王新陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)南陽(yáng)供電公司輸電運(yùn)檢中心，河南 南陽(yáng) 473000）

輸電線路覆蓋區(qū)域廣，穿越區(qū)域地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，從而增加了輸電線路運(yùn)維管理的難度。輸電線路傳統(tǒng)巡檢方式為人工巡檢，存在特殊地形和氣象條件下巡檢困難、不易發(fā)現(xiàn)瓶口及以上部位缺陷、巡檢效率低等問(wèn)題[1]，且人員登桿巡視勞動(dòng)強(qiáng)度大、不夠安全、依賴(lài)人員經(jīng)驗(yàn)、容易造成誤判。

20世紀(jì)50年代初期，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展載人直升機(jī)線路巡檢、帶電作業(yè)等。1995年，英國(guó)威爾士大學(xué)和EA電力咨詢(xún)公司聯(lián)合研制了專(zhuān)用于輸電線路巡檢的小型旋翼無(wú)人機(jī)，并驗(yàn)證了其可行性。美國(guó)電科院采用成熟的無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載攝像機(jī)進(jìn)行了巡線試驗(yàn)，能夠分辨大尺寸線路設(shè)備。中國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始相關(guān)試驗(yàn)研究，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和空中交通管制等因素的制約，未取得明顯效果[2]。

2008年起，國(guó)內(nèi)開(kāi)始探索架空輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用[3]。國(guó)家電網(wǎng)公司于2015年在公司范圍內(nèi)全面推廣小型多旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)巡檢，旨在提高線路精益化運(yùn)維水平。

電力巡檢用無(wú)人機(jī)分為無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)3類(lèi)。目前，無(wú)人直升機(jī)已較少被應(yīng)用在電力巡檢領(lǐng)域，所以不再闡述；固定翼無(wú)人機(jī)通常負(fù)責(zé)大范圍、有較高航程要求的任務(wù)，但需要跑道，不能懸停；多旋翼無(wú)人機(jī)由多個(gè)旋翼產(chǎn)生升力，通過(guò)改變各個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速控制飛行器的姿態(tài)，具有小巧靈活、垂直起降、精準(zhǔn)懸停、隨時(shí)懸停的優(yōu)點(diǎn)，在架空線路巡檢中，多旋翼無(wú)人機(jī)可承擔(dān)精細(xì)化巡檢任務(wù)[4]。

本文首先介紹南陽(yáng)電網(wǎng)常用的某型號(hào)四旋翼無(wú)人機(jī)，對(duì)其各構(gòu)件的功能進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)作業(yè)人員長(zhǎng)期應(yīng)用四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行線路巡檢的經(jīng)歷，總結(jié)出了一些旋翼無(wú)人機(jī)拍攝技巧。應(yīng)用某型號(hào)四旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)南陽(yáng)地區(qū)部分220 kV線路進(jìn)行巡檢試驗(yàn)，簡(jiǎn)要分析了無(wú)人機(jī)在線路巡檢中的應(yīng)用。

1 線路巡檢用四旋翼無(wú)人機(jī)

一般具有3個(gè)或3個(gè)以上旋翼的無(wú)人機(jī)被稱(chēng)為多旋翼無(wú)人機(jī)或多軸無(wú)人機(jī)。旋翼指提供動(dòng)力的螺旋槳，軸指為旋翼提供動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)軸。按軸數(shù)和槳數(shù)來(lái)命名幾軸幾旋翼無(wú)人機(jī)，依電機(jī)排布，分為共軸雙槳和單軸單槳。多軸無(wú)人機(jī)中效率最高的是四軸無(wú)人機(jī)，常用的多旋翼無(wú)人機(jī)很多都是四軸的。

首先簡(jiǎn)單介紹一下作業(yè)人員常用的某型號(hào)單軸單槳四旋翼無(wú)人機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“四旋翼無(wú)人機(jī)”）。該型號(hào)無(wú)人機(jī)主要包括飛行器本體、云臺(tái)相機(jī)、遙控器、充電器和標(biāo)配電池。

飛行器本體是前視視覺(jué)系統(tǒng)、下視視覺(jué)系統(tǒng)、頂部紅外感知系統(tǒng)的承載本體，這些主要功能模塊都布局于飛行器本體中，分別實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的前方障礙物距離感知功能、飛行速度測(cè)量和高度測(cè)量功能、頂部障礙物距離感知功能。該款無(wú)人機(jī)配套的云臺(tái)相機(jī)具有變焦功能，可以拍攝出高清影像。另外，該款無(wú)人機(jī)的遙控器配套有可視平板，通過(guò)平板觀察云臺(tái)相機(jī)呈現(xiàn)的拍攝畫(huà)面，使拍攝更具有目的性。

2 四旋翼無(wú)人機(jī)拍攝技巧簡(jiǎn)述

將多旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)運(yùn)用[5]在輸電線路巡檢中，可以拍攝出清晰、質(zhì)量高的照片，能從照片中排查金具部分的銷(xiāo)釘級(jí)缺陷，如連接螺栓上的銷(xiāo)子缺失情況。

不同型號(hào)旋翼無(wú)人機(jī)的影像拍攝經(jīng)驗(yàn)，尤其是搭載有常規(guī)可見(jiàn)光鏡頭的無(wú)人機(jī)機(jī)型的拍攝經(jīng)驗(yàn)都是共通的。所以，文中以某型號(hào)四旋翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，并結(jié)合作業(yè)人員長(zhǎng)期的飛行實(shí)踐，除去風(fēng)速等客觀因素，初步總結(jié)出影響四旋翼無(wú)人機(jī)拍攝照片質(zhì)量高低的3個(gè)因素為距離、云臺(tái)相機(jī)、光線條件。

距離因素指在無(wú)風(fēng)或風(fēng)速較?。ㄐ∮?級(jí)）的情況下，無(wú)人機(jī)越接近拍攝物，越容易拍到質(zhì)量高的照片。云臺(tái)相機(jī)因素指云臺(tái)相機(jī)性能的高低可直接影響拍攝出來(lái)照片的質(zhì)量，由于無(wú)人機(jī)安裝有云臺(tái)相機(jī)，通過(guò)手持遙控器調(diào)節(jié)云臺(tái)鏡頭方向，俯視角度拍攝可以讓更多的元素進(jìn)入畫(huà)面中，產(chǎn)生一種縱觀全局的視覺(jué)效果，而且拍攝時(shí)顯示的圖像亮度高，拍攝物體的上表面時(shí)有更廣闊的視野，發(fā)現(xiàn)更多的目標(biāo)元素。在某些場(chǎng)合，如進(jìn)行缺陷排查時(shí)，需用仰視角度才可以拍攝到物體的下表面，并適當(dāng)運(yùn)用曝光補(bǔ)償。

云臺(tái)相機(jī)可在﹣90°～50°間進(jìn)行調(diào)整，俯視角度為負(fù)值，在拍攝桿塔較小的局部時(shí)，鏡頭角度一般以﹣10°～10°范圍為宜，這樣可以減小鏡頭調(diào)節(jié)的幅度，保證飛行安全。在拍攝一個(gè)主體時(shí)，可以嘗試選擇不同的角度去拍攝。

光線條件因素指自然光照情況下，云臺(tái)相機(jī)所拍攝照片體現(xiàn)出的一種亮度特征，光線條件對(duì)于拍攝曝光度的選取至關(guān)重要，該型號(hào)無(wú)人機(jī)的曝光度調(diào)節(jié)范圍為﹣2.7～+2.7，正值為增加曝光度。在晴天、光照均勻的情況下，俯視拍攝桿塔較小局部時(shí)，如果順光應(yīng)調(diào)低曝光度，如果逆光應(yīng)調(diào)高曝光度，曝光度在﹣0.3～1.0間比較合適；從仰視角度拍攝桿塔較小局部時(shí)，如光線暗應(yīng)調(diào)高曝光度，進(jìn)行曝光補(bǔ)償，曝光度在1.0～2.0間比較合適；從平視角度拍攝桿塔較小局部時(shí)，通過(guò)觀察手持顯示屏幕，以清晰顯示出圖像為宜，曝光度一般在0～1間進(jìn)行選取。

3 無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢作業(yè)流程簡(jiǎn)述

目前，無(wú)人機(jī)自主巡檢剛起步，技術(shù)尚不成熟，線路的精細(xì)化巡檢作業(yè)仍很大程度上依賴(lài)作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)和能力，根據(jù)現(xiàn)今無(wú)人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r，從人工操控?zé)o人機(jī)巡檢作業(yè)角度出發(fā)，需要制定一套規(guī)范的作業(yè)流程。作業(yè)流程分為作業(yè)前準(zhǔn)備、作業(yè)中飛行拍照和作業(yè)后分析歸總。

3.1 作業(yè)前準(zhǔn)備

密切關(guān)注天氣形勢(shì)，無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)應(yīng)在天氣狀況良好的情況下開(kāi)展，這里的良好天氣狀況是指：低于5級(jí)風(fēng)速、能見(jiàn)度高于500 m、無(wú)雨雪雹、酷熱嚴(yán)寒等極端氣象條件。根據(jù)飛行任務(wù)中需要巡檢的線塔基數(shù)，確定作業(yè)人員人數(shù)、攜帶的無(wú)人機(jī)數(shù)量、電池?cái)?shù)量、配件數(shù)量。

3.2 作業(yè)中飛行拍照

按照拍照順序進(jìn)行拍攝，對(duì)于單回直線塔，先拍攝一邊相地線掛點(diǎn)，照片顯示清晰地線線夾、防震錘、銷(xiāo)釘和螺栓；接著拍攝這側(cè)一邊相絕緣子掛點(diǎn)，然后拍攝導(dǎo)線掛點(diǎn)；拍攝中相絕緣子掛點(diǎn)、導(dǎo)線掛點(diǎn)；拍攝另一邊相地線，接著拍攝這一邊相絕緣子掛點(diǎn)，然后拍攝導(dǎo)線掛點(diǎn)；最后對(duì)桿塔塔頭及基礎(chǔ)進(jìn)行拍攝。對(duì)于雙回直線塔，先拍攝一邊相地線掛點(diǎn)，然后依次分別拍攝這邊上中下各相絕緣子掛點(diǎn)、導(dǎo)線掛點(diǎn)；拍攝桿塔基礎(chǔ)；后拍攝另一邊相地線 掛點(diǎn)，然后依次分別拍攝這邊上中下各相絕緣子掛點(diǎn)、導(dǎo)線掛點(diǎn)。所拍照片應(yīng)能清晰顯示均壓環(huán)、掛點(diǎn)銷(xiāo)釘、橫擔(dān)螺栓、線夾及電氣部分金具等目標(biāo)點(diǎn)位。飛行中密切注意飛機(jī)與人身安全。

3.3 作業(yè)后分析歸總

作業(yè)結(jié)束后，將所拍照片存至電腦中，并進(jìn)行歸檔，將每基桿塔所有照片放到一個(gè)文件夾內(nèi)，標(biāo)明線路名稱(chēng)、桿塔編號(hào)。分類(lèi)完成后，對(duì)每張照片進(jìn)行審閱，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題照片后，及時(shí)標(biāo)注名稱(chēng)和缺陷說(shuō)明，并在圖中進(jìn)行標(biāo)注，將缺陷照片全放至缺陷文件夾內(nèi)。

4 四旋翼無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用分析

選取文中描述的某型號(hào)四旋翼無(wú)人機(jī)，在為期半年的時(shí)間內(nèi)，對(duì)南陽(yáng)地區(qū)部分220 kV線路進(jìn)行巡檢。

在檢查某相豎直串導(dǎo)線懸垂線夾、聯(lián)板等金具銷(xiāo)釘時(shí)，需采用俯視角度進(jìn)行拍攝，俯視角度選為﹣7°，同時(shí)減少曝光度至﹣0.3，在距離輸電拍照目的區(qū)域7.3 m、4倍光學(xué)變焦的情況下，拍攝的輸電桿塔局部照片如圖1（a）所示。在檢查某相平串掛點(diǎn)螺栓、聯(lián)板等金具銷(xiāo)釘時(shí)，需采用仰視角度進(jìn)行拍攝，仰視角度選為8°，同時(shí)增大曝光度至2.0，在距離輸電拍照目的區(qū)域7.5 m、4倍光學(xué)變焦的情況下，拍攝的輸電桿塔照片如圖1（b）所示。

圖1 俯視和仰視角度下拍攝的輸電桿塔局部照片

從圖1（a）中可以清晰地看到，圓圈區(qū)域內(nèi)的螺栓上缺失鎖緊銷(xiāo)子，需及時(shí)處理該缺陷，否則會(huì)因?yàn)閷?dǎo)線微振動(dòng)，致使螺帽脫落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成該相導(dǎo)線掉落。從圖1（b）中可以清晰地看到，圓圈區(qū)域內(nèi)的螺栓上缺失鎖緊銷(xiāo)子，屬于需盡快處理的缺陷，照片比較清晰。

對(duì)拍攝的輸電線路缺陷照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[6]，無(wú)人機(jī)所拍攝的缺陷照片大致可以分為9大類(lèi)，基本可以囊括巡檢線塔中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，具有條目清晰、歸納合理的特點(diǎn)，缺陷類(lèi)型分為桿塔、大尺寸金具、小尺寸金具、導(dǎo)地線、絕緣子、基礎(chǔ)、附屬設(shè)施、接地裝置、通道環(huán)境。桿塔類(lèi)缺陷分為銹蝕、缺螺栓、塔身裂紋、缺塔材、塔材變形、橫擔(dān)傾斜和其他桿塔類(lèi)缺陷；絕緣子類(lèi)缺陷分為瓷質(zhì)絕緣子釉表面灼傷、瓷質(zhì)絕緣子破損、復(fù)合絕緣子傘裙破損、鋼腳鋼帽銹蝕、均壓環(huán)損壞、均壓環(huán)移位、均壓環(huán)反裝、均壓環(huán)灼傷、均壓環(huán)銹蝕、均壓環(huán)脫落和其他絕緣子類(lèi)缺陷；其他7類(lèi)缺陷則按照大類(lèi)進(jìn)行劃分，也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步細(xì)分。對(duì)所拍照片進(jìn)行缺陷類(lèi)型歸類(lèi)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)拍攝的缺陷照片數(shù)目統(tǒng)計(jì)

國(guó)家電網(wǎng)于2018年分別進(jìn)行了多旋翼無(wú)人機(jī)和直升機(jī)電力巡檢航拍圖像人工智能處理技術(shù)驗(yàn)證工作，2次技術(shù)驗(yàn)證均采用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法，檢測(cè)目標(biāo)為8～9類(lèi)常見(jiàn)且典型的架空線路缺陷，使用的數(shù)據(jù)集僅包含正樣本（即含有缺陷的圖像），算法檢測(cè)的最好成績(jī)?yōu)?0%～89%，不同類(lèi)型缺陷的檢測(cè)成績(jī)有較大差異：對(duì)絕緣子、金具等幾何特征相對(duì)顯著的缺陷，檢測(cè)效果較好；通道環(huán)境、接地裝置和異物類(lèi)缺陷由于樣本數(shù)較少，且缺陷表現(xiàn)特征多樣化，檢測(cè)效果不佳[4]。

從當(dāng)前研究看，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在檢測(cè)準(zhǔn)確率及算法適用性方面都優(yōu)于人工設(shè)計(jì)特征的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，但距離實(shí)際應(yīng)用還需很長(zhǎng)時(shí)間。有大量數(shù)據(jù)支撐才能保證深度學(xué)習(xí)技術(shù)在該領(lǐng)域得到持續(xù)發(fā)展，目前，還是需要人工來(lái)有效識(shí)別缺陷照片。

由于飛控手培訓(xùn)周期長(zhǎng)、要求高，制約了無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)的推廣。人工巡檢存在所拍照片型式標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、照片質(zhì)量參差不齊、巡檢效率低等問(wèn)題。應(yīng)用智能化巡檢技術(shù)可大幅提高作業(yè)效率。

許保瑜[7]提出了一種基于多機(jī)協(xié)同作業(yè)的不間斷自主桿塔巡檢方法，建立了A、B車(chē)交替不間斷巡檢的作業(yè)方式，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和高精度RTK輔助定位技術(shù)，構(gòu)建了基于輸電線路移動(dòng)式不間斷自動(dòng)精益化智能巡檢系統(tǒng)，有效提升了自動(dòng)巡檢與降落的精準(zhǔn)度，提高了管理決策質(zhì)量及作業(yè)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢，省時(shí)省力高效，可以發(fā)現(xiàn)輸電線塔上存在非常細(xì)微的缺陷，對(duì)于排查輸電線塔上的隱患可發(fā)揮巨大作用。目前，旋翼無(wú)人機(jī)亦可以搭載許多專(zhuān)業(yè)類(lèi)擴(kuò)展云臺(tái)鏡頭，譬如激光云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)線路通道及線塔三維建模，紅外功能云臺(tái)可以對(duì)線路電氣部分開(kāi)展實(shí)時(shí)測(cè)溫、紅外拍攝等。

開(kāi)展多旋翼無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡檢作業(yè)對(duì)作業(yè)人員的要求較高，作業(yè)人員不僅要具備精湛的飛行技能水平，還要具備扎實(shí)的理論知識(shí)，目前，多旋翼無(wú)人機(jī)專(zhuān)業(yè)作業(yè)人員缺口巨大。多旋翼無(wú)人機(jī)裝備更新迭代速度非?？?，續(xù)航能力強(qiáng)，云臺(tái)相機(jī)功能強(qiáng)大，更加專(zhuān)業(yè)細(xì)分的無(wú)人機(jī)機(jī)型不斷地運(yùn)用到電力巡檢作業(yè)中，將會(huì)產(chǎn)生海量的影像照片，這給后期缺陷照片的審閱造成很大的壓力。

綜上所述，多旋翼無(wú)人機(jī)今后會(huì)越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于輸電線路巡檢中，而人員技能培訓(xùn)、專(zhuān)業(yè)高效的數(shù)據(jù)處理能力提升則是電網(wǎng)部門(mén)的發(fā)展重點(diǎn)和著力點(diǎn)。