張楚謙， 郭景武， 王星超， 夏立偉， 吳嘉琪

（國網(wǎng)湖北超高壓公司輸電檢修中心，湖北武漢 430050）

0 引言

近年來，我國整體電網(wǎng)建設(shè)速度加快，輸電網(wǎng)絡(luò)延伸，運(yùn)維工作量隨之大幅增加，傳統(tǒng)的人工巡檢暴露出效率偏低、人員安全保障困難等缺點(diǎn)[1]，給人工安全和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理帶來許多不便，難以有效保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前海內(nèi)外學(xué)者對(duì)輸電線路巡檢作業(yè)相關(guān)課題展開了大量研究，除了人工巡檢，還有衛(wèi)星遙感技術(shù)、激光探測(cè)技術(shù)、無人機(jī)智能巡檢等方法技術(shù)。衛(wèi)星遙感技術(shù)非常適合大面積探測(cè)[2]，而面對(duì)小面積的突發(fā)情況仍存在時(shí)效性差、精度低等問題；激光雷達(dá)技術(shù)可判斷線路問題的準(zhǔn)確位置等信息，但可視化能力較差，不適用于輸電線路長時(shí)間實(shí)施巡檢監(jiān)測(cè)；通過搭載視覺傳感器，無人機(jī)沿輸電線路開展巡視，在無人機(jī)回傳視頻信息后，地面人員可及時(shí)了解情況[3]。與其他技術(shù)相比，無人機(jī)巡檢更為高效、經(jīng)濟(jì)、安全，適用于架空輸電線路的巡檢作業(yè)。

隨著無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)已經(jīng)成為電網(wǎng)運(yùn)行巡檢、監(jiān)控及維護(hù)的一個(gè)重要輔助工具。為了更大地提升巡檢質(zhì)量和效率，解決安全風(fēng)險(xiǎn)問題，需推動(dòng)輸電線路巡檢作業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)變，實(shí)施架空輸電線路無人機(jī)高效高質(zhì)巡檢。使用無人機(jī)進(jìn)行電力巡檢的應(yīng)用雖然發(fā)展較快，但在山地較多且人員不便到達(dá)或通視性有限的區(qū)域，其作業(yè)效率在受到摯肘的同時(shí)也存在不少缺陷[4]。首先，發(fā)送端設(shè)備和接收端設(shè)備一個(gè)位于控制端上，另一個(gè)位于飛機(jī)上，常規(guī)的無人機(jī)圖像傳輸和控制信號(hào)存在收發(fā)天線失配的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵O(shè)備發(fā)送端一般使用垂直極化天線，如果多臺(tái)設(shè)備同時(shí)互相通信，勢(shì)必會(huì)存在互相干擾問題；第二，無人機(jī)如果在飛行途中遇到如高山、大樹等障礙物時(shí)，圖像傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)變?nèi)跎踔翛]有信號(hào)[5]?？朔@些不足之處是當(dāng)前有效開展架空輸電線路巡檢作業(yè)的關(guān)鍵。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)術(shù)文獻(xiàn)都在探索無線通信中關(guān)于中繼通信方式的選擇和相關(guān)算法，尤其是在無人機(jī)相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢(shì)下，新穎解決方案成為熱點(diǎn)，希望借此能突破對(duì)無人機(jī)通信中繼方式的判斷和應(yīng)用的研究。比如，有學(xué)者在研究構(gòu)建無人機(jī)系統(tǒng)的衛(wèi)星中繼測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈時(shí)，使用作為空中中繼平臺(tái)的通信衛(wèi)星是商業(yè)化衛(wèi)星或軍用衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)遠(yuǎn)程無人機(jī)系統(tǒng)超視距遙控、遙測(cè)和偵察信息的實(shí)時(shí)傳輸。還有不少研究人員提出中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的思路，并成功應(yīng)用到無人直升機(jī)的相關(guān)場(chǎng)景，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、總體架構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)時(shí)遇到的技術(shù)難點(diǎn)、解決方案都進(jìn)行了闡述和論證。還有學(xué)者在單載波頻域均衡體制的4G 技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用小型旋翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)中繼通信，旋翼無人機(jī)構(gòu)建起空中轉(zhuǎn)信平臺(tái)，達(dá)到地空寬帶無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的效果，這是一種基于4G 的無線組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，有利于促使快速網(wǎng)系互聯(lián)、多業(yè)務(wù)高速數(shù)據(jù)傳輸。本項(xiàng)目在分析和運(yùn)用無人機(jī)多模態(tài)信號(hào)一體化中繼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究架空輸電線路多機(jī)聯(lián)合巡檢技術(shù)，不僅提升了巡檢作業(yè)效率，更使架空輸電線路安全運(yùn)行系數(shù)不斷提高。

1 無人機(jī)中繼傳輸系統(tǒng)

1.1 目前主要的無人機(jī)中繼方式

無人機(jī)中繼方式的種類繁多，綜合分析后可分為兩大類，即基于地面中繼節(jié)點(diǎn)的通訊方式和基于空中中繼節(jié)點(diǎn)的通訊方式[6]。按中繼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)來看，基于地面中繼節(jié)點(diǎn)的通信方式還可分為基于公網(wǎng)資源和自建的地面中繼節(jié)點(diǎn)通信方式。相比較而言，基于公網(wǎng)的方式有著覆蓋面廣、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但時(shí)延問題及安全問題也是其不可忽略的弊端；按可沿線路走廊布置的自建地面中繼節(jié)點(diǎn)，電力系統(tǒng)的桿塔等設(shè)備均可作為中繼設(shè)備安裝支點(diǎn)，但是過多的地面自建中繼節(jié)點(diǎn)點(diǎn)多面廣，容易受到戶外安裝惡劣環(huán)境的影響，設(shè)備新老更換等工作會(huì)是未來的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，維護(hù)更新成本較高。

依據(jù)空中中繼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，基于空中中繼節(jié)點(diǎn)的通訊方式可分為基于衛(wèi)星的中繼方式和基于機(jī)載的空中中繼平臺(tái)方式的無線通信。全天候、全覆蓋、靈活通信是衛(wèi)星中繼的優(yōu)點(diǎn)，但衛(wèi)星中繼使用費(fèi)用高、飛行高精度及實(shí)時(shí)飛控等要求難以達(dá)到。超大范圍的數(shù)據(jù)鏈路雙向通信、高速大流量的雙向數(shù)據(jù)傳輸是選擇機(jī)載空中中繼平臺(tái)作為無線通訊方式的突出優(yōu)勢(shì)，但需要操作無人機(jī)組，操作控制較為復(fù)雜，系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)成本較高。具體分類比較和總結(jié)如表1所示。

表1 中繼傳輸系統(tǒng)的主要分類

1.2 無人機(jī)作為中繼平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)分析

就協(xié)助執(zhí)行傳輸任務(wù)而言，無人機(jī)作為中繼平臺(tái)的多跳通信系統(tǒng)能夠有效加寬傳輸網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域、強(qiáng)化系統(tǒng)的魯棒性，而且使信道容量穩(wěn)步提升[7]。衛(wèi)星是無人機(jī)作為中繼平臺(tái)出現(xiàn)之前最常見的中繼平臺(tái)，但是衛(wèi)星在中繼通信中存在如制作成本非常高、部署麻煩、維護(hù)困難等一些比較明顯的缺點(diǎn)，這也是衛(wèi)星逐漸在中低海拔通信領(lǐng)域被無人機(jī)取代的原因[8-9]。而相較于衛(wèi)星，無人機(jī)作為中繼平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，具體分析總結(jié)如表2所示[10]。

表2 無人機(jī)中繼通信方式的優(yōu)勢(shì)分析

在將無人機(jī)作為中繼平臺(tái)時(shí)，需同時(shí)關(guān)注兩條鏈路，即地面節(jié)點(diǎn)到無人機(jī)的中繼鏈路和無人機(jī)中繼到目的地節(jié)點(diǎn)的鏈路，兩條鏈路都會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生影響。因此，相比無人機(jī)作為空中基站，無人機(jī)作為中繼平臺(tái)的位置部署要困難得多，這也是當(dāng)前相關(guān)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)

2.1 多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)工作原理

無線信道對(duì)性能的影響在無人機(jī)組內(nèi)相互通信時(shí)最大，不同種類的傳輸現(xiàn)象從波傳播角度都可以歸結(jié)到信道特性上。電磁波傳播模式與無線通信場(chǎng)景、復(fù)雜地形緊密相關(guān)，主要包含反射和繞射、散射及吸收等。這些因素也會(huì)影響作為中繼傳輸系統(tǒng)的無人機(jī)[11]。目前，無人機(jī)系統(tǒng)遙控器和地面控制終端的上下行傳輸均采用2.4 G 通道。由于2.4 G干擾較大且繞射性能較差，可以將無線通信鏈路改造為多信號(hào)鏈路的移動(dòng)基站。信號(hào)通過無人機(jī)掛載中繼，傳輸距離更長，質(zhì)量更好，飛機(jī)操作航程更大。

無人機(jī)信號(hào)時(shí)刻變化，當(dāng)多個(gè)單元相互分離時(shí)，執(zhí)行任務(wù)需要無線通信的協(xié)調(diào)。中繼系統(tǒng)通常用于增強(qiáng)無線信號(hào)，傳統(tǒng)方法中包括地面車輛、直升機(jī)或衛(wèi)星等無線信號(hào)作為中繼系統(tǒng)，當(dāng)用于增強(qiáng)無線信號(hào)時(shí)仍有一定的局限性。多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)應(yīng)用多鏈路傳輸技術(shù)以及自動(dòng)切換應(yīng)用頻率技術(shù)，多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用時(shí)，可以使用無干擾頻率自動(dòng)切換技術(shù)，在2.4 G和5.8 G范圍內(nèi)，將工作頻率自動(dòng)切換到高質(zhì)量信息頻率，頻率產(chǎn)生的同時(shí)出現(xiàn)大量次頻率，這些次頻率通常以主頻倍數(shù)的形式出現(xiàn)，增強(qiáng)通信量和距離。

多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)的工作原理是利用無人機(jī)組實(shí)現(xiàn)指揮中心與一個(gè)或多個(gè)指揮中心之間的無線通信連接，每個(gè)梯隊(duì)分配多架配備無線通信中繼設(shè)備的無人機(jī)，這些指定的無人機(jī)發(fā)射并在地面梯隊(duì)后面的操作區(qū)域上形成空中中繼系統(tǒng)，也就是空中中繼節(jié)點(diǎn)。忽略周圍環(huán)境、部署時(shí)間以及梯隊(duì)和指揮中心的位置的情況下，多架無人機(jī)為地面部隊(duì)提供無線通信。

2.2 多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)技術(shù)

配備移動(dòng)基站的無人機(jī)飛到高空，在多模式信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用下，可以不被外界干擾地鎖定預(yù)定目標(biāo)，然后控制另一臺(tái)工作無人機(jī)，通過移動(dòng)基站傳輸信號(hào)，間接控制無人機(jī)，完成飛行任務(wù)。無人機(jī)遠(yuǎn)程控制端和飛機(jī)中繼端之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過外部第三方設(shè)備傳輸，以擴(kuò)大無人機(jī)控制的距離，增強(qiáng)圖像傳輸信號(hào)。遙控器和地面終端數(shù)據(jù)傳輸站通過UART 接口連接到數(shù)據(jù)傳輸站，地面數(shù)據(jù)傳輸站通過無線鏈路向飛機(jī)端數(shù)據(jù)傳輸站傳輸數(shù)據(jù)，飛機(jī)端數(shù)據(jù)傳輸站通過CAN 接口或UART 接口向飛行控制站傳輸數(shù)據(jù)。此外，為了實(shí)現(xiàn)無線高清視頻的遠(yuǎn)程中繼傳輸，可以選擇COFDM 圖像傳輸設(shè)備將視頻從飛機(jī)傳輸?shù)降孛娑恕?/p>

多臺(tái)無人機(jī)在處理任務(wù)時(shí)，其狀態(tài)可能實(shí)時(shí)受到環(huán)境的影響[12]，基于多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機(jī)聯(lián)合巡檢技術(shù)，使用如基于MQTT 協(xié)議的多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)“一控多機(jī)”、多機(jī)聯(lián)合的輸電線路機(jī)巡作業(yè)。地面遙控器發(fā)送巡檢任務(wù)至無人機(jī)中繼系統(tǒng)平臺(tái)，中繼無人機(jī)接收到信息后，及時(shí)通信給巡檢無人機(jī)編隊(duì)，編隊(duì)中的無人機(jī)在接收到相關(guān)任務(wù)請(qǐng)求后，分享傳遞消息，實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)合，共同完成巡檢任務(wù)。

3 基于多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機(jī)聯(lián)合巡檢技術(shù)

成本低、操控性強(qiáng)這些因素使無人機(jī)廣泛地應(yīng)用于巡檢任務(wù)中。在大面積的電網(wǎng)智能巡檢任務(wù)中,單無人機(jī)的續(xù)航半徑非常有限，無人機(jī)組聯(lián)合協(xié)作可有效完成巡檢任務(wù)[13]。例如無人機(jī)分層族群規(guī)劃任務(wù)[14]、分布式多無人機(jī)編隊(duì)[15]、有障礙區(qū)域多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃[16]等這些技術(shù)都有借鑒意義。由于無人機(jī)在開展巡檢作業(yè)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)距離源節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，甚至可能受到譬如高山峻嶺、高大建筑物等障礙物的遮擋與阻攔，使節(jié)點(diǎn)之間不能建立直接有效的鏈路[17]。為此，布設(shè)適量的無人機(jī)組在目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)之間，可以建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)合助力架空輸電線路巡檢作業(yè)。

無人機(jī)具有航點(diǎn)飛行功能，無人機(jī)多機(jī)聯(lián)合巡檢在發(fā)揮這一功能時(shí)，使架空輸電線路巡檢任務(wù)在多臺(tái)無人機(jī)的起飛、巡航、拍攝、降落全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作人員通過一鍵啟動(dòng)無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)自主巡檢[18]。目前多機(jī)聯(lián)合模式較為常見的是無人機(jī)編隊(duì)控制，這是一種經(jīng)典的協(xié)同控制響定，是無人機(jī)協(xié)同控制的一個(gè)重要趨勢(shì)，擁有廣闊的發(fā)展前景。這種模式可以充分發(fā)揮有限的單機(jī)資源的作用，形成隊(duì)伍來共同執(zhí)行當(dāng)前較為復(fù)雜的巡檢等任務(wù),尤其是對(duì)于單機(jī)來說不可能完成或是難度較高的任務(wù)[19]。無人機(jī)組協(xié)同飛行是實(shí)現(xiàn)以及強(qiáng)化無人機(jī)作戰(zhàn)能力的核心技術(shù)，具有單機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

中繼技術(shù)可以維持無人機(jī)組聯(lián)合巡查模式下的數(shù)據(jù)鏈路。無人機(jī)采集視頻數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)傳送，有利于及時(shí)開展任務(wù)[20]。通過基于多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機(jī)聯(lián)合巡檢，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)合的架空輸電線路機(jī)巡作業(yè)，形成編隊(duì)制。當(dāng)無人機(jī)中繼系統(tǒng)平臺(tái)接收到地面遙控器發(fā)送的巡檢任務(wù)指令后，中繼無人機(jī)給巡檢無人機(jī)編隊(duì)傳輸任務(wù)信息，各無人機(jī)接收到任務(wù)請(qǐng)求后，互相通信并一起完成聯(lián)合巡檢任務(wù)。具體流程如下：①地面站發(fā)送巡檢任務(wù)至中繼無人機(jī)后，中繼無人機(jī)發(fā)送信息給鄰居無人機(jī)，接收到任務(wù)請(qǐng)求的鄰居無人機(jī)互相通信并一起完成任務(wù)；②鄰居無人機(jī)接收到任務(wù)請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)發(fā)給附近其他無人機(jī)成員，同時(shí)自我判斷能否充當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)，若能，就迅速將此信息反向傳遞給中繼無人機(jī)；③以上步驟完成后會(huì)形成無人機(jī)路線，中繼無人機(jī)沿此路線采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式與其他成員通信，共同完成任務(wù)。

4 結(jié)束語

無人機(jī)在電力線路巡檢中有著重要技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，中繼系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。綜上所述，在面對(duì)較為復(fù)雜的地形時(shí)，開展架空輸電線路巡檢作業(yè)迫切需要無人機(jī)技術(shù)的突破與支持，特別是在中繼系統(tǒng)方面。而基于多模態(tài)信號(hào)一體化中繼傳輸系統(tǒng)的多機(jī)聯(lián)合巡檢技術(shù)，不僅能夠克服地形對(duì)無人機(jī)信號(hào)的遮擋和信道干擾的缺點(diǎn)，而且其工作效率是傳統(tǒng)巡檢作業(yè)效率的數(shù)倍對(duì)提升輸電線路安全運(yùn)行水平有極大促進(jìn)作用和價(jià)值。