输电线路无人机自动巡检的实现与应用
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作者:林仁雄
摘 要：目前输电线路通道、树障、精细化、特殊巡视等巡视任务基本运用多旋翼无人机进行远程操作，实现快速巡视多基杆塔，人机协同作业提高电网运维效率。人工操作无人机巡检之前，培训一个飞手需要3～12个月才能上岗，从新手到技术娴熟又要有几个月的适应过程，培训的成本过高还不能保证飞行技术稳定。新兴的自动驾驶系统运用于输电线路运检如鱼得水，由于输电线路不像公路上汽车车况那样复杂，线路铁塔都是处于静止状态，更容易实现自动驾驶，而且输电线路运用无人机自动驾驶系统后，照片精确度更高，消除了人工拍照的各种误差，运维效率提高显著。
关键词：输电线路 自动驾驶 无人机
中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（c）-0035-02
无人机自动驾驶是指通过对规定区域运用激光雷达扫描后，生成的三维点云模型，点云中的每个点都有它唯一的三维坐标，自动驾驶系统就利用各个点的三维坐标规划运动轨迹，从而实现让无人机自动驾驶、拍照等功能。但自动驾驶技术需要各种严苛的条件，下面该文就输电线路实现自动驾驶该具备哪些条件做一简单分析。
1 输电巡检存在的问题
现在城乡各处的电力网是保障电力传输的基础设施。我国电网建设规模已跃居世界首位，在我国多变的气候条件与复杂的地形地貌的情况下，保障中国超大规模的网络运行是一个艰巨的任务。
目前，电网巡检主要是人巡+机巡模式，人工巡检人力成本过高，对巡检工人来说，危险系数也较高。巡检人员需要携带专业设备深入高山峡谷，甚至深山老林，爬上几十米高的铁塔，开展电网巡检工作，碰上恶劣天气，依然要坚持在巡检一线，在巡检过程中，一旦发生高空坠落或触电等意外事故，后果不堪设想。机巡模式改变了以往人工巡检的费时费力，但是飞手的培养需要时间与成本，加上每个飞手的操作技术问题，“炸机率”也一直居高不下。而且每个飞手的拍照距离、拍照角度与每基塔的拍照位置等人工误差问题，也使得机巡模式成本过高。
巡检班组人员通过使用无人机提高巡检效率，但是新的工作方式也带来了新的挑战。巡检人员需要长时间控制无人机飞行，这对于基层班组人员的无人机操作技能要求可不低。“炸机”“撞塔”等事故的发生也随着机巡业务的扩大而与日俱增。同一条线路在两个技术熟练度不同的飞手飞过以后也可能产生迥异的巡视结论。行业迫切需要更加智能、更加安全、更加可控的巡检作业方式。降低无人机操作门槛，降低人员经验对于巡检工作的影响，进一步提升机巡作业效率，是各个供电人不断追求的目标。
2 输电巡检实现无人机自动驾驶的条件
2.1 线路点云数据采集设备
线路点云数据是指通过运用激光雷达仪器扫描输电线路，以点的形式记录扫描后的信息。每一个点包含有三维坐标，有些可能含有颜色信息。通过这些点组成的点云模型，可以准确地记录线路上每个点的位置信息。可能由于天气或设备本身的原因造成采集点云误差，需要后期运用点云编辑器与设备定位共同校准误差，才能为后续的自动驾驶提供数据的安全保障。
自动驾驶与激光点云形影不离，只有拥有精确的点云模型，才能保证自动驾驶的可操作性。如果运用激光雷达扫描出来的点云有偏差，但是飞行人员没有通过运用无人机定位系统校准点云误差，而直接自动飞行，很有可能出现飞机撞铁塔或导线的情况。所以在飞行前，需要工作人员利用飞行系统里的定位坐标与点云系统坐标对照，误差控制5cm内，说明该点云模型是准确的，可以运用自动驾驶飞行。
2.2 带有RTK定位系统的无人机
随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。而目前输电线路巡检运用RTK技术中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离。GPS误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此对于固定基站RTK，不仅仅是设置基站较为麻烦，而且传统的单机RTK的作业距离都非常有限（﹤500m）。输电线路为了实现自动驾驶，主要是运用网络RTK，在网络RTK技术中，用多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型，并为网络覆盖地区的用户提供校正数据。网络RTK技术突破了传统的距离限制与延时误差，能够更好地运用到线路自动巡检中。
2.3 线路自动驾驶航线规划
线路点云模型创建完成后，需要在点云模型的基础上规划自动驾驶的飞行航线，航线规划需要规避输电线路，防止航线与线路导线或铁塔等线路设备相交叉，如果规划航线与设备点云相交叉，实际飞行过程无人机肯定会与设备的交叉点处相撞，导致无人机损毁。由于线路本身带电运行，对飞行设备接收的GPS信号或遥控信号都会产生一定的干扰，所以航线规划也不能距离线路设备过近，一般设置无人机与线路设备拍照距离在3m以上为最佳拍照距离，该距离可以看清線路绝缘子插销，满足线路精细化巡视的要求。
3 无人机自动驾驶在输电线路中的应用
3.1 线路通道、树障、精细化巡视
传统线路通道、树障、精细化巡视需要飞手有娴熟的技术，并且对线路的结构相当熟悉，飞行过程中不能出现任何差错，拍照距离与拍照角度也要满足作业要求，对人为因素要求较为严格。相比以往人工操作，自动驾驶技术不仅可减少对操作人员技能水平的依赖，同时在数据采集方面更具规范性。基于雷达高精度定位和大数据积累形成的无人机自动驾驶技术体系，实现多旋翼无人机一键起飞。在事先制作的高精度线行三维地图上规划好航线，应用厘米级实时定位技术，自动飞到指定位置，在飞行设备到达控制点后进行自动拍照保存，并且在完成作业任务后自动返回，实现站到站的无人机巡检作业新模式。机巡作业已成为当前电网运维的重要手段之一，可大大提升工作效率。由传统人巡的4km/人日，提升到至14.51km/人日，效率提升了3.6倍。
3.2 线路故障夜间特巡与勘灾
对于线路跳闸特巡，如果在晚上无法使用无人机去查找故障，人工查找又费时费力，而且也很难查到故障问题的根源。利用自动驾驶夜视无人机，不用担心因为看不见导线或铁塔，而使无人机撞到线路设备，可以实现一键起飞，让无人机快速到达指点控制点拍照，不会受到夜间的环境限制而实现快速查找故障。利用无人机自动巡检可实现高效、快速电网巡查及勘灾，为整体应急抢修部署提供关键数据支撑。
3.3 线路设备隐患台账的建立与更新
通过自动驾驶航线规划，利用各个控制点的不同角度对线路设备拍照，再将所有精确角度拍照所得的照片利用软件合成线路全景图，可运用在线路交叉跨越安全距离的测量、违章建筑与施工的安全距离测量及多工况下的线路状态检测等。建立实时动态的线路隐患设备台账，可以实时掌控线路危险隐患，保障线路的安全运行。重点对跨越高速公路、铁路、重要通道等的“三跨”区段进行自动飞行拍摄，旨在及时发现安全隐患，提高设备安全运行水平，掌握输电设备动态状况，实现智能运检。
4 结语
近年来，随着输电线路电压等级不断升高，特高压杆塔的高度和结构愈加复杂，线路里程呈“井喷”式增长，为了缓解输电线路运维压力，提高线路巡检质量和效率，保证电网安全稳定，越来越多的供电公司开始应用无人机进行线路巡检。无人机自动巡检不仅有助于提高巡检质量和效率，而且能够降低输电线路运行维护成本、保障巡检人员的人身安全，是输电线路巡检运维的智能化发展方向。无人机全自主智能巡检，带来输电线路巡检模式新变革，无人机全自主巡检将大大减少人员劳动强度，实现线路巡检标准化规范化，提高输电线路运维质量效率。“无人机全自主飞行”“AI自动规划航线”“缺陷自动识别”“图片自动命名”等新一代技术的攻克，将翻开电网巡检的新篇章。
参考文献
[1] 田力.输电线路杆塔无人机自动精细巡检系统研究[J].电力与能源，2019（2）：130-134.
[2] 麦俊佳，郭圣，徐振磊，等.输电线路多旋翼无人机自动驾驶智能巡检系统[J].计算机系统应用，2019，28（4）：105-110.
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