基于矿区的无人机电力线路巡检技术研究

陈雷 1 肖凯 1 张兆华 1 张帅千 2 张永 1

1. 山东华聚能源股份有限公司 山东济宁 273500 2. 北京三维麦普导航测绘技术公司 北京 100020

摘要：针对矿区电网结构日趋复杂的现状、结合矿区塌陷区架空线路治理工作，利用无人机巡检系统对线路的杆塔坐标位置、海拔高度和巡线路径等参数收集，形成电网巡线基础数据库，为矿区电网安全运行提供科学的参考依据。利用先进的高清成像技术，还可作为线路安装、检修施工质量辅助验收工具，提高线路施工质量。

关键词：无人机、巡线、高清成像

1引言

随着社会的快速发展及生活质量的提高，我国用电需求在不断增加。如火如荼电的电网建设使我国的电力输电线路距离越来越长。而我国广阔的地域让电力线路在铺设的过程中遭遇多重多样的地形，同时复杂的天气气候还严重威胁到输电安全，严重影响电力系统的安全运行。为此，为了保证电力系统的安全电网的巡检是必不可少的。

近年来，无人机的技术越来越高，广泛应用于测绘、气象、灾害、植保、考古等行业，而传统的人工巡检电力的工作效率较慢，越发不能满足巡线的要求，并且人为巡检安全上危险度较高。无人机的诞生为电力巡检开辟了一条新的道路^[1]。

1.1课题研究背景及意义

矿区的电网所处地区环境多样且地形复杂，输电线路设备长时间遭受恶劣的天气环境，导致设备老化或在人为原因下导致设备故障或损坏，还存在杆塔被偷盗等事件，为保证供电正常运行，这些问题必须及时发现并迅速处理。之前一直采取传统的人工巡检方式，而传统的人工巡检方式受制于人本身问题存在一些弊端：

（1）不断增加的输电线路里程数，导致巡检人员的巡检路程增加，人数增加，导致巡检人员工作量增加、成本增加。

（2）在苦寒、冰冻、高温等恶劣情况影响下，使巡线工作时长增加或无法工作

（3）受复杂地形影响巡线人员无法进型巡线工作。

对比人工巡线来说，无人机巡线方式具有以下优点：

（1）巡线时可带电作业，不影响日常供电使用。

（2）可远程操作，不会导致巡线人员意外触电

（3）灵活性高机动性强，能快速反应突发性事故。

（4）受周围环境及地形影响小。

（5）提升工作效率，降低劳动强度。

本文针对以上分析，探讨设计一套完整的针对矿区电网巡检的无人机巡检系统，实现自动化的无人机电力巡检。

2.巡检系统主要研究内容

2.1 智能巡检技术

通过对电力线路的多维模型的技术应用，搭建智能化输电线网管理平台，为实现真正多维智能电网提供有力依据。进一步结合矿区输电线网巡检、线路架设验收及线路规划等多种应用场景，将无人机飞行技术、北斗卫星/GPS导航技术、超声波避障技术、高清成像技术、热成像自诊断技术等一系列科技应用有机融合，研发实现智能巡检，实时观察线路、杆塔及其辅助设施的运行状态，实现线路异常发热的自动检测、多点测温实时对比，并将热成像采集的数据通过电脑预处理，及时传回地面站巡检人员，现场研究解决方案。在地面站对线路相关巡视参数按照规程要求进行预设置，在巡检过程中由智能诊断异常或发热部位，当达到阈值时，系统即发出警告提示，热成像的图像和可见光的图像重叠显示，更容易判断出发热部位的可见光状态。配合远距离图传技术，使选线范围达到5公里半径区域，在当班工作量不变的情况下，减少了人力成本的同时，大大提升了工作效率和巡检质量。

利用前视视觉避障和下视视觉和超声波组合技术提高飞行安全飞行，实现下方障碍物避障。

2.2线路三维建模

使用无人机对杆塔进行拍摄记录，利用软件系统计算出密集的点云，实现对每个杆塔的相对距离等有关参数的建模，逐步完善并形成电网巡线基础数据库。巡线矿区塌陷区的线路杆塔等设备时，设施的坐标位置、海拔高度等发生变化可以通过对比数据库及时巡检发现，为电网安全运行和塌陷区线路治理提供参考依据。

结合供电线路及周边地理环境三维模型，无人机可实现智能巡航飞行。根据巡视要求规划巡检航线，实现无人机自动起飞巡航。按照预先设置的杆塔顺序依次飞行至杆塔上方进行巡视。

2.3智能化地面交互系统

研发智能交互系统，使无人机机载追踪器具备记忆起飞坐标和实时发送报文信息的功能，在通信链路长时间中断的情况下可自动返航至起飞点。实现无人机巡线断点续飞、点测温和区域测温等。当无人机出现故障无法返回起飞点时，向地面设备发送地理位置信息，或失联前最后的地理坐标信息方便巡检人员处理。

2.4土方测量技术

利用无人机自动规划需要测量区域内的航线，使用高清成像技术，沿航线自动智能飞行采集土方数据，使用采集的原始数据进行三维建模，生成为密集点云，密集点云通过数学模型一键计算挖方填方体积，占地面积，测量工程堆体物料。

3主要技术

3.1远距离图传技术

图传技术就是无人机在矿区电力巡线过程中与地面站之间进行信号传输及图像等信息的传输。通过图传，使操控人员可以在地面就可以观看无人机回传的画面，方便操控人员面对不同的巡检目标及时的做出准确的调整。

由于无人机在高空中飞行作业，只是单独的可见光图像往往不能全面的反应线路的真实情况，因此搭配其他传感器可以更好的提高巡线的效率和准确性。

常见的图像融合是可见光和热成像间的图像融合^[2]。可见光就是平常生活中使用的拍照技术，应用于电力巡线中，可有效的识别线路中的各类零件，如防震锤、螺栓等产生的变形及脱落现象，同时对零件的腐蚀、磨损等缺陷也能够较为清晰的进行识别。但是，可见光成像容易受外界因素影响，在阴天、雨雪等天气情况较差的情况下，可见光成像往往无法找到有效的信息。

热成像是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。通过热成像技术能够识别导线绝缘子的过载等其他发热现象，可以发现可见光或者肉眼无法看见的问题。但是，热成像技术分辨率较低，如果直接对设备进行故障检测容易产生误差。为此，可以将可见光与热成像图像融合。搭载在无人机上，对同一设备同时获得热成像和可见光图像，并进行融合处理。通过图传技术可实时显示在地面交互软件中，点击屏幕中要测量温度的地方实时显示热量。

3.2高精度定位技术

无人机巡线时离输电线距离较近，且无人机的重量较轻，体积较小，如在恶劣天气下飞行，不仅要保证输电线的安全还要保证无人机的安全^[3]。所以要精确定位无人机悬停在空中的位置。利用RTK测量技术实现无人机高精度悬停，支持北斗卫星/GPS导航系统，有助于无人机近距离观察设备，视频、图形信息更加清晰稳定以适应不同任务，实现不同环境下的使用要求^[4]。

3.3无人机避障技术

由于矿区地形复杂多样，无人机在巡检过程中总会遇到障碍物，除了输电线本身和杆塔外，还会遇到鸟、高楼、树木、山坡、悬崖、管道等其他障碍物。

为了保证无人机巡线安全和输电线路安全，无人机在飞行过程中要避免和任何物体碰撞。在巡线过程中无人机会按照预先设置的杆塔顺序或者航线飞行，无人机飞行过程中要按照输电线路电气特性以及运行规程的规定与线路^[5]，且与杆塔本身保持一定的安全距离，也需要对架空输电线路经过的区域空间可能遇到的固定障碍物保持一定安全距离；此外还要在飞行过程中及时探测发现飞行路径上临时出现的各种物体，此时无人机必须进行必要的规避动作来保证无人机的安全^[6]。

无人机飞行速度较快，操作人员无法立刻针对障碍物做出反应，这时就需要无人机自动避障技术。要实现无人机自动避障，首先要让无人机感知到周围的障碍物，例如，杆塔、输电线路及交叉线路，并且能确定与障碍物的距离和位置。无人机要装配视觉避障技术硬件，融合超声波定位和特殊算法，使无人机具有视觉和超声波双重避障功能，有效防止损坏电力设备或坠机事故，为电力设施提供双重保障。

3.4智能巡航飞行技术

无人机航线规划，可在确定巡线的位置的情况下在地面站规划，形成线状或者面状的航线并保存^[7]。在巡线位置有变化的情况下，可对航线进行实时修改，完成线路的巡检并自动返航^[8]。

航线规划要注意：（1）安全性：在规划航线的时候，要将无人机的安全、线路安全、线路周围环境及在飞行航线范围内的工作人员安全计算在内。将无人机和传感器的信息录入航线规划软件，航线规划软件会根据无人机的重量、飞行时长、图传距离等信息自动进行航线的规划。确保无人机的续航时长可安全返回。（2）适应性：根据飞行地点的不同规划适应飞行的航线。（3）高效性：在规划完航线后，通过智能算法对巡线方案进行优化，加快无人机巡线效率^[9]。

3.5三维建模技术

近年来国内遥感测绘迅速发展，一种新型的技术应运而生。通过在无人机上搭载1个或者多个传感器，使这些传感器能从垂直和其他角度对采集目标进行影像的采集，能够更全面的获得采集目标的纹理、坐标等其他信息。垂直角度拍摄的影像一般称为正射影像^[10]，由多个角度拍摄的影像一般称为倾斜影像。

无人机的三维建模，便是通过无人机对目标的正射影像和倾斜影像采集，通过后处理软件对二维影像进行处理生成三维影像。

利用无人机采集的数据进行处理后可以生成倾斜三维模型^[11]，三维模型一般可以生成两种数据成果：

（1）单体建模。利用三维建模技术提供单独模型，每个模型独立存在，通过纹理映射技术，生成出贴近实物的三维模型。由于每个模型是独立存在，可以通过专门的软件对模型进行纹理、造型等方面的修改。

（2）倾斜模型。利用三维建模技术提供整体的模型，多个模型相互连接，通过软件进行联合评差解算，生成密集点云，然后自动生成倾斜模型。相比于单体模型，倾斜模型更难对模型进行修改。

3.6土方测量

3.6.1外业数据采集

现场踏勘周围环境，规划无人机飞行航线，无人机通过搭载POS/IMU等设备，确定无人机实时位置并采集地面数据。

3.6.2内业软件处理

将采集的数据导入photoscan并删除无效数据，photoscan会根据照片中的pos数据进行处理，生成稀疏点云数据。通过对稀疏点云数据进行加密得到密集点云数据，将点云数据导出到SAM软件来进行土方的计算

^[12]。

无人机测量土方关键技术：

（1）密集点云分类。生成的密集点云是根据无人机采集的数据生成的，在数据采集过程中会将周围的树木、建筑物等其他的数据，这些数据对土方计算没有用处，还会影响土方计算导致计算结果出现较大的误差。所以在生成密集点云的时候要准确区分出各类地物，并进行删除。

（2）非地面点高程修正。当要采集的对象表面覆盖大量的植被、树木、垃圾等非采集数据时，会导致所采取的的数据无法真实反映地面起伏变化。由于一般采集的地面起伏不定，无法直接将采集对象上方的无用坐标直接删除，而土方计算的目的是获取地表真实的数据^[13]。由于测区覆盖的植被树木和建筑物等非测量数据附着于测区表面，高度也参差不齐，如何利用抽样测量的方式得到植被树木最佳逼近值，如何对测区覆盖的建筑物利用邻近区域高程进行差值计算获得其他地面点高程是进行非地面点高程纠正的难点。

（3）土方计算精度。土方精度的计算会影响整个工程的规划、成本、工程进度，土方的计算结果的准确性显得尤为重要。但土方计算受不同地域的地形、植被、建筑物等地物影响。如何通过分析影响因素来优化土方计算精度是土方计算精度的主要难点。

4 总结

作为一种安全、高效、先进的巡线方式，无人机巡检可以大大减轻矿区电力巡检的人力投入。但现阶段无人机巡检技术的应用只是针对无人机的一个粗浅应用，相信随着科技的发展，更多技术的研发，无人机在巡检的应用会更发的安全、快捷多种多样化。

参考文献：

[1]陈鹏飞.M200多旋翼无人机在电力巡检中的应用[J].通信电源技术,2019,(36),7:120-126.

[2]汪勇.基于可见光、热红外及激光雷达传感的无人机图像融合方法[J].激光杂志,2020,(41),2:141-145

[3]孙阔腾.基于无人机技术的电力线路安全巡检系统[J].集成电路应用,2020,(37),3:88-89

[4]蔡文霞.无人机电力线路安全巡检的关键技术[J].通信电源技术,2019,(36),12:68-69

[5]彭向阳.无人机电力线路安全巡检系统及关键技术[J]. 遥感信息,2015,(30),1:51-57

[6]邴丽媛.基于多传感器融合的无人机自动避障技术研究[D].长春:长春理工大学,2017

[7]陈文浩.基于四旋翼无人机的电力巡检研究[D].郑州:郑州大学,2019

[8]姚文锋.无人机电力线路巡检技术研究[D].广东:广东工业大学,2019

[9]丁为杰.无人机自主电力巡线关键技术研究.山东:山东大学,2019

[10]宁柏锋.无人机电力线路安全巡检的关键技术分析[J].计算机产品与流通,2018:161

[11]马青岷.无人机电力巡检及三维模型重建技术研究.山东:山东大学,2017

[12]李博.无人机倾斜摄影测量土方计算及精度评定[J].测绘通报.2020,(2):102-106

[13]韩健.无人机倾斜摄影技术在土方测量中的应用[J].工程技术研究.2020,(6):116-117