论文部分内容阅读
摘要：随着我国经济发展和人民生活水平的提高，对于电力能源的需求也逐年增加，输电线路作为电力能源传输的重要载体，国家电网公司和南方电网公司也加快输电线路的建设，呈现逐年增加的趋势，但输电线路运维现状不容乐观。现有输电线路运维人员缺口较大，且传统人工巡检模式存在巡检工作强度高、效率低、效果差的问题，加之输电线路多位于远离城镇、远离交通干线、人烟稀少的高山大岭地区，需要特巡特维的任务日益增多，输电线路巡检工作面临的问题日益突出。近年来，电力公司积极采用新型运维方式代替传统人工巡检，其中无人机巡检在输电线路巡检中应用较为广泛，其灵活性强、操作难度低、巡检效率高、受地域环境影响小等优势逐渐显现，但随着实际的应用，其数据传输速率、人员操控、操控范围等方面的短板也逐渐暴露。目前5G网络的建设初见成效，基于5G的无人机技术也应用于输电线路，弥补了无人机应用存在的短板，从而解锁更多无人机在输电线路领域的应用场景。
关键词：5G技术;无人机;输电线路;巡检;应用
1.5G+无人机”的技术特点
相对于传统的无人机来说，“5G+无人机”最大的优势在于，为无人机产品提供了高速率、低功耗、低时延的5G网络支撑，这对于改善无人机图像信息传输质量和增强无人机的远距离控制极为重要。传统类型的无人机产品，一般使用2.4GHz、5.8GHz频段无线电频率进行数据传输，由遥控端和无人机之间直接进行数据传输，信号很容易受到周围环境的干扰和影响。使用了5G网络的无人机产品，一方面，能够利用大规模多输入多输出（mMIMO）技术对信号进行波束赋形，实现信号在水平方向和垂直方向的动态调整，以增强信号的指向性;另一方面，利用移动边缘计算技术（MEC）和网络切片技术，将移动接入网与互联网业务深度融合并有效进行网络资源的配置，为无人机产品提供高质量的网络服务;而随着5G网络的广泛覆盖，更有助于实现对使用5G网络无人机的远程控制。
2.基于5G技术在输电线路无人机巡检的应用
通过对无人机巡检的需求和5G网络技术的研究，结合无人机巡检的经验，开发出输电线路无人机巡检平台，平台利用人工智能、大数据、云计算、物联网等先进技术，集成输电专业无人机微应用，同时深度融入运检业务，根据实际需求实现全自动巡检、VR巡检和智能联动等功能。
2.1输电线路无人机巡检平台系统架构
输电线路无人机巡检平台系统架构由感知层、网络层、平台层和应用层4部分组成。1）感知层。通过无人机及其搭载设备实现图像信息和传感信息的采集与汇聚，具备边缘计算和区域自治能力，实现设备采集信息的就地预处理。2）网络层。即5G网络节点组成全覆盖的5G应用网络，为无人机及其搭载设备提供高可靠、高安全、高带宽的数据传输通道。3）平台层。其将设备管理的专业业务、数据、物联等共性需求沉淀封装成共享服务，支撑前端应用创新，包括电网资源业务中台、数据中台和物联管理平台。4）应用层。该层基于业务中台和数据中台统一服务，在统一数据模型、技术标准和框架下实现输电专业各类微应用建设。
2.2输电线路无人机巡检平台功能设计
本平台作为基于5G网络的新型无人机巡检平台，设计了首页、状态概览、巡线管理、无人机巡线、信息管理、资产管理和系统管理7类功能，实现线路管理、设备管理、权限管理、任务管理等管理需求，且提供无人机巡检的操作及监控能力，同时首页为大屏展示，提供实时图像、数据、告警信息、线路地图等信息的展示。1）首页。首页为大屏展示功能，可以提供巡线实时场景展示、多线路多图层可视化展示等图像展示功能，同时还可以提供安全运行天数统计、危险点统计、今日巡检任务统计、无人机巡检占比统计、本周巡检任务统计、实时告警及统计等信息的图表展示功能。2）状态概览。提供状态信息的可视化查看功能，提供线路地图的多图层展示，并通过点击图层内线路、无人机等图标，实现线路基本信息、杆塔基本信息、业务告警信息、无人机信息、搭载设备信息、无人机位置信息等信息的查看和显示功能。3）巡线管理。主要提供基础参数配置、巡检轨迹管理、任务管理、巡线记录和巡线报告等功能，主要为运维人员提供参数、无人机轨迹、任务的设置界面和巡线记录、巡线报告的查询界面。4）无人机巡线。主要提供全自动巡检、VR巡检和智能联动的操作和实时监控功能。5）信息管理。信息管理主要提供以关键词、线路、杆塔等信息为筛选条件的搜索功能，实现无人机信息、搭载设备信息、电池信息和告警信息的查询。6）资产管理。主要提供输电线路整套系统硬件设备的管理工作，实现线路、杆塔和无人机的基础信息的全周期綜合管理。7）系统管理。提供平台基本的数据配置、系统设置、权限管理和系统日志管理等功能。
2.3功能应用
2.3.1无人机全自动巡检
利用5G无人机的优势，可以实现无人化的全自动巡检。整套无人机巡检装置包括：5G无人机、全自动机场及在无人机上搭载高倍摄像头、激光、红外线热成像吊舱、电池等设备。同输电线路无人机巡检平台相结合，可以实现无人机全自动巡检。通过输电线路无人机巡检平台，对无人机进行人工远程操控，记录无人机飞行轨迹及操作动作流程，同时将输电线路以每条线路为基础建立巡检任务。巡检任务的内容包括线路名称、线路所属运维小组、巡检频率和巡检位置等信息。当无人机接到巡检平台下达的巡检指令后，立即从全自动机场起飞，按照存储的飞行轨迹和操作动作指令，完成本次全部飞行任务和操作动作，此过程中无人机可以在线路中间的临时停机场完成电池的自动更换，以达到长时间、长距离巡检的巡检要求。一般情况下，无人机搭载的高倍摄像头完成对输电线路及其周边环境所有关注细节的拍摄工作，将高清照片或视频通过5G网络传输至边缘物联代理，由边缘物联代理实现对图像数据的智能识别，然后将分析结果上传至巡检平台，并自动生成巡检报告从而完成整个全自动巡检任务。同时无人机还可以搭载激光设备，以月或季度为周期，利用激光点云技术完成对输电线路及其周边的扫描，并通过5G网络将数据上传至巡检平台，由巡检平台对上传数据进行分析、处理，自动生成巡检报告，实现对输电线路及其周边环境的安全评估。 2.3.2无人机VR巡检
由于边缘物联代理智能识别准确率和识别场景的限制，运维人员需要对存在问题的图片和视频进行二次审核，同时需要确认输电线路现场情况，此时可以利用VR技术，通过5G网络对无人机进行远程操控，实现无人机VR巡检。为实现无人机VR巡检，在无人机上搭载360°全景摄像头。利用5G网络高速度、大带宽、低延时、高精度的特点，运维人员可以在中心机房通过输电线路无人机巡检平台，对无人机进行远程操控，同时运维人员需要佩戴VR眼镜，通过5G网络使现场拍摄视频与VR眼镜实现同步，自由的进行全方位多角度观看，使运维人员能够身临其境的对输电线路的每个细节进行巡查，并对周围环境进行评估。
2.3.3无人机智能联动
无人机智能联动是指无人机与杆塔上图像监测装置结合，当图像监测装置检测到有问题时，通过平台间数据共享触发智能联动机制，控制无人机自动进行清障、喊话等操作，保障输电线路运行安全。当无人机巡检平台接到可视化平台推送的通道异物告警后，巡检平台将异物位置信息发送到无人机，同时给无人机发送清障指令，无人机接到指令后自动更换搭载设备，搭载激光清障器和高清摄像头，利用5G通信高带宽、低延时、高精度的特点，准确到达异物位置，并锁定异物，高能激光束射到目标异物，通过光热作用将架空线路上的漂浮型异物部位吸收激光导致局部温度急剧升高后熔化或气化，从而掉落。同理，当输电线路下方出现未经批准的非法施工或经过超高车辆后，无人机接到指令后自动更换搭载设备，搭载喊话装置和高清摄像头，快速到达指定位置，对下方施工人员或车辆司机进行喊话，勒令其停止施工或驶离，并进行录像保存证据，并将视频实时回传至无人机巡检平台，运维人员可以通过现场视频进行备案和责任追寻。
3.结语
针对无人机在输电线路巡检方面的短板，本文提出利用5G技术的高速度、大带宽、低延时、广连接的特点，解决目前无人机巡检存在的精度低、带宽小、高延时和操控范围小等痛点，同时与其他监测设备进行数据共享，实现智能联动等相关高级应用。目前5G覆盖范围较小，尤其是输电线路横跨的偏远地区，电力公司可以通过与运营商合作加强5G在电网领域的建设，同时也可以建立小型基站，建立5G专网，利用5G切片技术按需分配，优化网络使用环境。随着5G网络的全覆盖以及相关技术的成熟，5G无人机可以大范围应用于输电线路巡检领域，使输电线路巡检摆脱环境、地域和人员等传统巡检方式限制，较大程度上提高工作效率，同时保障外破、缺陷等问题的及时发现。电力公司还可以利用巡检过程中积累的大量数据进行数据共享，继而大数据分析，优化巡检任务，提升边缘计算能力，进一步提升输电线路巡检自动化水平，同时促进输电线路巡检的数字化转型。
参考文献
[1]杨小龙，谢晓君.针对高压输电线路技术无人機巡检的运用简析[J].通讯世界，2019，26（11）：263-264.
[2]冯薇玺，李清，周子强.输电线路无人机巡检智能管理系统的研究与应用[J].数字技术与应用，2019，37（11）：105-107.
关键词：5G技术;无人机;输电线路;巡检;应用
1.5G+无人机”的技术特点
相对于传统的无人机来说，“5G+无人机”最大的优势在于，为无人机产品提供了高速率、低功耗、低时延的5G网络支撑，这对于改善无人机图像信息传输质量和增强无人机的远距离控制极为重要。传统类型的无人机产品，一般使用2.4GHz、5.8GHz频段无线电频率进行数据传输，由遥控端和无人机之间直接进行数据传输，信号很容易受到周围环境的干扰和影响。使用了5G网络的无人机产品，一方面，能够利用大规模多输入多输出（mMIMO）技术对信号进行波束赋形，实现信号在水平方向和垂直方向的动态调整，以增强信号的指向性;另一方面，利用移动边缘计算技术（MEC）和网络切片技术，将移动接入网与互联网业务深度融合并有效进行网络资源的配置，为无人机产品提供高质量的网络服务;而随着5G网络的广泛覆盖，更有助于实现对使用5G网络无人机的远程控制。
2.基于5G技术在输电线路无人机巡检的应用
通过对无人机巡检的需求和5G网络技术的研究，结合无人机巡检的经验，开发出输电线路无人机巡检平台，平台利用人工智能、大数据、云计算、物联网等先进技术，集成输电专业无人机微应用，同时深度融入运检业务，根据实际需求实现全自动巡检、VR巡检和智能联动等功能。
2.1输电线路无人机巡检平台系统架构
输电线路无人机巡检平台系统架构由感知层、网络层、平台层和应用层4部分组成。1）感知层。通过无人机及其搭载设备实现图像信息和传感信息的采集与汇聚，具备边缘计算和区域自治能力，实现设备采集信息的就地预处理。2）网络层。即5G网络节点组成全覆盖的5G应用网络，为无人机及其搭载设备提供高可靠、高安全、高带宽的数据传输通道。3）平台层。其将设备管理的专业业务、数据、物联等共性需求沉淀封装成共享服务，支撑前端应用创新，包括电网资源业务中台、数据中台和物联管理平台。4）应用层。该层基于业务中台和数据中台统一服务，在统一数据模型、技术标准和框架下实现输电专业各类微应用建设。
2.2输电线路无人机巡检平台功能设计
本平台作为基于5G网络的新型无人机巡检平台，设计了首页、状态概览、巡线管理、无人机巡线、信息管理、资产管理和系统管理7类功能，实现线路管理、设备管理、权限管理、任务管理等管理需求，且提供无人机巡检的操作及监控能力，同时首页为大屏展示，提供实时图像、数据、告警信息、线路地图等信息的展示。1）首页。首页为大屏展示功能，可以提供巡线实时场景展示、多线路多图层可视化展示等图像展示功能，同时还可以提供安全运行天数统计、危险点统计、今日巡检任务统计、无人机巡检占比统计、本周巡检任务统计、实时告警及统计等信息的图表展示功能。2）状态概览。提供状态信息的可视化查看功能，提供线路地图的多图层展示，并通过点击图层内线路、无人机等图标，实现线路基本信息、杆塔基本信息、业务告警信息、无人机信息、搭载设备信息、无人机位置信息等信息的查看和显示功能。3）巡线管理。主要提供基础参数配置、巡检轨迹管理、任务管理、巡线记录和巡线报告等功能，主要为运维人员提供参数、无人机轨迹、任务的设置界面和巡线记录、巡线报告的查询界面。4）无人机巡线。主要提供全自动巡检、VR巡检和智能联动的操作和实时监控功能。5）信息管理。信息管理主要提供以关键词、线路、杆塔等信息为筛选条件的搜索功能，实现无人机信息、搭载设备信息、电池信息和告警信息的查询。6）资产管理。主要提供输电线路整套系统硬件设备的管理工作，实现线路、杆塔和无人机的基础信息的全周期綜合管理。7）系统管理。提供平台基本的数据配置、系统设置、权限管理和系统日志管理等功能。
2.3功能应用
2.3.1无人机全自动巡检
利用5G无人机的优势，可以实现无人化的全自动巡检。整套无人机巡检装置包括：5G无人机、全自动机场及在无人机上搭载高倍摄像头、激光、红外线热成像吊舱、电池等设备。同输电线路无人机巡检平台相结合，可以实现无人机全自动巡检。通过输电线路无人机巡检平台，对无人机进行人工远程操控，记录无人机飞行轨迹及操作动作流程，同时将输电线路以每条线路为基础建立巡检任务。巡检任务的内容包括线路名称、线路所属运维小组、巡检频率和巡检位置等信息。当无人机接到巡检平台下达的巡检指令后，立即从全自动机场起飞，按照存储的飞行轨迹和操作动作指令，完成本次全部飞行任务和操作动作，此过程中无人机可以在线路中间的临时停机场完成电池的自动更换，以达到长时间、长距离巡检的巡检要求。一般情况下，无人机搭载的高倍摄像头完成对输电线路及其周边环境所有关注细节的拍摄工作，将高清照片或视频通过5G网络传输至边缘物联代理，由边缘物联代理实现对图像数据的智能识别，然后将分析结果上传至巡检平台，并自动生成巡检报告从而完成整个全自动巡检任务。同时无人机还可以搭载激光设备，以月或季度为周期，利用激光点云技术完成对输电线路及其周边的扫描，并通过5G网络将数据上传至巡检平台，由巡检平台对上传数据进行分析、处理，自动生成巡检报告，实现对输电线路及其周边环境的安全评估。 2.3.2无人机VR巡检
由于边缘物联代理智能识别准确率和识别场景的限制，运维人员需要对存在问题的图片和视频进行二次审核，同时需要确认输电线路现场情况，此时可以利用VR技术，通过5G网络对无人机进行远程操控，实现无人机VR巡检。为实现无人机VR巡检，在无人机上搭载360°全景摄像头。利用5G网络高速度、大带宽、低延时、高精度的特点，运维人员可以在中心机房通过输电线路无人机巡检平台，对无人机进行远程操控，同时运维人员需要佩戴VR眼镜，通过5G网络使现场拍摄视频与VR眼镜实现同步，自由的进行全方位多角度观看，使运维人员能够身临其境的对输电线路的每个细节进行巡查，并对周围环境进行评估。
2.3.3无人机智能联动
无人机智能联动是指无人机与杆塔上图像监测装置结合，当图像监测装置检测到有问题时，通过平台间数据共享触发智能联动机制，控制无人机自动进行清障、喊话等操作，保障输电线路运行安全。当无人机巡检平台接到可视化平台推送的通道异物告警后，巡检平台将异物位置信息发送到无人机，同时给无人机发送清障指令，无人机接到指令后自动更换搭载设备，搭载激光清障器和高清摄像头，利用5G通信高带宽、低延时、高精度的特点，准确到达异物位置，并锁定异物，高能激光束射到目标异物，通过光热作用将架空线路上的漂浮型异物部位吸收激光导致局部温度急剧升高后熔化或气化，从而掉落。同理，当输电线路下方出现未经批准的非法施工或经过超高车辆后，无人机接到指令后自动更换搭载设备，搭载喊话装置和高清摄像头，快速到达指定位置，对下方施工人员或车辆司机进行喊话，勒令其停止施工或驶离，并进行录像保存证据，并将视频实时回传至无人机巡检平台，运维人员可以通过现场视频进行备案和责任追寻。
3.结语
针对无人机在输电线路巡检方面的短板，本文提出利用5G技术的高速度、大带宽、低延时、广连接的特点，解决目前无人机巡检存在的精度低、带宽小、高延时和操控范围小等痛点，同时与其他监测设备进行数据共享，实现智能联动等相关高级应用。目前5G覆盖范围较小，尤其是输电线路横跨的偏远地区，电力公司可以通过与运营商合作加强5G在电网领域的建设，同时也可以建立小型基站，建立5G专网，利用5G切片技术按需分配，优化网络使用环境。随着5G网络的全覆盖以及相关技术的成熟，5G无人机可以大范围应用于输电线路巡检领域，使输电线路巡检摆脱环境、地域和人员等传统巡检方式限制，较大程度上提高工作效率，同时保障外破、缺陷等问题的及时发现。电力公司还可以利用巡检过程中积累的大量数据进行数据共享，继而大数据分析，优化巡检任务，提升边缘计算能力，进一步提升输电线路巡检自动化水平，同时促进输电线路巡检的数字化转型。
参考文献
[1]杨小龙，谢晓君.针对高压输电线路技术无人機巡检的运用简析[J].通讯世界，2019，26（11）：263-264.
[2]冯薇玺，李清，周子强.输电线路无人机巡检智能管理系统的研究与应用[J].数字技术与应用，2019，37（11）：105-107.