高紅旭 李陽 杜金昌

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，陜西 西安 710000）

一、項目背景

在新能源光伏發(fā)電過程中，熱斑檢測是必不可少的工作內(nèi)容，及時而又精確地進(jìn)行熱斑檢測，對科學(xué)利用太陽能進(jìn)行發(fā)電有重要意義。通常，光伏電站地處環(huán)境艱苦之地，如戈壁、沙漠和草原等，它是一個大規(guī)模的工程，占地廣、設(shè)備多，因此電池被阻礙遮擋照射的范圍和可能性也就相對更大。由于這些地區(qū)的云層較為稀薄，陽光照射力強(qiáng)，一旦產(chǎn)生熱斑故障，其電池之間的受光受熱差別較大，發(fā)電組件也相對會不穩(wěn)定。同時，這些地區(qū)直接可見樹葉等遮擋物相對較少，反而多沙塵或是其他其空氣物質(zhì)遮擋，肉眼難尋，只能通過掃描檢測。

傳統(tǒng)的熱斑檢測，主要是一個人力檢測工作過程，它通過人工或是升降機(jī)的支撐，將掃描儀高舉，然后再對熱斑進(jìn)行逐一檢測和排查。人工排查檢測就是一項復(fù)雜的工程，它會耗費(fèi)大量的人力時間，同時還不能保證安全，但是無人機(jī)紅外熱斑檢測技術(shù)的出現(xiàn)能解決這個問題。無人機(jī)紅外熱斑檢測，通過利用無人機(jī)承載紅外相機(jī)升至上空，并對熱斑進(jìn)行遙感檢測和拍攝，最后提供準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)與清晰的航拍圖像，能極大地幫助熱斑故障處理工作的進(jìn)行，保證熱斑處理的精準(zhǔn)性。同時，無人機(jī)紅外熱斑技術(shù)，在大范圍的檢測情況下，能直接在外圍進(jìn)行檢測，不用斷電或是影響繼續(xù)發(fā)電等工作，其檢測速度快、操作方便、受外物障礙影響小，大大解決了人力檢測困難、耗費(fèi)時間與不及時等問題，能在極大程度上提高工作效率并減少熱斑故障造成的損失[1]。

將無人機(jī)紅外熱斑檢測技術(shù)被使用于光伏電站的熱斑檢測工作中，它有著傳統(tǒng)熱斑檢測技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

（一）相比人工巡檢速度快，效率高。相比人工手持式紅外熱成像檢測度快，效率高（電站地形平坦，組件安裝離地較低情況下人工手持紅外熱成像儀測試1MW/2～3 小時；無人機(jī)測試1MW/7～8 鐘，無人機(jī)巡檢速度是人工的20～30 倍）

（二）無人機(jī)測試不受地形環(huán)境限制。對于農(nóng)光、漁光互補(bǔ)和屋頂電站人工無測試較為困難，無人機(jī)測試可以避免人工測試攀爬高作業(yè)的風(fēng)險。特別像水面電站等人工手持紅外熱成像儀無法測試。

二、系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)包含四大部分，分別為：巡檢無人機(jī)，差分GPS 地面站，數(shù)據(jù)處理器以及手持客戶終端。

（一）巡檢無人機(jī)：巡檢無人機(jī)是數(shù)據(jù)獲取的入口，在光伏面板上方按照指定線路飛行以獲取圖像以及定位信息。

（二）差分GPS 地面站：當(dāng)GPS 導(dǎo)航信號可用時，差分GPS 地面站為無人機(jī)提供厘米級定位服務(wù)，當(dāng)GPS 導(dǎo)航信號精度降低到一定門限值時，將通過與機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)融合的方式完成無人機(jī)高精度定位。

（三）數(shù)據(jù)處理器：數(shù)據(jù)處理器通過導(dǎo)入無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)，完成電站全景建圖、光伏面板識別跟蹤、損毀面板定位以及巡檢報告生成等核心內(nèi)容，后期將會在機(jī)載終端完成上述內(nèi)容。

（四）手持客戶終端：手持客戶終端將導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理器處理完成結(jié)果，實時引導(dǎo)工作人員至損壞光伏面板處并發(fā)出聲音告警。

三、工作流程

無人機(jī)主要工作在光伏電站，能夠按照預(yù)設(shè)路線進(jìn)行自動巡檢。自動記錄紅外視頻、位置和設(shè)備等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至圖像數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出分析結(jié)果，并將結(jié)果傳輸至手持終端。巡檢人員可使用手持終端查看巡檢結(jié)果及詳細(xì)信息，并通過導(dǎo)航迅速找到損壞點(diǎn)，節(jié)省巡檢時間[2]。

圖像數(shù)據(jù)處理器能夠?qū)ρ矙z數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲、查閱。系統(tǒng)能夠?qū)θ藛T賬戶登記進(jìn)行級別設(shè)定，保證信息安全。

（一）智能巡檢無人機(jī)的主要工作流程：

1.現(xiàn)場人員針對光伏子陣進(jìn)行區(qū)域劃分，將每個區(qū)域的邊界標(biāo)記清晰；

2.現(xiàn)場人員在地圖上選取合理的飛行目標(biāo)點(diǎn)，編輯整合完整的飛行航路、起始點(diǎn)和終止點(diǎn)；

3.檢測無人機(jī)完好性，并對無人機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)后在控制終端上點(diǎn)擊起飛按鍵；

4.開啟機(jī)載傳感器，包括紅外檢測設(shè)備、高精度定位設(shè)備、無線通信設(shè)備、高度檢測設(shè)備等；

5.啟動無人機(jī)路徑規(guī)劃模塊，按照預(yù)設(shè)路徑點(diǎn)進(jìn)行巡檢，再無人機(jī)到達(dá)終止點(diǎn)后自動降落完成本次飛行任務(wù)；

6.按照時間戳存儲光伏面板定位結(jié)果，將探測到的每個光伏板的經(jīng)緯度坐標(biāo)存儲到無人機(jī)系統(tǒng)上；

7.按照時間戳存儲紅外探測圖片，將不同角度拍攝的光伏板圖片按照邏輯編號存儲到無人機(jī)系統(tǒng)上；

（二）圖像數(shù)據(jù)處理器的主要工作流程：

1.按照時間戳對圖像和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，通過線性擬合將每張圖片和定位數(shù)據(jù)一一對應(yīng)；

2.將圖片內(nèi)光伏面板進(jìn)行分割，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和圖形圖像處理相結(jié)合的方式將圖片中每個光伏面板數(shù)據(jù)分割出來；

3.根據(jù)分割結(jié)果對所有光伏面板進(jìn)行編號，按照行號列號的模式進(jìn)行編號；

4.將一個光伏子陣的所有光伏板按照行號列號進(jìn)行排序，進(jìn)行圖像拼接后生成邏輯拓?fù)鋱D；

5.對每塊光伏面板進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，識別損壞的光伏板，并將損壞部位在圖片內(nèi)圈出，記錄光伏板的位置；

6.針對分析結(jié)果，生成巡檢報告，記錄損壞率、損壞位置、損壞圖片，并提供手動操作接口；

（三）手持引導(dǎo)終端的主要工作流程：

1.導(dǎo)入電站數(shù)據(jù)地圖，將圖像數(shù)據(jù)處理器的結(jié)果文件進(jìn)行導(dǎo)入，可在手持終端進(jìn)行可視化操作；

2.在動態(tài)地圖中標(biāo)注出所有損壞光伏面板的位置及邏輯編號；

3.生成最短引導(dǎo)路徑，根據(jù)手持終端的定位數(shù)據(jù)，引導(dǎo)用戶到達(dá)指定區(qū)域；

4.引導(dǎo)工作人員并發(fā)出聲音告警，可根據(jù)語音的模式進(jìn)行導(dǎo)航，并在到達(dá)指定地點(diǎn)后進(jìn)行聲音提示；

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

（一）適應(yīng)多種電站類型的巡檢

集中式光伏電站布設(shè)環(huán)境類型多樣，包括平地、丘陵、水面（含漂浮式）、農(nóng)光互補(bǔ)、牧光互補(bǔ)等；光伏面板組串支架高度、排列方式、間距、仰角、高差、地面附著物、漂流速度（水面漂浮式電站）各不相同；為實現(xiàn)最佳的光伏巡檢效果，對無人機(jī)拍攝方式及數(shù)據(jù)處理算法都提出了很高的要求。

本系統(tǒng)采用適應(yīng)各種形式的光伏電站布設(shè)環(huán)境及光伏面板架設(shè)方式的最優(yōu)巡檢技術(shù)方案：采用高精度RTK+GPS測量設(shè)備，進(jìn)行無人機(jī)航線的厘米級精度規(guī)劃，保證無人機(jī)精準(zhǔn)飛行，以實現(xiàn)對巡檢區(qū)域的安全、高效和全覆蓋觀測；根據(jù)光伏面板地面起伏情況，精確設(shè)定無人機(jī)作業(yè)飛行高度，保證無人機(jī)始終和光伏面板相對高度不變，以實現(xiàn)觀測的影像分辨率一致；根據(jù)光伏面板架設(shè)角度，精確設(shè)定觀測設(shè)備的角度，保證觀測設(shè)備始終垂直觀測光伏面板，以獲得光伏面板最大的識別效率；針對性的處理不同巡檢場景，采用不同類型圖像智能處理識別算法，保證圖像處理結(jié)果的正確性，以獲得準(zhǔn)確、實用的光伏面板故障診斷報告。航線規(guī)劃還綜合滿足了邊界巡邏、輸電線路巡檢等需求。

該方案具有作業(yè)效率高、故障識別準(zhǔn)確度高、巡檢過程可重復(fù)性、一致性強(qiáng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于各種不同類型的光伏電站巡檢業(yè)務(wù)。

（二）基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分割及目標(biāo)識別技術(shù)

無人機(jī)在飛行過程中使用紅外相機(jī)對光伏面板進(jìn)行拍巡檢取樣，由于光伏面板具有高度相似性，因此在高速狀態(tài)下如何對不同光伏面板進(jìn)行區(qū)分和檢測尤為重要。

為確保對每塊光伏面板進(jìn)行精確劃分和高效檢測，本項目首先采用多通道濾波等圖像處理方法，結(jié)合無人機(jī)飛行速度與位置，對光伏面板進(jìn)行精確劃分，即對無人機(jī)巡檢到的所有光伏板進(jìn)行一一編號并對單塊面板進(jìn)行分割，然后將編號后的單塊面板紅熱圖像傳輸至后端處理器，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別模塊對每塊光伏面板是否損毀進(jìn)行檢測。檢測完成后，后端處理器將檢測異常光伏面板的編號返回至客戶手持終端，結(jié)合無人機(jī)飛行定位結(jié)果，即可引導(dǎo)維修人員前往異常處進(jìn)行進(jìn)一步檢測維修。

（三）光伏電站全景地圖構(gòu)建技術(shù)（slam）

在光伏巡檢及運(yùn)維過程中，運(yùn)維人員往往需要光伏站整體地圖信息作為參考，對異常光伏面板方位及其他可能影響光伏站運(yùn)行因素進(jìn)行判斷，因此在巡檢完成后，對所巡檢區(qū)域進(jìn)行地圖構(gòu)建也尤為重要[3]。

為實現(xiàn)地圖構(gòu)建技術(shù)，首先通過對視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行幀抽取，將抽取幀的與高精度定位結(jié)果的時間序列進(jìn)行對齊，獲取了每一幀圖像的精確位置后，通過提取相鄰兩幀圖像的特征點(diǎn)，采用特征匹配與相對位置關(guān)系相結(jié)合的方式對圖像進(jìn)行拼接與融合處理，最終獲取巡檢范圍內(nèi)的光伏站地圖。

五、結(jié)論

基于無人機(jī)的自動化智能光伏巡檢系統(tǒng)，采用了無人機(jī)多傳感器融合定位、熱紅外圖像處理、圖像分析定位、視覺/慣導(dǎo)SLAM 避障、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷等先進(jìn)技術(shù)，在實踐中切實解決了用戶的難點(diǎn)與痛點(diǎn)，極大提升了用戶的巡檢效率，有效保障了光伏電站的正常運(yùn)行，得到了用戶的廣泛肯定。