徐展

（國網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電公司，浙江衢州324000）

一種激光雷達(dá)導(dǎo)航的全自主智能無人機巡線系統(tǒng)

徐展

（國網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電公司，浙江衢州324000）

為提升輸配電線路巡線效率，提出了一種綜合激光雷達(dá)、圖像識別、無線專網(wǎng)、多旋翼無人機等成熟技術(shù)的無人機巡線系統(tǒng)，并對系統(tǒng)構(gòu)成和實現(xiàn)方式進(jìn)行了探討。該系統(tǒng)可通過多種傳感器完成對輸配電線路及運行環(huán)境三維圖像等多種信息的精確采集，通過中繼站的方式解決續(xù)航和通信問題，使無人機自主化、智能化巡線成為可能。

輸配電線路；激光雷達(dá)；圖像識別；無人機；巡線

輸配電線路巡視工作作為線路專業(yè)最重要的日常工作之一，長期以來采用人工方式，運行班組超過50%的工作時間均用于巡視工作，存在效率低、手段落后、巡視質(zhì)量難以保證的問題。在用人成本不斷上升、相關(guān)工作要求越來越高的情況下，必須拓展提升巡視效率的新途徑。以下設(shè)想了一種綜合了激光雷達(dá)、圖像識別、無線專網(wǎng)、多旋翼無人機等成熟技術(shù)的全自主無人機自動巡線系統(tǒng)，并提出了具體實現(xiàn)方式。

1 輸配電線路無人機自動巡線的必要性

1.1 當(dāng)前巡視工作現(xiàn)狀及存在問題

1.1.1 巡視工作現(xiàn)狀

為掌握輸配電線路及設(shè)備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)線路及設(shè)備的缺陷和各種威脅線路及設(shè)備安全運行的隱患，以便進(jìn)行有針對性的檢修和處理，必須開展線路及設(shè)備的巡視和檢查工作。目前巡視工作作為輸配電線路運行專業(yè)的重要工作內(nèi)容，占用了大量人力資源。

以衢州供電公司市本級農(nóng)村配電線路為例，10 kV中壓線路約3 000 km，按平均每公里巡視時間1.6 h計算，需要4 800 h。0.4 kV低壓線路約5 000 km，按平均每公里巡視時間1.6 h計算，需要8 000 h。中低壓線路巡視共需12 800 h。

國家電網(wǎng)公司運行規(guī)程要求，農(nóng)村線路每季巡視1次。要完成全部中低壓線路巡視，按每月22個工作日，每個工作日有效工作時間6 h計算，需要12 800÷（3×22×6）=32人方可完成。

1.1.2 存在的主要問題

目前線路巡視工作存在的主要問題是采用人工巡視難以保證工作質(zhì)量和完成率。管理人員只能通過巡視記錄了解運維人員是否開展了巡視工作，而巡視工作是否到位、有沒有發(fā)現(xiàn)異常和缺陷則難以定量評價。

1.2 巡線關(guān)鍵技術(shù)簡介1.2.1激光雷達(dá)

激光雷達(dá)通過激光掃描測量載體與目標(biāo)的距離，快速獲取物體表面大量采樣點三維空間坐標(biāo)，建立對象的三維模型。該技術(shù)可穿透植被，形成多次回波，同時測量地面點和非地面點，建立起完整的環(huán)境模型。由于波長較短，可探測細(xì)小物體，形成高精度三維模型等。另外，具備全天候工作、快速獲取數(shù)據(jù)等特點[1]。

目前，該技術(shù)在工程、環(huán)境檢測和城市建設(shè)等方面均有成功的應(yīng)用實例。

1.2.2 圖像識別

圖像識別是將圖像與預(yù)先存儲對象物的參照圖案進(jìn)行匹配，輸出符號信息或數(shù)值信息的技術(shù)。人們接觸較多的人臉識別、手寫輸入識別等就是應(yīng)用了圖像識別技術(shù)。目前利用圖像識別技術(shù)，完全可實現(xiàn)對電力設(shè)備類型等信息的精確識別。

1.2.3 無線專網(wǎng)

目前無線專網(wǎng)在電力行業(yè)已有成功應(yīng)用，主要可選技術(shù)有TD-LTE（分時長期演時）、WiMAX（全球微波接入）、Witen（寬帶多媒體數(shù)字集群技術(shù)）等，波段也有多種可選。以某種TD-LTE技術(shù)為例，其通信半徑可達(dá)5 km，上傳速度可達(dá)50 Mbit/s，下載速度可達(dá)100 Mbit/s，且具備很高的可靠性、傳輸速率和安全性。

1.2.4 多旋翼無人機

目前多旋翼無人機已用于輸配電線路巡線工作。以某種8軸多旋翼無人機為例，其載重最高可達(dá)20 kg，最高飛行時速可達(dá)36 km/h，視載重情況其最長工作時間可達(dá)30～50 min。但受通信、控制技術(shù)的限制，同時考慮到設(shè)備安全性，目前只能采用人工遙控的方式開展工作。

1.3 經(jīng)濟效益估算

如能將自動化巡線作為人工巡線的補充，甚至在一定程度上替代人工巡線，則可以節(jié)約一半左右人力資源，按每人每年用工成本15萬計算，市本級每年即可實現(xiàn)經(jīng)濟效益32×50%×15=240萬。

另外，采用自動化巡線能顯著提升巡視工作質(zhì)量，一次激光掃描可以掌握的信息類型、信息量、精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工巡視，可大大提升配電網(wǎng)精益化管理水平。

2 利用激光雷達(dá)和GIS實現(xiàn)自動精確導(dǎo)航

有別于目前常見的多旋翼無人機遙控操作形式，要實現(xiàn)無人機自動、自主巡線，首先要解決無人機的導(dǎo)航問題。

2.1 應(yīng)用GIS初步規(guī)劃路線

2.1.1 路線規(guī)劃原則

目前浙江省電力公司已建立起全覆蓋的配電網(wǎng)GIS（地理信息系統(tǒng)），該系統(tǒng)內(nèi)存有輸配電線路走向等詳細(xì)信息，可用于無人機巡線路徑初步規(guī)劃。一般而言，無人機巡線路徑應(yīng)當(dāng)與輸配電線路走向相同并適當(dāng)優(yōu)化，這也是目前市場上自主式機器人常見的實現(xiàn)方式。

2.1.2 存在問題

若僅用GIS對無人機巡線路徑進(jìn)行規(guī)劃，仍然存在若干關(guān)鍵問題無法解決，導(dǎo)致無法真正實現(xiàn)自主巡線，主要有：

（1）GIS內(nèi)的信息為平面地理信息，用于車輛導(dǎo)航?jīng)]有問題，而線路處于三維立體環(huán)境中，因此GIS無法滿足無人機這種需要在三維空間信息的設(shè)備。

（2）無人機的飛行區(qū)域應(yīng)與線路保持一定的安全距離，同時還需要考慮風(fēng)向的問題，因此需特別考慮安全問題。

（3）無人機巡線時需避讓樹木，這些信息在GIS中無法體現(xiàn)，只能依靠現(xiàn)場實測。

針對上述問題，考慮通過激光雷達(dá)技術(shù)予以解決。

2.2 應(yīng)用激光雷達(dá)精確建模并自動導(dǎo)航

激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)與激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以微波雷達(dá)原理為基礎(chǔ)，將激光束作為探測信號。激光雷達(dá)工作時，首先發(fā)射機發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過大氣傳輸輻射到目標(biāo)表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進(jìn)行處理，提取有用的信息[2]。通過測量反射和散射回波信號的時間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標(biāo)的距離、方位和速度等信息[3]。

目前激光雷達(dá)已成功用于車輛避讓、無人駕駛車輛防撞、無人機導(dǎo)航等領(lǐng)域，且在武器制導(dǎo)方面有成熟的應(yīng)用。參照這些應(yīng)用，考慮輸配電線路的實際需要，以下提出一種輸配電線路自動激光雷達(dá)導(dǎo)航的實現(xiàn)方式：

（1）首先利用GIS對無人機巡線路徑進(jìn)行初步規(guī)劃，以線路為中心，左右外延50～100 m，形成一個帶狀通道，通過GPS/INS（全球定位系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）確保無人機在帶狀通道內(nèi)進(jìn)行。

（2）使用激光雷達(dá)對帶狀通道環(huán)境進(jìn)行掃描，并和內(nèi)存特征庫對比，辨識出電力線路及其上的桿塔、斷路器、配電變壓器、瓷瓶等各類設(shè)備。桿塔的作用是和預(yù)存在系統(tǒng)中的GIS數(shù)據(jù)特征點對比，確認(rèn)飛行路線準(zhǔn)確性；線路的作用是確保無人機和帶電設(shè)備的距離介于安全距離與精確測量距離之間，形象地說，是牢牢“吸附”在線路上，從而達(dá)到導(dǎo)航的目的。

（3）激光雷達(dá)還應(yīng)對飛行通道內(nèi)環(huán)境進(jìn)行激光探測，得到以無人機為中心、以合理的掃描距離為半徑的環(huán)境地圖，特別是注意避讓樹木、建筑物、山脈、其他飛行物等障礙物，確保飛行安全。

3 自動定位關(guān)鍵設(shè)備，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測

3.1 結(jié)合GIS信息和圖像識別定位關(guān)鍵設(shè)備

開展?fàn)顟B(tài)檢修工作，除了要定位斷路器、隔離開關(guān)、電纜頭等關(guān)鍵設(shè)備的準(zhǔn)確位置，還需要無人機自主定位并識別關(guān)鍵設(shè)備，以調(diào)用搭載各種傳感器開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測工作。

（1）依托GIS數(shù)據(jù)初步定位關(guān)鍵設(shè)備。目前，GIS內(nèi)存儲了斷路器等關(guān)鍵設(shè)備的地理位置信息，可在規(guī)劃線路時自動將這些設(shè)備的地理位置信息導(dǎo)入無人機。

（2）應(yīng)用圖像和激光雷達(dá)成像自動識別。無人機到達(dá)關(guān)鍵設(shè)備地點后，開啟自動識別模塊，通過可見光攝像頭對線路設(shè)備進(jìn)行掃描，通過激光雷達(dá)建立設(shè)備三維圖像，同時把掃描圖像和特征庫內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行對比，確認(rèn)待檢測設(shè)備的精確位置；自動控制無人機在待檢測設(shè)備周圍進(jìn)行360°盤旋，開啟各類機載設(shè)備并完成全方位的狀態(tài)收集工作。

3.2 搭載多種傳感器開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測

（1）激光雷達(dá)。激光雷達(dá)本身就是一種極為有效的狀態(tài)監(jiān)測裝置，通過三維建模，可定量分析線路周邊障礙物的精確距離，精確發(fā)現(xiàn)違章建房、樹線矛盾等問題，甚至能掌握通道樹木種類。一次激光掃描可以掌握的信息類型、信息量、精確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工巡視。

（2）可見光攝像頭。應(yīng)用高清可見光攝像頭，對巡視過程錄像，對關(guān)鍵設(shè)備拍照，以便后續(xù)調(diào)閱、分析診斷線路運行狀況。同時可應(yīng)用智能圖像識別技術(shù)，自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備破損、銹蝕等異常。

（3）紅外熱像儀。應(yīng)用紅外熱像儀，可建立起設(shè)備紅外圖譜庫，自動發(fā)現(xiàn)接頭發(fā)熱等設(shè)備異常。

（4）紫外成像儀。應(yīng)用紫外成像儀，可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)生的電暈異常。

（5）局部放電監(jiān)測儀。應(yīng)用局部放電監(jiān)測儀可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常放電，但必須應(yīng)用降噪技術(shù)消除無人機旋翼發(fā)出的噪音。

4 通信和充電中繼站

4.1 通信和續(xù)航力問題

由于輸配電線路覆蓋面大、線路路線長、所處環(huán)境復(fù)雜，對無人機的通信和續(xù)航力提出了不小的挑戰(zhàn)。通信方面，如采用無線公網(wǎng)則可能面臨著因山區(qū)無通信信號而失去對無人機的監(jiān)控，而其他地區(qū)可能由于公網(wǎng)信號不穩(wěn)定導(dǎo)致無法有效監(jiān)控。續(xù)航力方面，目前主流8旋翼無人機最高時速為30 km/h，續(xù)航時間40 min，而山區(qū)線路供電半徑常超過10 km，因此無法靠機內(nèi)電源實現(xiàn)全線飛行。

為此，考慮在線路沿線（約5 km）建設(shè)中繼站，中繼站距離線路應(yīng)有一定安全距離，設(shè)備均安裝于電桿上，裝設(shè)有小容量變壓器、無線專網(wǎng)基站、無人機起降平臺，以此方式解決通信和續(xù)航力的問題。

4.2 應(yīng)用無線專網(wǎng)實現(xiàn)全線高速通信

無線專網(wǎng)采用TD-LTE技術(shù)，目前發(fā)展較為成熟，上傳速率達(dá)50 Mbit/s，下載速率達(dá)100 Mbit/s，只要沿線合理布置無線專網(wǎng)通信基站，完全可滿足無人機監(jiān)控的技術(shù)要求。

4.3 開發(fā)無人機自動起降平臺

為最大限度減少人工工作量，必須解決無人機自動起降及充電問題，最大程度拓展其自主巡線范圍。因此，考慮開發(fā)一套無人機自動起降平臺系統(tǒng)，無人機在電池電量低、氣候突變等異常情況下，自動飛臨中繼站附近，利用激光雷達(dá)識別平臺精確位置，啟動自主起降定位應(yīng)答裝置，逐漸靠近起降平臺。在抵達(dá)臨近位置時，平臺通過捕獲裝置捕獲并鎖定無人機，隨后對其進(jìn)行充電。

5 擴展應(yīng)用

5.1 規(guī)劃設(shè)計方面的應(yīng)用

通過對線路進(jìn)行若干次掃描，可建立起精確的三維模型，精確掌握線路桿高、呼高、交跨、馳度等關(guān)鍵參數(shù)，建立起精確的實際運行三維模型，對后續(xù)規(guī)劃設(shè)計、改造等工作有很高的價值，也可用于評價施工質(zhì)量。

5.2 預(yù)防外力破壞

在無人機巡線過程中，通過和歷史數(shù)據(jù)的比對，利用圖像智能識別，及時發(fā)現(xiàn)外來機械施工等異常，如通過和特征庫進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)距離線路較近的挖掘機、起重機等工程設(shè)備；又如在魚塘周圍發(fā)現(xiàn)有活動的人群等。一旦發(fā)現(xiàn)異常便發(fā)出預(yù)警告知監(jiān)控員，以便及時排查影響安全運行的嚴(yán)重隱患。

6 結(jié)語

設(shè)想了一種綜合了激光雷達(dá)、圖像識別、無線專網(wǎng)、多旋翼無人機等成熟技術(shù)的全自主無人機自動巡線系統(tǒng)，并提出了具體實現(xiàn)方式，同時展望了其在日常巡視、狀態(tài)監(jiān)測、規(guī)劃設(shè)計等方面的應(yīng)用前景。目前，該系統(tǒng)所需的幾種關(guān)鍵技術(shù)已相對較為成熟，應(yīng)盡早開展研究開發(fā)工作，盡早應(yīng)用于實踐，以期提升輸配電線路運行工作效率和工作質(zhì)量。

[1]束龍，魯莽，胡丹暉.LiDAR技術(shù)在電力選線中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2003，29（1）∶20-23.

[2]劉斌，張軍，魯敏，等.激光雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展[J].激光與紅外，2015，45（2）∶117－122.

[3]曲興華，職廣濤，張福民，等.利用信號拼接提高調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)的分辨率[J].光學(xué)精密工程，2015，23（1）∶40－47.

[4]蔣才明，唐洪良，陳貴，等.基于Google Earth的輸電線路巡視無人機地面站監(jiān)控系統(tǒng)[J].浙江電力，2012，31（2）∶5-8.

[5]程國開，汪從敏.關(guān)于輸電線路狀態(tài)巡視體系建設(shè)的探討[J].浙江電力，2013，32（9）∶11-13.

[6]鄧元婧，汪從敏，夏開全，等.架空輸電線路通道環(huán)境的巡視技術(shù)與應(yīng)用[J].浙江電力，2014，33（8）∶28-31.

[7]涂潔，馮智慧，梁文勇，等.小型無人機在電力線路巡檢中的應(yīng)用分析[J].電氣時代，2016（11）∶75-77.

[8]黃謹(jǐn)益.無人機在電力輸電線路的各種應(yīng)用[J].大眾科技，2015，17（9）∶81－83.

（本文編輯：方明霞）

參考文獻(xiàn)的作用及要求

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編輯部摘編

An Autonomous Intelligent UAV Line Inspection System with LIDAR Navigation

XU Zhan
（State Grid Quzhou Power Supply Company，Quzhou Zhejiang 324000，China）

To improve inspection efficiency of transmission and distribution lines，the paper introduces an UAV line inspection system which integrates LIDAR，image identification，special wireless network and multi-rotor UAV；besides，it discusses its formation and implementation.The system can accurately collect information such as 3D images of transmission and distribution lines and the operating environment via multiple sensors.By the relay station，endurance and communication are ensured，and autonomous and intelligent line inspection is enabled.

transmission and distribution lines；LIDAR；image identification；UAV；line inspection

10.19585/j.zjdl.201706010

1007-1881（2017）06-0044-04

TM755

B

2017-03-15

徐展（1981），男，工程師，從事配電網(wǎng)管理工作。