汪大全

（華電電力科學(xué)研究院有限公司 浙江省杭州市 310030）

1 引言

大壩邊坡多數(shù)位于陡峭、植被覆蓋多的無人地界，且電廠相關(guān)運(yùn)行人員無法抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視檢查，對(duì)于復(fù)雜的地形地貌而言，傳統(tǒng)的巡視檢查及監(jiān)測(cè)方式因其操作難度大，精度低，測(cè)量成果單一、成本大、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)已不再適用或無法滿足電站運(yùn)行需求。無人值守?zé)o人機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”）智能巡視檢查系統(tǒng)在邊坡巡視檢查的應(yīng)用，可大大提高巡視檢查效率、巡視檢查質(zhì)量、巡視檢查精度及巡視檢查實(shí)時(shí)性，且無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、視野廣闊、智能化程度高，應(yīng)用不受地理?xiàng)l件限制，可根據(jù)水電站大壩邊坡的復(fù)雜程度、陡峭、范圍廣、多植被覆蓋、監(jiān)測(cè)難度大等特點(diǎn)定制特定巡視檢查路線。借此，筆者對(duì)傳統(tǒng)的人工巡視檢查和無人機(jī)在大壩高邊坡巡視檢查相對(duì)比，并展開相關(guān)的研究。

2 傳統(tǒng)的人工巡視檢查存在的問題[1]

水電站邊坡一般規(guī)模大、范圍廣，傳統(tǒng)的人工巡視檢查周期長，人員多，巡視檢查難度極大，巡視檢查效果有限，且存在較大的安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 傳統(tǒng)的人工巡視檢查存在安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)

水利工程的修建將條件復(fù)雜的原始地質(zhì)的結(jié)構(gòu)破壞，壩體變形及滲流都會(huì)對(duì)兩岸邊坡產(chǎn)生影響。在山區(qū)或峽谷開挖量較大的邊坡地帶易出現(xiàn)張開、錯(cuò)動(dòng)、崩塌、滑坡、滲水等等，在不利條件的影響下，傳統(tǒng)的人工巡視檢查需徒步進(jìn)入待巡視檢查的工作區(qū)域，工作及其艱難，甚至冒著生命危險(xiǎn)來完成巡視檢查任務(wù)，其危險(xiǎn)性不言而喻。

2.2 邊坡巡視檢查存在盲區(qū)

復(fù)雜的特殊區(qū)域如高邊坡、樹木茂密地方等巡視檢查人員無法到達(dá)，常規(guī)巡視檢查已無法滿足現(xiàn)階段工作要求。

2.3 邊坡巡視檢查缺乏相關(guān)資料文檔，不便判斷大壩的運(yùn)行性態(tài)和日常管理

常規(guī)巡視檢查方法得到的相關(guān)資料文檔，只能通過相關(guān)有效的處理的才可生成邊坡模型圖像。邊坡安全性分析僅從數(shù)據(jù)上來進(jìn)行判斷，缺乏與影像數(shù)據(jù)媲美的直觀性，無法真正掌握邊坡的實(shí)際運(yùn)行性態(tài)。

2.4 坡巡視檢查結(jié)果缺乏專門的數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存和系統(tǒng)管理

現(xiàn)階段各電廠巡視檢查的結(jié)果一般按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求采用人工記錄，形成書面報(bào)告或電子文檔的形式進(jìn)行儲(chǔ)存和管理，常規(guī)的存儲(chǔ)管理模式比較落后，無法滿足電廠精細(xì)化、無人管理的要求，而且增加相關(guān)專業(yè)人員的工作量，缺乏專門的數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存和系統(tǒng)管理，現(xiàn)各電廠都在建設(shè)大壩安全管理系統(tǒng)，有效的解決此問題。

3 無人機(jī)在大壩高邊坡應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

3.1 提升巡視檢查的效率和及時(shí)性

相比傳統(tǒng)的人工巡視檢查，無人值守?zé)o人機(jī)巡視檢查靈活性性強(qiáng)、范圍廣、智能化程度高，且應(yīng)用不受地形地貌條件限制，可以按照指定路線（需要巡視檢查的薄弱部位和存在安全隱患部位邊坡）及指定部位（已發(fā)現(xiàn)的存在缺陷隱患部位邊坡）開展巡視檢查，可實(shí)現(xiàn)高空定點(diǎn)監(jiān)測(cè)功能，自主作業(yè)、自主收藏、自主充電等智能化功能，且無人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均可以通過機(jī)載設(shè)備通過4G/5G、Wi-Fi 等傳送至服務(wù)器或公有云，大幅提高巡視檢查的效率和及時(shí)性。

3.2 降低巡視檢查的成本[2]-[3]

無人機(jī)巡視檢查具有速度快、覆蓋面廣，且不受地形地貌影響等特點(diǎn)，可按照指定的路線到達(dá)巡視檢查人員無法到達(dá)的高邊坡，從而提高巡視檢查效率，節(jié)省大量時(shí)間和人工成本，大大降低大壩邊坡巡視檢查的成本。此外，無人機(jī)機(jī)動(dòng)性能好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可以快速抵達(dá)存在風(fēng)險(xiǎn)隱患的大壩邊坡，以圖像或視頻的方式自動(dòng)把存在風(fēng)險(xiǎn)隱患的邊坡具體情況及時(shí)反饋給用戶，同時(shí)通過圖像識(shí)別和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊坡實(shí)時(shí)報(bào)警預(yù)警。

3.3 搭載豐富，具備多樣化巡視檢查模式[4]

無人機(jī)智能巡視檢查系統(tǒng)可搭載可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀等多種任務(wù)載荷，對(duì)存在風(fēng)險(xiǎn)隱患或地質(zhì)災(zāi)害缺陷的邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可完成常規(guī)巡視檢查、定點(diǎn)監(jiān)測(cè)兩種監(jiān)測(cè)飛行，并支持單艙飛行和多艙接力飛行兩種操控模式，應(yīng)用于樞紐區(qū)邊坡巡視檢查和日常監(jiān)測(cè)。

3.4 經(jīng)圖像識(shí)別快速定位缺陷的位置

使用無人機(jī)開展大壩高邊坡巡視檢查工作時(shí)，可將高清攝像頭等設(shè)備搭載到無人機(jī)上，通過智能巡視檢查、存在缺陷或隱患圖像智能學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別，快速識(shí)別定位高邊坡存在的缺陷和位置，從而為高邊坡的維護(hù)提供可靠的依據(jù)。

4 無人機(jī)在高邊坡的應(yīng)用

4.1 無人機(jī)組成

無人機(jī)智能巡視檢查系統(tǒng)由各類軟件系統(tǒng)、無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)、無人機(jī)等部分組成。按照功能分層主要有六大層次架構(gòu)，主要架構(gòu)功能如圖1 所示。

圖1：系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

硬件層：主機(jī)載無人機(jī)；大壩及兩岸邊坡周邊氣象環(huán)境量監(jiān)測(cè)設(shè)施；承載各類系統(tǒng)運(yùn)行的PC 服務(wù)器和輔助無人機(jī)機(jī)場(chǎng)UPS 后備電源硬件等。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持要求，無人機(jī)需要通過4G/5G、無線Wi-Fi 等網(wǎng)絡(luò)獲取網(wǎng)絡(luò)RTK 服務(wù)，無人機(jī)場(chǎng)的Wi-Fi、內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)連接等。

軟件層：支持無人機(jī)智能巡視檢查的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維模型處理和對(duì)采集的巡視檢查圖像視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別的軟件等，目前華電集團(tuán)統(tǒng)一使用的大壩安全管理系統(tǒng)，將無人值守?zé)o人機(jī)在大壩邊坡智能巡視檢查嵌入大壩安全管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和使用。

數(shù)據(jù)層：無人機(jī)自動(dòng)巡視檢查過程采集的數(shù)據(jù)，主要包含可見光拍照?qǐng)D片、邊坡現(xiàn)場(chǎng)拍攝的視頻和氣象設(shè)備采集風(fēng)向、風(fēng)速等脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用場(chǎng)景：適用于無人機(jī)智能巡視檢查、對(duì)邊坡的三維數(shù)據(jù)建模、對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)缺陷的智能化識(shí)別等。

系統(tǒng)功能構(gòu)架圖見圖1 所示。

4.2 巡視檢查路線、部位

巡視檢查內(nèi)容可根據(jù)大壩巡視檢查的要求，結(jié)合大壩實(shí)際情況制定，每次巡視檢查的路線、內(nèi)容及周期可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置和選擇，根據(jù)需要進(jìn)行定期和不定期的影像資料的自動(dòng)采集，也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)的選擇和實(shí)施。巡視檢查部位主要包括：大壩壩頂、廊道、壩體上游立面、壩體下游立面、近壩岸坡、近壩庫區(qū)庫面、近壩庫區(qū)庫岸和壩后尾水河道。

4.3 巡視檢查內(nèi)容[6]

邊坡巡視檢查包括以下幾方面：

4.3.1 樞紐區(qū)邊坡巡視檢查內(nèi)容

（1）土質(zhì)邊坡表面裂縫、沉陷、滲水、獸洞、蟻穴以及相關(guān)部；

（2）土石邊披交界處錯(cuò)動(dòng)、錯(cuò)距等；

（3）巖質(zhì)邊坡危巖、風(fēng)化破碎巖體、穩(wěn)定性較差強(qiáng)卸荷巖體等；

（4）主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)破損、錨固結(jié)構(gòu)松動(dòng)變形等；

（5）披腳重力式支擋結(jié)構(gòu)開裂、沉陷、錯(cuò)動(dòng)、斷裂等；

（6）噴射混凝土層或貼坡混凝土裂縫、隆起、錨桿松動(dòng)、混凝土剝蝕、掛網(wǎng)鋼筋裸露等；

（7）預(yù)應(yīng)力混凝土外錨頭及混凝土格構(gòu)裂縫、變形、斷裂、松動(dòng)等；

（8）樞紐區(qū)沖溝混凝土或漿砌石引排、攔擋結(jié)構(gòu)裂縫、沉陷、錯(cuò)動(dòng)、斷裂、破損等；

（9）邊披洞室（排水、灌漿等）混凝土襯砌剝落、裂縫、錯(cuò)動(dòng)、露筋等；

（10）邊披洞室圍巖崩塌、掉塊等；

（11）邊披洞室徘水溝淤積、排水孔堵塞等；

（12）樞紐區(qū)沖溝引排、攔擋結(jié)構(gòu)淤堵等；

（13）其他異常情況。

4.3.2 近壩庫岸

（1）庫岸再造、滑坡、泥石流、植被情況；

（2）庫岸滑披體、變形體、崩塌堆積體的部位、規(guī)模，地表開裂、錯(cuò)動(dòng)、滑移、崩塌、隆起、塌陷、異常滲水情況；

（3）地面房屋、道路等建筑物開裂、破壞情況，樹木推移、倒塌等情況；

（4）庫岸滑坡體、變形體、崩塌堆積體的支擋結(jié)構(gòu)的變形情況；

（5）排水洞、排水孔出水情況；截水構(gòu)、排水溝的破壞和淤堵情況；

（6）其他異常情況。

邊坡巡視檢查內(nèi)容表見表1 所示。

表1：邊坡巡視檢查內(nèi)容表

4.4 無人機(jī)智能巡視檢查的關(guān)鍵技術(shù)[7]-[8]

無人機(jī)智能巡視檢查的關(guān)鍵技術(shù)主要包括無人機(jī)按照指定路線（需要巡視檢查的邊坡）及指定部位（已發(fā)現(xiàn)的缺陷隱患點(diǎn)）開展巡視檢查，并將巡視檢查的結(jié)果定性分析、定量分析和智能診斷分析。

4.4.1 關(guān)鍵技術(shù)路線

技術(shù)主要包括：像控點(diǎn)布置、航線規(guī)劃、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、圖像智能識(shí)別和處理、邊坡巡視檢查結(jié)果的評(píng)估與巡視檢查管理系統(tǒng)的開發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)為圖像智能識(shí)別和處理。

技術(shù)路線圖見圖2 所示。

圖2：技術(shù)路線圖

4.4.2 無人機(jī)檢結(jié)果的定性分析和定量分析

無人機(jī)檢結(jié)果的定性分析和定量分析主要指：

定性分析，主要是通過圖像識(shí)別技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡新出現(xiàn)的塌方、滑坡、裂縫、落石等缺陷和隱患，并對(duì)缺陷和隱患點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。

定量分析，主要對(duì)重要部位和已發(fā)現(xiàn)的缺陷隱患點(diǎn)開展精細(xì)化的巡視檢查分析，評(píng)判重要部位安全狀態(tài)、已發(fā)現(xiàn)缺陷發(fā)展變化情況，如裂縫寬度、位移變化量、塌陷滑坡面積、植被倒伏面積、滲水情況等。

4.4.3 圖像識(shí)別及診斷分析

對(duì)已發(fā)現(xiàn)大壩邊坡缺陷的圖像視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行大量訓(xùn)練，或無人機(jī)自動(dòng)學(xué)習(xí)更深層次的特征，然后進(jìn)行檢測(cè)分類，在數(shù)據(jù)量充足且特征合適的情況下，提取和識(shí)別的準(zhǔn)確率才能達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)于缺陷樣本數(shù)據(jù)的采樣是一個(gè)積累的過程，需要大量的數(shù)據(jù)樣本完成整個(gè)智能識(shí)別的能力，從而建立缺陷狀態(tài)識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)大壩邊坡異常狀態(tài)智能識(shí)別與準(zhǔn)確定位。開展大壩邊坡巡視檢查數(shù)據(jù)中圖像智能識(shí)別研究工作，不斷積累缺陷隱患圖庫，選取智能圖像識(shí)別算法對(duì)大壩邊坡缺陷隱患進(jìn)行初步識(shí)別驗(yàn)證。數(shù)據(jù)是模型訓(xùn)練的基礎(chǔ)，高質(zhì)量大規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫的建立是深度學(xué)習(xí)模型不斷進(jìn)行優(yōu)化的關(guān)鍵。

4.5 邊坡缺陷隱患預(yù)警模告警研究

研究針對(duì)多植被高邊坡的塌方、滑坡、掉石等不同缺陷預(yù)警參數(shù)及閾值進(jìn)行研究，實(shí)時(shí)對(duì)缺陷發(fā)展變化情況進(jìn)行歷史比對(duì)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，根據(jù)比對(duì)和預(yù)測(cè)分析情況開展預(yù)警報(bào)警研究。

4.6 無人機(jī)應(yīng)用

無人機(jī)智能巡視檢查系統(tǒng)通過控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全自動(dòng)、智能化超視距巡視檢查的作業(yè)能力，從而達(dá)到對(duì)大壩邊坡的不間斷自動(dòng)巡視檢查。按照指定路線（需要巡視檢查的邊坡）及指定部位（已發(fā)現(xiàn)的缺陷隱患點(diǎn)）開展巡視檢查，圖像和視頻實(shí)時(shí)回傳到客戶端。PC 服務(wù)器在后端對(duì)拍攝照片和視頻進(jìn)行處理，并結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)和AI 人工智能技術(shù)自動(dòng)識(shí)別邊坡的隱患缺陷等問題。

無人機(jī)智能巡視檢查系統(tǒng)流程圖見圖3 所示。

圖3：無人機(jī)智能巡視檢查系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)語

水電站大壩邊坡安全狀態(tài)直接關(guān)系到大壩的安全，邊坡的失穩(wěn)或滑坡將造成嚴(yán)重的后果，筆者通過本文的剖析，探索和研究無人機(jī)在大壩邊坡智能巡視檢查中的應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，為大壩安全運(yùn)行提供預(yù)防性，為發(fā)電企業(yè)設(shè)備和人員的安全提供有力的保障。大壩邊坡的智能巡視檢查及預(yù)警報(bào)警技術(shù)的研究將給金屬礦山、公路鐵路的高邊坡巡視檢查和預(yù)警報(bào)警帶來很好的參考價(jià)值。本研究未對(duì)無人值守?zé)o人機(jī)在大壩邊坡智能巡視檢查的圖像識(shí)別，智能人工AI 學(xué)習(xí)等方面進(jìn)行研究，期望在后期的研究中加強(qiáng)對(duì)此方面的研究。