想培训效果的关键，虚实结合的过程涉及3个方面：三维注册、物体位姿、光照条纹。三维注册是通过实时跟踪摄像机姿态以定位虚拟图形位于真实场景中的注册位置。虚拟物体的位姿信息是在对比实物影像特征和虚拟模型特征的相似性，不断调取虚拟物体模型的“特征匹配”阶段完成的。

無人机巡线实操模拟器逼真的模仿真实的再现输电线路巡线操作场景，机巡人员可以使用遥控器来实现对虚拟无人机的操控，真实的模拟多旋翼无人机巡线作业，使工作人员能够熟悉多旋翼无人机操作、巡线技能，而且工作人员有机会进行反复的技能练习，使执行的任务能够被高效、准确地完成，取得AOPA证的学员在该系统训练合格后即可直接上手真实无人机巡线作业，大大减少了训练费用以及提高了无人机操作人员的动手能力。

无人机巡线实操模拟器应用，能够进一步再现多旋翼无人机巡线操纵的过程，使工作人员能够熟悉多旋翼无人机操作、巡线技能，极大地减少因经验不足导致的损失，而且工作人员有机会进行反复的技能练习，使执行的任务能够被高效、准确地完成。

3 无人机巡检技术发展前景

无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，同时与成像设备等部件结合能够拓展应用场景，被看做是“空中机器人”。在执行电力巡检工作时，有三步工作流程，无人机的主要功能是替代工作人员完成脏累差的信息采集工作。无人机可以围绕目标进行360°无死角全方位拍摄，快速、准确地传达给地面工作人员，供他们作分析、判断、制定解决方案，减少工作人员劳动强度，提高电力巡检工作效率和安全性。随着技术的成熟，无人机将成为输电网巡线更为有效的工具，广泛应用于精细巡检、定点巡检、范围巡检和其他巡检工作。无人机合理配置资源、提高电力巡检总效率的优势将不断显现，人力巡检和载人直升机巡检对无人机巡检的替代作用将变得越来越小。目前电网已基本实现“机巡为主+人巡为辅”的巡检模式。在自主巡检技术的不断成熟和大力推广下，无人机巡检技术将会被广泛应用到输电、配电以及变电站巡检中。

4 结束语

综上所述，随着无人机技术和载荷技术的进步，用户对无人机要求不断提高，无人机和功能载荷的集成度将向深度融合方向发展，最终实现传感器共通、信息共享、硬件共用、结构共形、功能互为备份等新功能。随着无人机在民用领域的深度应用，无人机的优势越发凸显，无人机产品的发展更为多样，且呈现系列化发展趋势，以满足用户在不同航程、不同空域、不同载荷能力间的个性需求。提高无人机载荷能力，可扩展无人机应用范围。以作业任务为出发点，研制多种载荷、多种任务的成熟无人机平台，可实现一机多用的目标。将来，无人机将作为辅助工具甚至主要作业工具投入民用领域，成为改革传统民用行业的重要科技力量。着力无人机系统网络协同适应性开发，将是无人机技术的发展方向。

参考文献

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