随着现代化进程的推进，人类对电力的依赖性越来越高。电网巡检可及时发现各种电力设备的隐患和缺陷，是保障电力系统安全稳定运行的关键手段。我国幅员辽阔，地貌复杂，特别是山区地带，极端天气频发。受恶劣气象条件和环境的影响，架空线路有可能出现输电线老化、污闪、绝缘子损坏或断股等现象，若无法及时检修排查，则有可能导致供电系统故障，甚至引发多米诺骨牌效应，造成严重的经济损失或人身伤亡。
传统的人工电网巡检工作难度大、效率低、危险系数高，很难适应电网规模快速发展的需要，特别是在一些地理环境复杂的地区，甚至无法进行人工巡检。无人机电网巡检模式具有不受地域影响、机动灵活、效率高、成本低等优势，目前已逐步从理论研究过渡到实际应用的阶段，在电网运行维护领域日益深入。因此，依托数智化技术探索无人机电网巡检模式的关键技术及应用成为了一个值得关注的课题。
▶ 无人机电网巡检研究前沿及演化路径分析
无人机电网巡检集航空技术、导航、无线通信、电力传输、飞行控制等多领域的高精尖技术于一体，国外相关的研究最早可追溯至20世纪50年代。国内无人机电网巡检虽起步较晚，但经过不断的技术探索和实践，取得了相对丰硕的成果，并相继出台了无人机电网巡检相关技术导则和行业标准。
结合文献分析得知，我国无人机电网巡检的研究文献最早发表于2008年，其发展演化路径大致可以划分为三个阶段。
一、探索阶段（2008年—2011年）。该阶段电网部门已经尝试应用“载人直升机巡检”的模式，并提出了无人机电网巡检的理念。国家电网和南方电网分别于2009年和2011年成立了无人机巡检试点项目，标志着无人机电网巡检开始从理论研究转向应用研发；
二、快速发展与应用阶段（2012年—2017年）。2012年，大疆发布第一代航拍无人机引爆民用无人机市场，无人机电网巡检的应用前景受到重视。2013年，国家电网和南方电网开始部署无人机电网巡检模式，并进行试点推广。随后，无人机电网巡检模式的研发应用呈井喷式发展，除电力部门技术开发和实践积累外，国内多家无人机企业也在不断拓展创新电网巡检新技术。
三、自主智能巡检阶段（2018年至今）。随着相关技术逐渐成熟，无人机已成为电网巡检的常规模式，然而该模式在复杂环境下仍存在受干扰严重、识别故障类型受限、需要大量人工参与等局限性，无人机自主智能巡检成为新的发展趋势和迫切需求。
▶ 无人机电网巡检关键技术研究现状分析
近年来载人直升机巡检、机器人巡检和无人机巡检已成为电网巡检新的发展趋势，各有优缺点。载人直升机巡检不受地理环境的限制，实现长期、大规模的电力设备巡检，但相对昂贵，由于需保持较大的安全距离，其精度相对较低；机器人巡检可实现近距离检测，达到较高的巡检精度，但巡检速度慢，不适合大范围的日常巡检。与其他模式相比，无人机的电网巡检可有效避免以上缺点，因而在电网巡检领域得到了广泛的应用。
由于无人机电网巡检所采集的图像和视频易受复杂场景、光源、机械振动、巡航速度等影响，会不同程度存在运动模糊、图像噪声等问题，加之电网巡检常见的故障缺陷有将近900种，且电网配件型号多样，自动化识别故障难度较高。目前无人机电网巡检图像故障识别主要采用人工目测和仪器检测相结合的方式进行诊断，其处理技术主要有传统图像处理、机器学习、深度学习三种方法。
一、传统图像处理方法针对单一场景、单一故障类型识别精度高，但对于多目标、复杂场景处理能力较差。
二、机器学习方法利用一定数量的训练样本，针对特定目标通过设计算法提取特征并建模，以此训练机器学习能力，是目前无人机电网巡检的主流检测方法，并且识别效果相对较好，但针对同种功能设备类型多样性需要设计多种算法特征，可扩展性和适应性有待提高。
三、深度学习方法通过学习样本数据的深层内在规律，最终使得机器具备分析学习能力，在无人机智能化电网巡检目标上具备较强的可扩展性，可利用单个检测框架识别多种电网配件的故障或缺陷类型，成为了未来极具潜力的发展方向。
尽管目前图像预处理的方法多样，但针对无人机智能巡检领域，仍需要克服以下矛盾：
一、为提高图像处理精度，当前常用的深度学习网络模型层数越来越多，深度越来越深，训练参数规模越来越大，对硬件资源和设备内存要求较高。
二、无人机巡检应用过程中需要毫秒级的响应速度和数据传输，在当前处理器性能限制的情况下，必须减少深度学习网络携带参数的规模和计算量，以达到响应速度和数据传输标准。
因此，为解决实际应用问题，急需在图像预处理方面深入探索最佳的参数规模设计或优化算法。
目前，以无人机作为遥感承载平台主要利用可见光成像、紫外成像、红外热成像、激光雷达、超声波等传感器进行电力设备及线路通道的巡视和探测。
一、可见光成像技术
主要利用高清摄像头进行图像拍摄和影像录制，相对而言，该技术设备要求简单，应用广泛，但不易探测隐蔽的故障，且成像质量易受背景条件、光源、尘土等周围环境的影响。
二、红外线探测技术
该技术利用温度分布差异形成热成像，常用于探测和预警电网设备由于老化、生锈、接触不良等发热异常故障和内部绝缘故障，能够发现隐蔽较强的故障，但红外线难于探测热的良导体设备故障问题。
三、紫外线探测技术
部分输电设备故障时会产生电晕放电现象并发射紫外光谱。紫外成像设备通过探测的异常的紫外辐射进行故障定位。紫外线探测技术局限在于识别故障种类有限、灵敏度不高等，只有当电压或者电场强度超过电晕或者放电的临界值才有可能被探测出来。
四、激光雷达探测技术
激光雷达发射激光束扫描输电设备、电力通道和保护区内的目标物，通过接收反射信号，测算目标的空间位置、轮廓等，确定导线、障碍物、绝缘子、塔杆等3D点云模型和彩色影像，最终可实现安全距离评估、故障定位等功能。但在动态环境下有可能导致点云数据缺失或者密度较低，直接影响提取效率和精度。
五、超声波探测技术
该技术能够及时有效发现潜在性故障，但相对而言，所探测的故障种类和精度有待提升。
六、多传感器融合探测技术
与单传感器相比，多传感器融合探测技术的应用使得无人机电力巡检拥有更强的外部感知能力和更高的系统可靠性。结合各种探测技术的优点，根据巡检需求，通过获取采集时间和空间基准统一的多源数据，能够实现多元化对比分析和协同处理，有效识别多种故障类型并提高巡检精度。
无人机航迹规划是建立在导航定位与避障的基础上，考虑到巡检环境的复杂性，多采用电、光、磁等多传感器信息融合技术实现障碍物的监测和避障。常规的导航手段主要有卫星导航、惯性导航、无线电导航、地磁导航和传感器导航等，但以上单一导航方式很难满足无人机电网巡检高精度、可靠性的要求。
早期无人机电网巡检主要的路径导航方式有“人工示教+航迹复现”和预设航迹两种，但是都存在受干扰严重、适应性差、自动化程度低等缺点。现阶段RTK技术（实时动态差分技术）在电网巡检中被广泛应用，可实现厘米级精度的实时定位，但需要在偏远地区建设RTK基站实现信号的全覆盖。
此外，视觉导航也是一个研究热点，同样是采用机载传感器通过目标特征提取感知周围环境信息作为无人机导航依据，能够实现在未知的环境中实时定位自身位置，并同时构建环境三维地图，完成路径规划与避障的复杂任务，但该技术对于图像运动模糊、纹理不明显等特殊场景中，难以实现图像信息进行特征提取与位置匹配，需要其他导航源辅助，否则易导致图像位置信息丢失。
在无人机电网巡检路径规划与避障方面，虽然近年来取得了较大进展，但依然存在以下问题：
一、在已知环境下，为了保证定位精度，无人机电网巡检严重依赖视点位置和人工标记轨迹进行匹配导航，人工协同处理工作量大，无法真正实现自主智能巡检。
二、在未知环境下，需要不断采集新图像进行场景重建，需要大量时间规划新路径，实时性无法得到保证。
三、相关算法的实用性有待进一步提高，需面向无人机巡检路径规划和避障的实际应用，进行完善。
▶ 无人机电网自主智能巡检技术展望
自主化和智能化是未来无人机电网巡检的必由之路。现阶段电网巡检无人机仍处于初级智能阶段，仍需要大量人工协同，自动化、信息化、智能化水平比较低。未来，随着无人机电网巡检的大规模推广应用，融合现代化信息技术、推动无人机电网自主智能巡检是重要的发展趋势。
无人机电网巡检需要应对复杂的地理环境、多变的气象条件以及不同的作业场景，自主智能巡检意味着未来需进一步突破实时动态定位、感知与避障、目标精准识别与跟踪、智能航迹规划与自主飞行控制等技术难题。高级智能无人机必须要在具备感知、识别能力的基础上，增强推理、判断、决策和适应能力，实现自学习、自监测、自决策、自主控制等多种功能。
因此，通过运用现代信息技术、人工智能、深度学习、智能芯片等新兴技术提高数据源和信息源的可靠性、精度、传输的及时性等是实现自主智能化巡检的首要环节。
无人机运检管控平台集任务管理、数据处理、指挥调度、预警研判等功能为一体，其信息化、智能化、精益化建设水平尤其关键。通过融合“大云物移智链”等高新技术，构建多平台互联的智能管控系统，实现全面感知、场景联动、信息交换、多源融合、智能处理、协同监测等功能，提高无人机电网巡检的信息化水平。无人机电网巡检与新一代信息技术的深度融合，为构建立体化、集约化、可视化、智能化的管控平台和数据智能分析提供了技术支撑。
无人机电网巡检多采用轻量/小型多旋翼机型，续航时间一般在1 h以内，尤其对于山区、野外等偏远作业区域，严重制约智能化巡检的开展。目前主流的解决方案有两个：一是研发新的无人机能源与动力系统，二是建立无人机智慧机场。
鉴于电网巡检无人机受任务载荷的制约，太阳能电池、光伏电池、燃料电池和混合动力发动机等新能源技术成为了下一代无人机能源与动力系统的重点发展方向。此外，利用输电线电磁场为无人机能源与动力系统进行动态充能以延长续航时间，被认为是最具前景性的解决方案，但该技术目前仍处于实验阶段、应用难度较大。
此外，通过搭建“移动机巢”和“固定机巢”等形式的无人机智慧机场，也是突破无人机续航能力限制的重要解决方案。通过部署无人机智慧机场，能够极大促进无人机全天候、自动化巡检能力，提高电网巡检效率。
借助巡检效率高、机动灵活、成本低、安全性高等显著优势特点，无人机电网巡检正逐步替代人工巡检成为该领域主要推广方向之一。无人机电网巡检涵盖多个领域、多个学科的关键技术，是集多种功能需求于一体的系统工程。特别是在自主智能巡检方面，还面临不少的挑战。将现代化信息技术与无人机电网巡检进行深度融合，推动相关技术创新和突破，是未来智能巡检模式和智能电网建设的重要突破口。
来源：孟斌.河南省航空业协会
