李明澤 謝 忠 朱學(xué)森 閆郭偉

基于改進(jìn)層次分析法的無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化研究

李明澤1謝 忠1朱學(xué)森2閆郭偉2

（1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，江蘇 徐州 221000；2. 63601部隊(duì)，甘肅 酒泉 732750）

針對(duì)輸電線路無人機(jī)類型多樣、性能各異，難以統(tǒng)一量化分析的問題，提出一種基于改進(jìn)層次分析法的無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化方法，構(gòu)建包含6個(gè)一級(jí)指標(biāo)、28個(gè)二級(jí)指標(biāo)的無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化指標(biāo)體系，建立指標(biāo)分級(jí)量化模型。量化實(shí)例表明，改進(jìn)層次分析法和分級(jí)量化模型較好地實(shí)現(xiàn)了多類型無人機(jī)輸電線路巡檢能力的量化，為無人機(jī)選型和能力量化分析提供了方法路徑，同時(shí)彌補(bǔ)了無人機(jī)能力量化、能力評(píng)估的理論空白。

改進(jìn)層次分析法；無人機(jī)（UAV）；輸電線路；能力；量化

0 引言

無人機(jī)輸電線路巡檢是指使用無人機(jī)及其掛載的任務(wù)設(shè)備（可見光相機(jī)、紅外熱成像儀、局放檢測(cè)儀等）對(duì)輸電線路本體設(shè)備及通道走廊等進(jìn)行巡視檢測(cè)[1]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除線路缺陷和重大隱患，提升巡檢質(zhì)效。當(dāng)前，無人機(jī)在輸電線路巡檢領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且逐步深化，大疆、成都縱橫、道通智能等廠家紛紛推出電力巡檢專用無人機(jī)，有效降低了作業(yè)出錯(cuò)率和運(yùn)營維護(hù)成本，但無人機(jī)種類繁多、功能各異、性能參差不齊，在無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，存在以下不足：

1）輸電線路巡檢無人機(jī)能力量化方法欠缺。當(dāng)前，無人機(jī)的能力量化模型研究，多集中于無人機(jī)作戰(zhàn)領(lǐng)域[2-4]；在指標(biāo)體系構(gòu)建研究方面，多集中于植保領(lǐng)域[5-7]，有關(guān)輸電線路巡檢無人機(jī)的能力量化方法研究，尚處于空白階段，無法支撐無人機(jī)的選型、采購等。

2）無法進(jìn)行能力對(duì)比分析。量化方法的不足導(dǎo)致無法開展單項(xiàng)能力對(duì)比與分析，更無法分析出能力因素的影響程度，致使無人機(jī)的立項(xiàng)論證和改進(jìn)方向缺乏理論指導(dǎo)。

針對(duì)上述不足，本文提出一種無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化方法，建立無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化模型，開展能力量化分析，以指導(dǎo)無人機(jī)選型。

1 改進(jìn)層次分析法基本原理

層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty T. L.等提出的一種將定量分析與定性分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法[8]，其主體思想是基于專家在該領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)對(duì)特征量進(jìn)行多層次的分解，制定層次結(jié)構(gòu)，通過建立判斷矩陣并計(jì)算特征向量，得到該層因素對(duì)于上一層目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重[9]，適合多層次、多因素復(fù)雜系統(tǒng)的決策，被廣泛應(yīng)用在業(yè)務(wù)流程評(píng)估、效能評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域。無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化，具有涉及因素多、指標(biāo)層級(jí)多、決策者經(jīng)驗(yàn)成分大等特點(diǎn)，因此層次分析法具有高度的適用性。

由于層次分析法的內(nèi)在性質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用中需要人為判斷并建立判斷矩陣，帶有主觀性、片面性的缺陷，兩兩比較的結(jié)果不一定符合客觀實(shí)際，所以必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[10]。若不能通過檢驗(yàn)，憑著大致估計(jì)調(diào)整判斷矩陣帶有主觀性和盲目性。為彌補(bǔ)層次分析法的不足，本文基于最優(yōu)傳遞矩陣對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，即對(duì)判斷矩陣作變化，省去了一致性檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高了操作效率，改進(jìn)層次分析法的原理如下[11]。

2 無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化指標(biāo)體系構(gòu)建及分級(jí)量化

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

指標(biāo)體系是否科學(xué)合理對(duì)于無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化至關(guān)重要，構(gòu)建指標(biāo)體系必須遵循以下幾個(gè)指導(dǎo)原則[12-13]：

1）全面性原則。能對(duì)無人機(jī)輸電線路巡檢能力進(jìn)行多維度的表征，涵蓋巡檢應(yīng)用、操作使用、環(huán)境適應(yīng)等多方面的能力，避免單一和片面因素對(duì)量化結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，提高能力量化的準(zhǔn)確性。

2）可操作性原則。指標(biāo)體系的構(gòu)建要考慮輸電線路巡檢無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀和市場行情，可方便地采集數(shù)據(jù)。

3）重點(diǎn)突出原則。無人機(jī)輸電線路巡檢能力指標(biāo)包含多個(gè)方面，指標(biāo)層級(jí)延伸拓展空間較大，構(gòu)建指標(biāo)體系，應(yīng)篩選與所屬指標(biāo)層級(jí)密切相關(guān)的核心指標(biāo)，保留巡檢無人機(jī)的共性指標(biāo)，突出指標(biāo)重點(diǎn)。

2.2 無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)無人機(jī)輸電線路巡檢的定義，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[14-18]，基于全面性、可操作性、重點(diǎn)突出的原則，首先獲取表征無人機(jī)輸電線路巡檢能力的候選指標(biāo)集，再通過問卷調(diào)查法、頻度統(tǒng)計(jì)法對(duì)其進(jìn)行篩選，最后將同一屬性的指標(biāo)進(jìn)行分組歸類，最終構(gòu)建出包含6個(gè)能力維度的一級(jí)指標(biāo)、28個(gè)二級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)體系見表1。該指標(biāo)體系主要針對(duì)無人機(jī)輸電線路可見光、紅外巡檢，實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合具體的作業(yè)要求、載荷需求等，針對(duì)性地調(diào)整各維度指標(biāo)。

表1 無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化指標(biāo)體系

（續(xù)表1）

2.3 指標(biāo)分級(jí)量化模型

因指標(biāo)體系中既包括定性、定量指標(biāo)，又包括正相關(guān)、負(fù)相關(guān)指標(biāo)，部分指標(biāo)又屬離散指標(biāo)，無法進(jìn)行統(tǒng)一的指標(biāo)歸一化，因此本文采取分級(jí)量化的方法，參考行業(yè)主流輸電線路巡檢無人機(jī)及載荷，并對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行范圍梳理，確定指標(biāo)的范圍邊界，并針對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行問卷調(diào)查和頻度統(tǒng)計(jì)，最終建立無人機(jī)輸電線路巡檢指標(biāo)分級(jí)量化模型見表2。

表2 無人機(jī)輸電線路巡檢指標(biāo)分級(jí)量化模型

（續(xù)表2）

注：1in=25.4mm。

3 基于改進(jìn)層次分析法的無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化流程

基于上述改進(jìn)層次分析法指標(biāo)權(quán)重確定步驟及分級(jí)量化模型，形成巡檢能力量化流程如下。

1）規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合第2節(jié)建立的指標(biāo)體系，建立無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化層級(jí)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。其中，目標(biāo)層明確所要達(dá)到的量化目標(biāo)，指標(biāo)層是表征巡檢能力的具體指標(biāo)，方案層是候選的無人機(jī)類型。

圖1 無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化層級(jí)結(jié)構(gòu)模型

2）生成判斷矩陣

（1）構(gòu)造比較矩陣

其中

再依據(jù)比較矩陣，計(jì)算重要程度指數(shù)，即

（2）構(gòu)建判斷矩陣

依據(jù)重要程度指數(shù)H，構(gòu)建判斷矩陣為

其中

3）計(jì)算單層指標(biāo)相對(duì)權(quán)重值

基于判斷矩陣，計(jì)算其反對(duì)稱矩陣為

再基于矩陣，計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣*為

4）無人機(jī)參數(shù)分級(jí)量化

將無人機(jī)參數(shù)值代入指標(biāo)分級(jí)量化模型，根據(jù)相應(yīng)分級(jí)區(qū)間獲取特定指標(biāo)的分級(jí)結(jié)果，為確保指標(biāo)的歸一化屬性，在本文中設(shè)定“優(yōu)”為“1”，“良”為“0.8”，“中”為“0.6”，“差”為“0.3”。

5）向目標(biāo)層匯聚

基于上述層次結(jié)構(gòu)模型及分級(jí)量化數(shù)值，將各層指標(biāo)向目標(biāo)層匯聚，匯聚結(jié)果可以表示為

式（8）即為無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化的計(jì)算表達(dá)式，將無人機(jī)參數(shù)值代入，即可得到能力量化結(jié)果。

4 基于改進(jìn)層次分析法的無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化實(shí)例

某沿海城市，在臺(tái)風(fēng)登陸后，為快速評(píng)估輸電線路受災(zāi)情況，該地輸電運(yùn)檢室針對(duì)三型候選無人機(jī)進(jìn)行能力量化，為開展臺(tái)風(fēng)應(yīng)急巡檢工作制定無人機(jī)選型策略。其能力量化流程如下。

4.1 確定指標(biāo)相對(duì)權(quán)重

根據(jù)無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化流程，首先構(gòu)造比較矩陣。無人機(jī)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)應(yīng)急巡檢時(shí)的環(huán)境適應(yīng)能力主要受風(fēng)速和雨水影響，因此其環(huán)境適應(yīng)能力的二級(jí)指標(biāo)中，最大可抗風(fēng)速和防護(hù)等級(jí)為主要因素，工作海拔上限和工作溫度范圍為次要因素。采用三標(biāo)度法構(gòu)造比較矩陣為

由式（4）構(gòu)建判斷矩陣為

由式（5）、式（6）計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣為

重復(fù)上述步驟，即可得到其他維度二級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。在確定一級(jí)指標(biāo)權(quán)重時(shí)，無人機(jī)臺(tái)風(fēng)應(yīng)急巡檢受氣象條件影響較大，而且需要拍攝并快速回傳海量高分辨率照片，因此，環(huán)境能適應(yīng)能力、載荷能力、測(cè)控能力為主要因素。同理，可得到一級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。各層指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各層指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

（續(xù)表3）

4.2 無人機(jī)機(jī)型參數(shù)

本文選取三型輸電線路巡檢無人機(jī)，分別為：無人機(jī)A，大疆經(jīng)緯M300 RTK（搭配禪思H20T負(fù)載）；無人機(jī)B，某輸電線路巡檢定制化無人機(jī)；無人機(jī)C，大疆御2行業(yè)進(jìn)階版。給出三型無人機(jī)的指標(biāo)參數(shù)，并將其代入分級(jí)量化模型，根據(jù)相應(yīng)分級(jí)區(qū)間獲取特定指標(biāo)的分級(jí)結(jié)果。為確保指標(biāo)的歸一化屬性，本文設(shè)定“優(yōu)”為“1”，“良”為“0.8”，“中”為“0.6”，“差”為“0.3”。無人機(jī)能力參數(shù)及分級(jí)量化結(jié)果見表4。

表4 無人機(jī)能力參數(shù)及分級(jí)量化結(jié)果

（續(xù)表4）

4.3 量化結(jié)果及選型分析

由式（8）可得三型無人機(jī)各維度能力指標(biāo)的量化結(jié)果見表5。由各維度指標(biāo)量化結(jié)果可知，在三型無人機(jī)中，無人機(jī)A的飛行能力、機(jī)動(dòng)能力、飛控能力、載荷能力（含云臺(tái)）、測(cè)控能力最強(qiáng)，無人機(jī)B的環(huán)境適應(yīng)能力最強(qiáng)；由綜合能力量化結(jié)果可知，無人機(jī)A綜合能力最強(qiáng)，無人機(jī)B次之，無人機(jī)C最弱。

表5 三型無人機(jī)能力量化結(jié)果

在臺(tái)風(fēng)登陸48h后，此時(shí)無人機(jī)受氣象條件影響極大，環(huán)境適應(yīng)能力占主導(dǎo)地位，同時(shí)須兼顧載荷能力，由表5可知，可選用無人機(jī)B進(jìn)行粗巡，初步確認(rèn)輸電線路受災(zāi)情況；在臺(tái)風(fēng)登陸96h后，需要拍攝并快速回傳海量高分辨率照片，載荷能力和測(cè)控能力占主導(dǎo)地位，同時(shí)須兼顧環(huán)境適應(yīng)能力，可選用無人機(jī)A進(jìn)行精巡，以進(jìn)一步確認(rèn)倒塔、斷線、掉串、飄掛物等情況。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于改進(jìn)層次分析法的無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化方法，構(gòu)建了指標(biāo)分級(jí)量化模型，形成了能力量化的方法流程。量化實(shí)例表明，改進(jìn)層次分析法和分級(jí)量化模型較好地實(shí)現(xiàn)了多類型無人機(jī)輸電線路巡檢能力量化，為無人機(jī)的選型和采購提供了方法路徑。本文建立的指標(biāo)體系并不局限于某一特定類型的巡檢，可結(jié)合具體的應(yīng)用場景進(jìn)行指標(biāo)調(diào)整，確保了能力量化的針對(duì)性和可拓展性?；谠摲椒砷_展深層次的影響因素分析，進(jìn)而提煉出關(guān)鍵能力指標(biāo)和改進(jìn)方向，為無人機(jī)立項(xiàng)論證和巡檢應(yīng)用提供參考。

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Research on quantification of unmanned aerial vehicle transmission line inspection capability based on improved analytic hierarchy process

LI Mingze1XIE Zhong1ZHU Xuesen2YAN Guowei2

(1. Xuzhou Power Supply Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd, Xuzhou, Jiangsu 221000;2. Unit 63601, Jiuquan, Gansu 732750)

Aiming at the problems that unmanned aerial vehicle (UAV) on transmission lines have various types and different performances, and it is difficult to conduct unified quantitative analysis, a quantitative method of UAV transmission line inspection capability based on improved analytic hierarchy process (AHP) is proposed. An index system of UAV transmission line inspection capability is constructed, which includes 6 first-class indexes and 28 second-class indexes, and the index hierarchical quantitative model is constructed. The quantitative example shows that the improved analytic hierarchy process and hierarchical quantification model better realize the capability quantification of multi type UAV transmission line inspection, provide a method path for UAV type selection and capability quantification analysis, and make up for the theoretical gap of UAV capability quantification and capability evaluation.

improved analytic hierarchy process; unmanned aerial vehicle (UAV); transmission line; ability; quantification

2022-09-14

2022-09-27

李明澤（1990—），男，吉林舒蘭人，碩士，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路巡檢、無人機(jī)應(yīng)用等。