［摘 要］近幾年，無(wú)人機(jī)巡檢憑借成本低廉、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行效率高及適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為巡檢輸電線路的主要技術(shù)。文章以巡檢安全距離為落腳點(diǎn)，在介紹現(xiàn)有測(cè)距方法原理、優(yōu)點(diǎn)與不足的前提下，圍繞基于無(wú)人機(jī)的巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開(kāi)了討論，內(nèi)容涵蓋系統(tǒng)硬件、軟件及學(xué)習(xí)算法3 方面，以期為日后巡檢線路安全距離或相關(guān)工作的開(kāi)展提供支持。

［關(guān)鍵詞］輸電線路；無(wú)人機(jī)；安全距離巡檢

［中圖分類(lèi)號(hào)］V19 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0001–03

作為組成電力系統(tǒng)極為重要的一環(huán)，輸電線路主要承擔(dān)著向用戶傳輸電能的職責(zé)。由于自然環(huán)境、人為因素的雙重影響，輸電線路時(shí)常面臨著安全距離受侵的問(wèn)題，這不僅會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)施損壞，還可能引發(fā)安全事故，由此可見(jiàn)，對(duì)輸電線路進(jìn)行定期的安全距離巡檢十分重要。傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在效率低、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大等局限性。隨著無(wú)人機(jī)更新?lián)Q代速度的提升，利用無(wú)人機(jī)完成輸電線路巡檢成為可能。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在無(wú)人機(jī)的幫助下，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效檢測(cè)輸電線路的目標(biāo)，將不必要問(wèn)題發(fā)生的概率降至最低。

1 現(xiàn)有測(cè)距方法

1.1 激光掃描測(cè)距

激光掃描法是利用激光測(cè)距儀和掃描裝置對(duì)輸電線路進(jìn)行精確測(cè)量的安全距離巡檢法，其原理是通過(guò)向輸電線路發(fā)射激光束并接收其回波信號(hào)，計(jì)算激光束與輸電線路之間的距離。同時(shí)，掃描裝置會(huì)控制激光束按照預(yù)定的路徑進(jìn)行掃描，從而獲取輸電線路的三維坐標(biāo)信息。該方法的測(cè)量精度和測(cè)量效率較高，但也存在一定的局限性。例如，巡檢長(zhǎng)距離或高空中的輸電線路時(shí)，激光束可能受到大氣擾動(dòng)的影響而產(chǎn)生誤差；或激光掃描設(shè)備市場(chǎng)單價(jià)通常較為昂貴，投資成本較高。

1.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)距

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)距的原理是將測(cè)量所得到的坐標(biāo)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)物理坐標(biāo)，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量線路安全距離目的。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該方法具有操作簡(jiǎn)便、精度理想的優(yōu)點(diǎn)，雖然實(shí)際工作中具體測(cè)量精度會(huì)受到GPS系統(tǒng)固有精度的影響，但除極特殊情況外，均可以滿足巡檢安全距離工作提出的要求。另外，GPS 系統(tǒng)覆蓋范圍廣、信號(hào)穩(wěn)定，因此該方法具有較高的適應(yīng)性，可用于各種復(fù)雜地形和環(huán)境條件下的巡檢。該方法同樣存在較為明顯的不足，如巡檢山區(qū)、高樓林立的城市等特殊區(qū)域的輸電線路時(shí)，GPS 系統(tǒng)信號(hào)可能受到物體干擾或遮擋，導(dǎo)致測(cè)量精度無(wú)法滿足要求。

2 基于無(wú)人機(jī)的巡檢系統(tǒng)測(cè)距原理

針對(duì)無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢的任務(wù)而言，安全距離通常指的是無(wú)人機(jī)與輸電線路間存在的必要垂直距離，這個(gè)距離是為了確保無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)能夠避免與輸電線路發(fā)生碰撞，同時(shí)保證無(wú)人機(jī)搭載的檢測(cè)設(shè)備能夠準(zhǔn)確捕捉到輸電線路的圖像信息，避免由于距離過(guò)近造成圖像失真或無(wú)法覆蓋所需監(jiān)測(cè)范圍的情況出現(xiàn)。無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路的巡檢具體如圖1 所示。

巡檢工作需要以無(wú)人機(jī)所搭載攝像頭、傳感器為依托，實(shí)時(shí)采集與輸電線路自身、所處環(huán)境相關(guān)的圖像，在處理圖像數(shù)據(jù)信息后，建立三維模型，由此達(dá)到測(cè)量線路安全距離的目的。

3 基于無(wú)人機(jī)的巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵是確定采集、分析數(shù)據(jù)的流程，保證圖像從采集到處理再到輸出的全過(guò)程，均能夠表現(xiàn)出理想的準(zhǔn)確性與實(shí)效性。具體流程如下：無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)指令沿輸電線路勻速飛行，其所搭載攝像頭按照特定角度拍攝線路圖像，通過(guò)GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）接收器對(duì)不同圖像的拍攝信息、地理坐標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)且準(zhǔn)確的記錄，為后續(xù)確定問(wèn)題所在位置提供便利→采集所得圖像經(jīng)由無(wú)線通信同步至建設(shè)在地面的控制站，由站內(nèi)工作人員處理圖像，通過(guò)去噪、更改對(duì)比度及校正色彩的方式，最大限度地提高圖像整體質(zhì)量，將外界環(huán)境因素給最終分析結(jié)果所造成的干擾降至最低→基于深度學(xué)習(xí)算法提取圖像有效數(shù)據(jù)的特征，識(shí)別線路障礙物，計(jì)算障礙物和線路之間的實(shí)際距離，據(jù)此確定線路安全距離→交互界面準(zhǔn)確且完整地展示處理結(jié)果，同時(shí)自動(dòng)生成相應(yīng)的巡檢報(bào)告。若巡檢過(guò)程中無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)線路有安全隱患存在，會(huì)通過(guò)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)根據(jù)問(wèn)題成因向工作人員提出處理問(wèn)題的建議。

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)。無(wú)人機(jī)巡檢輸電線路的工作大致可以分為4 個(gè)步驟：①利用先進(jìn)的導(dǎo)航技術(shù)，結(jié)合輸電線路的GPS 坐標(biāo)信息及無(wú)人機(jī)內(nèi)置的高解析度成像設(shè)備，自主定位并沿著線路飛行。②將飛行過(guò)程中攝像頭捕捉到的圖像、實(shí)時(shí)GPS 數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送回地面控制中心。③地面站技術(shù)人員接收并儲(chǔ)存圖像和位置數(shù)據(jù)，利用處理圖像的軟件全面分析圖像，快速識(shí)別出可能的設(shè)備缺陷或外部環(huán)境變化對(duì)輸電線路可能造成的威脅，以問(wèn)題嚴(yán)重等級(jí)為依據(jù)，設(shè)置警報(bào)方式。同時(shí)，系統(tǒng)還可以通過(guò)全面、深入地剖析圖像內(nèi)容，了解線路所在位置、走向，將有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息同步至無(wú)人機(jī)，使無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航更加精確。④人工判斷故障識(shí)別結(jié)果。雖然該系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷故障并發(fā)出警報(bào)，但受性能、能力制約，無(wú)法保證識(shí)別結(jié)果完全正確，因此，仍需要有豐富工作經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)一步確定識(shí)別結(jié)構(gòu)，為線路可靠且安全的運(yùn)行提供保障。

通過(guò)分析工作流程可知，科學(xué)選擇無(wú)人機(jī)對(duì)巡檢工作能否發(fā)揮應(yīng)有作用至關(guān)重要。在選擇所使用無(wú)人機(jī)平臺(tái)時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)：①無(wú)人機(jī)是否具備符合要求的載重能力，能否長(zhǎng)時(shí)間搭載攝像頭、傳感器等巡檢所需設(shè)備飛行。②多數(shù)輸電線路較長(zhǎng)，因此無(wú)人機(jī)應(yīng)具備符合巡檢工作要求的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)，以確保能夠高質(zhì)量完成巡檢全部線路的任務(wù)。③無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中要始終保持穩(wěn)定，確保攝像頭能夠清晰捕捉到線路圖像。④無(wú)人機(jī)應(yīng)具備抵抗外界因素干擾的能力，避免受到外界較為復(fù)雜的地形或電磁環(huán)境干擾，導(dǎo)致巡檢過(guò)程及最終結(jié)果不理想。⑤無(wú)人機(jī)要有符合要求的安全性能，并支持故障自動(dòng)檢測(cè)和應(yīng)急處理。

在篩選出滿足上述要求的無(wú)人機(jī)后，應(yīng)考慮成本效益，做出最終決定。目前，巡檢工作使用頻率較高的無(wú)人機(jī)的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）視覺(jué)傳感器。視覺(jué)傳感器是無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能會(huì)直接影響系統(tǒng)的圖像采集質(zhì)量和分析準(zhǔn)確性?？紤]到巡檢任務(wù)的特殊性，應(yīng)選擇高清分辨率的相機(jī)，以獲取清晰的輸電線路圖像。另外，為增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力、提高數(shù)據(jù)整體準(zhǔn)確性，還可以酌情引入多傳感器融合技術(shù)，基于LiDAR（光學(xué)雷達(dá)）建立三維模型，全面且準(zhǔn)確地展示線路相關(guān)數(shù)據(jù)信息。事實(shí)證明，按照上文建議配置傳感器，能夠使無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中快速、準(zhǔn)確地收集輸電線路的狀態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)進(jìn)一步處理圖像、測(cè)量安全距離等工作的高效開(kāi)展提供有力支持。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)，要注重實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性及自動(dòng)化水平。該系統(tǒng)軟件集成了圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)及自動(dòng)控制技術(shù)，先通過(guò)高清攝像頭采集輸電線路及其周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，再利用圖像處理算法完成邊緣檢測(cè)、特征提取，識(shí)別輸電線路、障礙物及潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，最后由機(jī)器學(xué)習(xí)模型負(fù)責(zé)對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)和判斷，準(zhǔn)確識(shí)別各類(lèi)物體，評(píng)估其與輸電線路的安全距離是否符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。此外，系統(tǒng)還具備自主規(guī)劃飛行路徑的能力，能夠根據(jù)巡檢任務(wù)自動(dòng)設(shè)定無(wú)人機(jī)的航線，在遇到緊急情況時(shí)，可迅速調(diào)整路徑以避免碰撞。制訂系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，要做到以下幾點(diǎn)：①保證圖像處理和學(xué)習(xí)算法能夠精確識(shí)別輸電線路及障礙物，減少誤判；②系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)處理與分析數(shù)據(jù)的功能，可以及時(shí)響應(yīng)潛在風(fēng)險(xiǎn)；③無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行及應(yīng)急避障的自動(dòng)化程度符合要求；④軟件穩(wěn)定可靠，可為無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行提供支持；⑤操作簡(jiǎn)便，便于工作人員日常使用。

3.2.3 學(xué)習(xí)算法

假設(shè)相機(jī)拍照方向垂直于線路，成像平面與線路對(duì)應(yīng)的豎直平面處于同一水平面。結(jié)合成像原理展開(kāi)分析能夠發(fā)現(xiàn)，在確定輸電線桿塔整體高度的條件下，可先根據(jù)圖像所記錄高度、成像模型，對(duì)桿塔與相機(jī)之間的物距進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合相距、三角余弦及正弦定理，確定安全距離。計(jì)算公式如下：

式中，x為線路與無(wú)人機(jī)間的安全距離，ua為桿塔a與相機(jī)間的物距，ub為桿塔b與相機(jī)間的物距，θ為桿塔與相機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)角度。針對(duì)控制無(wú)人機(jī)飛行的系統(tǒng)而言，該算法的價(jià)值在于能夠準(zhǔn)備計(jì)算線路與無(wú)人機(jī)間的距離，通過(guò)比較實(shí)際距離和安全距離確定距離誤差，據(jù)此發(fā)出控制指令，以確保巡檢無(wú)人機(jī)能夠安全、可靠地飛行。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章深入探討了基于無(wú)人機(jī)所設(shè)計(jì)并研發(fā)的巡檢輸電線路安全距離的系統(tǒng)，揭示了該系統(tǒng)在提升巡檢效率及確保作業(yè)安全性方面的顯著優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，隨著科技的更新升級(jí)，圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域發(fā)展迅猛。未來(lái)，隨著各項(xiàng)技術(shù)的完善，基于無(wú)人機(jī)的巡檢系統(tǒng)會(huì)邁向更高精度的檢測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的智能化，真正做到快速、準(zhǔn)確地識(shí)別和響應(yīng)潛在風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高電力輸送的安全性及可靠性，同時(shí)為工作人員提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，從而保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及用戶的用電安全。

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