鄭子杰

（華南理工大學(xué)，廣州 510641）

1 微型全保護(hù)無人機(jī)電纜隧道巡檢應(yīng)用系統(tǒng)的研究意義

目前無人機(jī)行業(yè)國際上都在加大科研力度，進(jìn)行無人機(jī)共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。國內(nèi)已有類似管道無人機(jī)的產(chǎn)品，但主要用在煤氣等管道中，僅僅起到檢查管道的作用，同時由于牽引力相當(dāng)有限，不具備越障能力，不適合用于隧道電纜的復(fù)雜環(huán)境和相關(guān)檢測。

目前智能電纜隧道巡檢無人機(jī)的研究在國內(nèi)處于起步階段，根據(jù)國內(nèi)應(yīng)用情況，可以歸類為隧道巡檢無人機(jī)方向。隧道巡檢無人機(jī)研究主要集中在國內(nèi)高校和研究所內(nèi)。

2 微型全保護(hù)無人機(jī)電纜隧道巡檢應(yīng)用系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)

本項(xiàng)目推廣之后，配網(wǎng)隧道巡檢無人機(jī)可以直接快速的擔(dān)當(dāng)起它的責(zé)任。隧道巡檢無人機(jī)通過攜帶相應(yīng)的傳感器，可以對地下配網(wǎng)管道的諸多測試項(xiàng)目進(jìn)行測試。它通過管道鋪設(shè)的有線網(wǎng)絡(luò)鏈路可以將地下配線管道的實(shí)時情況傳回遠(yuǎn)方電網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控中心。而監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)問題之后，可以第一時間知道故障發(fā)生地點(diǎn)以及相關(guān)情況，從而在最短的時間內(nèi)做出應(yīng)對措施，挽救電網(wǎng)的直接經(jīng)濟(jì)利益。同時，間接的說，配網(wǎng)管道隧道巡檢無人機(jī)可以在事故發(fā)生后最大限度的保障社會的經(jīng)濟(jì)利益。成果推廣后可產(chǎn)生如下效益：

（1）完成城市配電電纜管道工程中智能隧道巡檢無人機(jī)大集控系統(tǒng)，將移動巡檢、環(huán)境實(shí)時監(jiān)測、設(shè)備在線監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警與響應(yīng)、數(shù)據(jù)深度分析挖掘集成于一身，多位一體，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)隧道巡檢的缺陷，人工巡檢費(fèi)時費(fèi)力、可靠程度低，存在較大的安全風(fēng)險等缺陷；固定死角監(jiān)控時死角多，靈活性低，被動監(jiān)控等缺陷。

（2）彌補(bǔ)了隧道事故與應(yīng)急領(lǐng)域的空白，能夠?qū)﹄娎|隧道自然性火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警，能夠?qū)Ω邏悍e水電纜隧道進(jìn)行有效監(jiān)測，對可燃性氣體泄漏、線路腐蝕進(jìn)行有效預(yù)警。

（3）巡檢結(jié)果的實(shí)時性、全面性反饋，巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及事故位置、原因以及事故隱患的清晰定位和判斷，使所有設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)可據(jù)可查，事故原因與過程可追溯。

3 微型全保護(hù)無人機(jī)電纜隧道巡檢應(yīng)用系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

隧道電纜巡檢無人機(jī)進(jìn)行地下作業(yè)，復(fù)雜的地下環(huán)境會給巡檢過程帶來難度，由此可見，良好的飛行性能和障礙檢測能力是隧道巡檢無人機(jī)必不可少的配備。為了適應(yīng)狹窄的作業(yè)空間（如圖1所示），隧道隧道巡檢無人機(jī)必須小型化、模塊化，適應(yīng)快速拆裝或者部件替換。隧道巡檢無人機(jī)在應(yīng)用過程中配備紅外成像設(shè)備以及搭建可控云臺則更有利于幫助電纜維護(hù)人員掌握電纜運(yùn)行狀況。

該隧道巡檢無人機(jī)為滿足電纜隧道巡檢要求而設(shè)計。在機(jī)械上，具有飛行平穩(wěn)，靈活的特點(diǎn)。其主要機(jī)械參數(shù)如下表：

性能 參數(shù) 性能 參數(shù)軸距 250mm 飛行速度 0～5 m/s最大飛行距離 4km 重量 1kg機(jī)身尺寸(mm) 300 ×80 ×300

圖1 隧道空間示意圖

4 隧道巡檢的實(shí)現(xiàn)

4.1 移動視頻巡檢

智能無人機(jī)巡檢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不間斷地對隧道進(jìn)行自主往返巡檢、異常點(diǎn)自主定位復(fù)檢、手動控制復(fù)檢、手動災(zāi)害處理等功能。并實(shí)現(xiàn)對隧道狀態(tài)的連續(xù)、動態(tài)的數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)存儲。

智能隧道巡檢無人機(jī)通過雙視云臺搭載可見光高清相機(jī)與紅外熱成像儀，針對隧道內(nèi)的各類電力設(shè)備以及環(huán)境進(jìn)行24小時實(shí)時的可見光監(jiān)控與紅外熱成像視頻監(jiān)控。云臺安裝在智能隧道巡檢無人機(jī)底部，云臺內(nèi)可搭載可見光相機(jī)、紅外熱成像相機(jī)（可選）和補(bǔ)光設(shè)備。

云臺水平方向具備360°轉(zhuǎn)動能力，垂直方向具備±90°轉(zhuǎn)動能力，同時配合相機(jī)變焦，可有效保證對智能隧道巡檢無人機(jī)30米內(nèi)各方向現(xiàn)場細(xì)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)控；同時云臺自帶減震裝置，配合一體化防抖相機(jī)機(jī)芯，在智能隧道巡檢無人機(jī)運(yùn)行過程中可減小振動，大大提高視頻觀測穩(wěn)定度和可觀測性。

4.2 隧道環(huán)境監(jiān)測

隧道內(nèi)部空氣不流通、溫度較高、潮濕、易積水，且容易出現(xiàn)O2含量低，而H2S、CO、CH4等氣體含量高的人生和設(shè)備安全隱患。智能隧道巡檢無人機(jī)搭載了多種氣體傳感器與溫濕度傳感器，以移動的方式，在隧道內(nèi)進(jìn)行長期頻繁密集的采集。

在隧道巡檢無人機(jī)常規(guī)巡檢任務(wù)下，每隔10米采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，并實(shí)時將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至終端管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、深度挖掘與趨勢分析預(yù)警。同時對于環(huán)境數(shù)據(jù)異常及趨勢異常情況，無人機(jī)與終端平臺將實(shí)時發(fā)出報警信息，提醒管理人員進(jìn)行關(guān)注與處置。

4.3 無人機(jī)全方位保護(hù)罩的實(shí)現(xiàn)

隧道巡檢無人機(jī)采用全方位的保護(hù)罩?？紤]到重量的限制和機(jī)械強(qiáng)度的要求，保護(hù)罩使用密度小強(qiáng)度高的碳纖維棒作為材料。

隧道巡檢無人機(jī)的保護(hù)罩參考蜂巢結(jié)構(gòu)設(shè)計，廣泛使用衍架式結(jié)構(gòu)。通過對保護(hù)罩3D模型的構(gòu)建與力學(xué)受力分析、有限元分析，反復(fù)比較確定模型的最優(yōu)解方案。

在保護(hù)罩設(shè)計出來之后，經(jīng)過加工生產(chǎn)安裝，保護(hù)罩被裝載隧道巡檢無人機(jī)上。通過各種碰撞測試，跌落測試，保證設(shè)計的保護(hù)罩性能達(dá)到設(shè)計的要求。

4.4 無線通信鏈路進(jìn)行覆蓋方案

由于隧道建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，隧道內(nèi)空間有限，目前，常用的隧道無線覆蓋技術(shù)有三種不同的方式：采用漏泄電纜天饋系統(tǒng)的覆蓋方案。漏泄電纜是一種特殊的天線，它通過本身獨(dú)有的孔輻射電磁波信號，具有信號輻射均勻，無盲區(qū)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于隧道隧道巡檢無人機(jī)所需通訊帶寬高（需傳輸視頻圖像信息），漏泄電纜能滿足該帶寬的漏泄電纜造價高昂，且傳輸帶寬越大，線纜直徑越大，最大漏纜直徑可達(dá)50mm，在電纜隧道鋪設(shè)施工難，實(shí)用性較低。

采用基于基帶部分和射頻部分分離的BBU+RRU構(gòu)架的Node B標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)方式與大功率天線結(jié)合的方案。這種方案是對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的延伸，設(shè)計靈活，安裝方便，成本低，但存在信號切換延時，不穩(wěn)定，且信號帶寬不足等因素。

采用wifi網(wǎng)絡(luò)多無線接入點(diǎn)AP無線覆蓋方案。該方案在隧道內(nèi)安裝多個AP，通過光纖與隧道口無線控制器（AC）相連，AC再與監(jiān)控后端的控制器連接。該方案通過光纜傳輸降低了電磁干擾，減少了底部噪聲，可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)信號的高帶寬穩(wěn)定、無盲區(qū)傳輸。

4.5 紅外熱成像圖像識別智能巡檢方案

隧道巡檢無人機(jī)借助搭載的紅外熱成像儀，對隧道內(nèi)電纜、電纜接頭、接地箱、風(fēng)機(jī)等設(shè)施設(shè)備進(jìn)行成像，結(jié)合測溫數(shù)據(jù)與圖像分析技術(shù)，可以從熱成像圖中得出設(shè)備設(shè)施的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有超溫現(xiàn)象，即可進(jìn)行報警。通過自動化的報警功能，工作人員不必24小時不間斷監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施，只需要在有報警的時候關(guān)注和處理報警問題。

常規(guī)紅外熱成像測溫分為移動式測溫與特定點(diǎn)測溫兩種模式。在移動式測溫模式下，隧道巡檢無人機(jī)將在保持常規(guī)行駛速度的條件下，對整個視場內(nèi)的全部致熱性設(shè)備進(jìn)行逐一的溫度值提取與實(shí)時分析，并實(shí)時將溫度數(shù)據(jù)與分析傳輸至管理平臺進(jìn)行存儲與匯總分析。對于檢測到的設(shè)備溫度異常數(shù)據(jù)，隧道巡檢無人機(jī)將即時發(fā)出預(yù)警或報警。

對于部分重點(diǎn)監(jiān)視設(shè)備或單次指定監(jiān)視設(shè)備，無人機(jī)將執(zhí)行特定點(diǎn)測溫任務(wù)。隧道巡檢無人機(jī)行駛至設(shè)備附近，對該設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，同時采集該設(shè)備的可見光視頻與紅外溫度圖像，并做出溫度狀態(tài)分析，對于設(shè)備異常將即時予以報警。

5 結(jié)束語

巡檢是確保地下隧道電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要手段。目前地鐵隧道的巡檢和安全防護(hù)主要以人工靜態(tài)檢查為主，少量動態(tài)檢測車為輔的形式完成。前者工作環(huán)境較為艱苦，速度慢、效率低、占用線路時間長，同時，有些問題靠人工無法快速識別判斷。

配網(wǎng)管道隧道巡檢無人機(jī)通過攜帶相應(yīng)的傳感器，配網(wǎng)管道隧道巡檢無人機(jī)可以對地下配網(wǎng)管道的諸多測試項(xiàng)目進(jìn)行測試。例如：積水深度，淤泥量，管內(nèi)沼氣濃度，線路溫度，電纜接頭處是否存在放電，是否存在偷排污水，偷排油煙等情況。配網(wǎng)管道隧道巡檢無人機(jī)通過管道鋪設(shè)的有線網(wǎng)絡(luò)鏈路可以將地下配線管道的實(shí)時情況傳回遠(yuǎn)方電網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控中心。