基于人工智能的輸電線路無人機巡檢技術分析

魯 杰 陳 建 寧 巖 席海闊

（國網冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

使用無人機進行大面積電力輸電線路巡查，利用其搭載的高精度可見光和紅外設備對輸電線路進行可見光和紅外熱成像觀測，通過人工智能程序進行缺陷隱患的識別和數據對比，精確找出電力設備隱患發生點，輔助人工進行線路巡視，能夠有力保障輸電設備設施的安全穩定運行，極大地降低了巡檢成本，提高了巡檢效率，保障了巡檢人員的生命安全。

1 無人機電網巡檢的規模和現狀

近年來，電網的規?？焖僭鲩L，截至2021年底，220kV及以上輸電線路回路長度843390km，220kV及以上公用變設備容量493921萬kVA。據悉“十四五”期間，電網規模將繼續以每年5%左右的規模持續增長。但是，由于輸電線路地理分布廣袤，隨著運行時間的不斷增長，以及周圍地理環境的變化和天氣的影響，輸電線路會出現各類隱患和缺陷，不斷威脅著輸電線路的安全運行。國家電網積極開展“架空輸電線路直升機、無人機和人工協同巡檢”等相關技術研究和應用，大力推廣電力無人機巡檢，逐步建立起了巡檢管理和技術支撐體系。截至2021年，無人機巡檢已覆蓋各電壓等級輸電線路，巡檢模式向以無人機為主的協同自主巡檢模式轉變，輸電線路巡檢效益得到明顯提升。

2 無人機電網巡檢的優勢分析

2.1 降低人工風險，提升巡檢效率

傳統的電力巡檢主要依托人力來進行巡檢作業，巡檢人員需要克服各類環境限制，跋山涉水，并且勞動強度極大，通過利用無人機巡檢，可以有效降低對人工的依賴，減少巡檢人員以身涉險的狀況發生。同時，有數據表明無人機巡檢較人工巡檢能提高6~10倍的效率。

2.2 獲取影像便捷，輔助檢修作業

通過無人機進行巡檢，可以近距離獲得可見光和紅外、紫外影像數據，而基于人工智能的無人機巡檢系統可對拍攝的可見光和紅外、紫外影像進行自主智能識別和檢測，及時發現包括絕緣部分及導線接頭異常等各類缺陷，從而為檢修工作提供決策支持。

2.3 人工智能加成，巡檢精準高效

通過人工智能技術的結合，綜合利用激光雷達、RTK高精度定位可使無人機精準定位，迅速到達指定位置開展巡檢作業，同時在飛行過程中做到有效避障，避免無人機巡檢作業時對輸電線路及無人機自身造成損傷。

3 基于人工智能的輸電線路無人機巡檢系統組成

基于人工智能的輸電線路無人機巡檢系統包括應用無人機進行高精度定位飛行避障，數據采集、線路巡檢、數據的處理與應用。

3.1 數據采集系統

承德電網在電網運行中加強了無人機自主巡檢技術的項目研究，并已于2019年開始采集數據，目前已完成全域2000km輸電線路高精度絕對坐標系的激光雷達點云數據采集，無人機自主巡檢航線覆蓋約80%的220kV電壓等級的輸電鐵塔。任務載荷設備與無人機裝置高度集成、一體化控制，可掛載可見光、紅外、紫外、激光雷達等任務載荷，系統同時集成有GNSS高精度定位、慣性導航、高速數采、時間同步等多功能部件，整機緊湊、集成度高，采用全頻 RTK+IMU 融合技術與激光雷達測量技術，數據采集和測量精度高。

3.2 巡檢系統

無人機根據巡檢作業要求，可搭載各種任務載荷設備，如表1所示。一般含有5個類型：可見光相機、紅外熱成像儀、紫外成像儀、激光雷達、傾斜攝影相機。

表1 各種任務載荷設備及特點

3.3 數據處理與應用系統

利用無人機可進行數據的采集、存儲、處理和應用，承德電網采集了9000余km的輸電線路本體和線路通道影像數據，獲得了幾萬張輸電線路缺陷圖像，針對輸電線路采集的信息，特定缺陷識別準確率可以達到90%以上。

3.4 無人機與巡線機器人的復合搭載系統的應用

承德電網正在研發無人機與巡線機器人的搭載技術，主要是研究機器人自動對接與自動放置，同時利用了無人機良好的機動性和巡線機器人的近距離工作高效的優越性，極大地拓寬無人機和機器人巡檢的應用場景。無人機與巡線機器人復合系統工作流程圖如圖1所示。

圖1 無人機與巡線機器人復合系統工作流程圖

4 人工智能技術在無人機巡檢中的應用

4.1 巡檢影像的智能識別與分析

通過無人機上搭載的不同任務載荷獲取電網巡檢需要的數據，并通過人工智能技術進行數據處理，輔助電網運行和檢修?？梢姽庥跋裰饕槍旊娋€路本體缺陷和輸電通道環境情況，例如導地線斷股、螺栓松脫、放電點查找、通道內導線和樹木距離等。紅外影像通?？梢栽\斷輸電線路設備的發熱缺陷，包括絕緣子內部缺陷、導線接頭接觸不良、金具缺陷等引起的發熱現象。紫外影像主要用于結合可見光影像，快速識別異常放電部位。對于常規任務載荷的控制、數據獲取和智能分析，以及研發適合與電力線路巡檢的新型任務載荷設備，是利用無人機進行電力線路巡檢的關鍵環節。

依托云端具備強大算力的GPU服務器或具備一定算力的邊緣計算設備，通過深度學習與云計算相結合的方式，利用人工智能視覺處理與分析算法對可見光圖像進行智能識別，對圖像數據進行自動分析，實現對輸電線路本體缺陷的智能自動識別，如圖2所示。

圖2 輸電線路缺陷的可見光影像智能自動識別

通過無人機搭載的激光雷達，對輸電線路所處的空間環境進行測繪，可以獲取完整的輸電線路及通道走廊的激光點云數據，從激光點云數據中提取出輸電線路導地線及桿塔的空間數據，同步獲取其相應的周邊地理信息，使輸電線路及周邊環境變成了可任意測量分析的精準立體三維模型，如圖3所示。通過激光點云形成的三維模型，巡檢人員可以觀察到線路通道走廊內目標物的空間位置和輪廓，并且可以通過軟件系統提供測量工具確定導地線、桿塔等與地面、建筑、植被等目標物之間的空間距離，距離測量精度可以到厘米級別，可用于輸電線路交跨距離測量、弧垂測量、導線風偏計算等。

圖3 輸電線路及通道走廊的激光點云三維模型

4.2 無人機自主巡檢導航和巡線機器人的投放與回收

承德電網正在研發的無人機巡線機器人復合系統，依據激光點云空間數據或測繪的精確輸電線路坐標數據，通過人工智能算法對輸電線路所處的空間位置進行識別與定位。根據輸電線路相對于無人機的位置，利用制導算法自動生成無人機巡檢所需的航點和航線，生成飛航指令并通過地面站發送給無人機，引導無人機自主航行至架空輸電線路導地線的正上方。利用無人機搭載的激光測距模塊得到架空輸電線路導地線相對于無人機的空間距離信息，根據空間信息以及實時測距數據，實時生成無人機自主飛行所需的控制數據參量，引導無人機到達巡線機器人的投放或回收位置，實現巡線機器人的精準投放和回收。同時，系統還設計了基于機器視覺的導地線檢測系統，包括機器視覺模塊、圖像處理模塊和導地線方位矯正模塊等，用于導地線可見光影像拍攝、智能識別和位置定位，輔助無人機自主飛行，以及巡線機器人的投放或回收。

5 結語

基于人工智能的輸電線路無人機巡檢系統，整合了數字成像技術、自動避障技術、高精度定位技術、人工智能自主學習及分析技術、邊緣計算技術、云計算技術、無人機自主巡檢技術，搭載可見光、紅外、紫外、激光雷達，以及巡線機器人等任務載荷，通過多種任務設備結合，對輸電線路進行自主巡視，具有機動靈活、功能多樣、展開迅速、快捷高效，以及超視距自動駕駛等優勢，極大地提高了輸電線路的無人機自主巡檢水平，使輸電線路巡檢質效得到了巨大的提升和飛躍。