CN107479571A - 一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统，包括：机载耦合方式确定模块，用于根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式；四维信息管理空间模型建立模块，用于根据电力巡检的基础元素、巡检作业模式、时间序列、运行参数的优先级别和控制策略建立四维信息管理空间模型；策略库建立模块，用于根据所述四维信息管理空间模型建立对应的策略库并设置对应的控制程序；巡检任务规划模块，用于根据巡检任务执行过程中采集的实时数据信息、外部命令选择对应的策略，并下发控制命令至无人机平台；调度模块，用于接收所述控制命令，根据所述实时数据信息、无人机状态和控制命令，对执行电力巡检任务的无人机进行协调控制。

Description

一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统的运行检修领域，并且更具体地，涉及一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统及方法。

背景技术

电力线路是电力系统的重要组成部分，它的安全可靠运行直接关系到一个国家经济的稳定发展。我国电力线路分布点多面广，导地线、绝缘子及杆塔塔材等长期暴露在自然环境中，受材料老化、雷电放电、人为外力破坏等的影响而产生腐蚀、损坏、确实等问题，必须及时修复或更换。电力线路的巡检是有效保证电力线路及其设备安全的一项基础工作，通过电力巡检，能及时有效的发现设备缺陷和危及线路安全的隐患，以便及时消除相关缺陷，预防电力系统事故的发生，保证输电线路安全和电力系统的稳定。

在电力线路巡检工作中，无人机平台搭载丰富的传感器设备，实现远距离自主飞行，完成输电线路的自动巡检。无人机巡检既克服了载人机飞行审批程序复杂、使用维护成本高等诸多缺点，又避免了人工巡检方式漏检事件的发生，减少了人工，提高了输电线路巡检效率。近年来，无人机巡检在电力系统中得到极大的应用。常用电力巡检无人机有大中型旋翼无人机、小型旋翼无人机和中小型固定翼无人机，大中心旋翼无人机体积大、空机重量高且价格昂贵，其操控难度大，在安全性方面存在一定的风险；小型旋翼无人机便宜，巡检精度高，但其续航能力差；中小型固定翼无人机巡检效率高，但巡检精度有限。用于电力巡检的无人机还受到通讯距离短、抗干扰能力差等能力的困扰。

发明内容

本发明提供了种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统及方法，解决了无人机在输电线路电力巡检过程中信息管理方面考虑影响因子不全，巡检信息不丰富，巡检对象不明确，导致巡检结果不准确的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统，所述系统包括：机载耦合方式确定模块、四维信息管理空间模型建立模块、策略库建立模块、巡检任务规划模块、调度模块。

所述机载耦合方式确定模块，用于根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式；

所述四维信息管理空间模型建立模块，用于根据电力巡检的基础元素、巡检作业模式、时间序列、运行参数的优先级别和控制策略建立四维信息管理空间模型，其中所述基础元素包括：无人机平台和传感器；

所述策略库建立模块，用于根据所述四维信息管理空间模型在不同的设备中建立对应的策略库并设置对应的控制程序，所述策略库包括：任务分配策略、航线规划策略和控制策略；

所述巡检任务规划模块，用于根据巡检任务执行过程中采集的实时数据信息、外部命令选择对应的策略，并根据所述策略下发控制命令至对应的无人机平台；

所述调度模块，用于接收所述控制命令，根据所述实时数据信息、无人机状态和控制命令，对执行电力巡检任务的无人机进行协调控制。

优选地，其中所述巡检作业模式包括：通道巡检、精细巡检、故障巡检和特殊巡检等。

优选地，其中所述机载耦合方式确定模块包括：无人机平台选择单元、传感器类别选择单元和耦合方式判断单元，

所述无人机平台选择单元，用于根据电力巡检任务和作业环境等信息选择至少一个无人机平台；

所述传感器类别确定单元，用于根据电力巡检任务的的作业模式、侧重点和巡检对象选取至少一个传感器，所述巡检对象包括：线路本体、附属设施和通道及电力保护区；

所述耦合方式确定单元，用于判断所选择的无人机平台和传感器类别的耦合指标是否满足预设耦合指标。

优选地，其中所述运行参数的优先级别为：目标任务状态、目标任务级别、目标任务难度和无人机的执行能力。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检方法，所述方法包括：

根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式；

根据电力巡检的基础元素、巡检作业模式、时间序列、运行参数的优先级别和控制策略建立四维信息管理空间模型，其中所述基础元素包括：无人机平台和传感器；

根据所述四维信息管理空间模型在不同的设备中建立对应的策略库并设置对应的控制程序，所述策略库包括：任务分配策略、航线规划策略和控制策略；

根据巡检任务执行过程中采集的实时数据信息、外部命令、选择对应的策略，并根据所述策略下发控制命令至对应的无人机平台；

无人机平台接收所述控制命令，根据所述实时数据信息、无人机状态和控制命令，对执行电力巡检任务的无人机进行协调控制。

优选地，其中所述巡检作业模式包括：通道巡检、精细巡检、故障巡检和特殊巡检。

优选地，其中所述根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式，包括：

根据电力巡检任务和作业环境等信息选择至少一个无人机平台；

根据电力巡检任务的的作业模式、侧重点和巡检对象选取至少一个传感器，所述巡检对象包括：线路本体、附属设施和通道及电力保护区；

判断所选择的无人机平台和传感器类别的耦合指标是否满足预设耦合指标。

优选地，其中所述运行参数的优先级别为：目标任务状态、目标任务级别、目标任务难度和无人机的执行能力。

本发明提供了一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统及方法，根据不同的巡检作业模式细化电力巡检对象，巡检目标，丰富的信息确定无人机平台的机载耦合方式，然后根据建立的四维信息管理空间模型进行无人机巡检，有效解决了复杂条件下的无人机/无人机群电力巡检的任务分配、信息优化管理等问题，使得无人机/无人机群协同电力巡检作业自动化能力更强，避免了无人机/无人机群在协同作业过程中考虑影响因子不全而产生的运行缺陷，提高了整个系统的运行效率，并且巡检效果更好，可以更好的满足电力线路的巡视需求。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统100的结构示意图；

图2为根据本发明实施方式的判断机载耦合的示意图；

图3为根据本发明实施方式的思维信息管理空间的示意图；

图4为根据本发明实施方式的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检方法400的流程图；

图5为根据本发明实施方式的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检的示例图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统100的结构示意图。如图1所示，所述基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统100用于基于四维信息管理空间利用无人机对电力系统进行巡检，所述巡检系统将电力巡检由过去的人工巡检或者单一无人机电力巡检推向无人机/无人机群电力巡检，根据不同的巡检作业模式细化电力巡检对象，明确最主要的巡检目标，根据丰富的信息确定无人机平台的机载耦合方式，建立四维信息管理空间模型，综合考虑了各个因素并有效选用，避免了无人机/无人机群在协同作业过程中考虑影响因子不全而产生的运行缺陷，同时，选用的无人机平台和传感器组合方式丰富、针对性强，可以运用于国内最复杂输电线路的精细化巡检，弥补此前国内其他巡检方法的覆盖面不足等问题，可以识别的缺陷种类更丰富，巡检效果更好，可以更好的满足电力线路的巡视需求，提高了整个系统的运行效率。所述基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统100包括：机载耦合方式确定模块101、四维信息管理空间模型建立模块102、策略库建立模块103、巡检任务规划模块104和调度模块105。优选地，所述机载耦合方式确定模块101，用于根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式。

优选地，其中所述机载耦合方式确定模块包括：无人机平台选择单元、传感器类别选择单元和耦合方式判断单元，

所述无人机平台选择单元，用于根据电力巡检任务和作业环境等信息选择至少一个无人机平台；

所述传感器类别确定单元，用于根据电力巡检任务的的作业模式、侧重点和巡检对象选取至少一个传感器，所述巡检对象包括：线路本体、附属设施和通道及电力保护区；

所述耦合方式确定单元，用于判断所选择的无人机平台和传感器类别的耦合指标是否满足预设耦合指标。

在在电力系统中，无人机/无人机群的巡检对象主要包括三大部分：线路本体、附属设施、通道及电力保护区。具体的巡检对象又可以细化。比如：线路本体可以分为：杆塔、绝缘子线路金具等装置。附属设施可以分为：防雷装置、检测装置、防舞动、防覆冰装置、杆号、相位等标志。通道及电力保护区可以细化为：建筑物、树木、道路、桥梁、污染源、防洪及排水设施等。根据不同输电线路的作业环境选取合适的无人机/无人机群平台，在不同的巡检作业模式下，根据不同的巡检侧重点和巡检对象，其无人机/无人机群平台机载耦合方式(无人机搭载哪几种传感器)可能有所不同。其中，无人机包括：大中型旋翼无人机、小型旋翼无人机、中小型固定翼无人机等；传感器包括：可见光相机、红外热像仪、紫外成像仪、激光扫描机等。随着技术的进步，传感器的总类会越来越丰富。

图2为根据本发明实施方式的判断机载耦合的示意图。如图2所示，根据不同输电线路的作业环境选取合适的无人机/无人机群平台，然后根据巡检作业模式，选择无人机平台搭载不同的传感器进行工作，并判断所选择的无人机和传感器的耦合参数是否满足紧耦合指标，如果满足则进行下一步确定方案，否则重新选取。将这些基础元素，以一定的网络拓扑结构进行集成，并与外部系统互联，从而构建四维信息管理空间的模型基础，即电力系统巡检执行系统。

优选地，所述四维信息管理空间模型建立模块102，用于根据电力巡检的基础元素、巡检作业模式、时间序列、运行参数的优先级别和控制策略建立四维信息管理空间模型，其中所述基础元素包括：无人机平台和传感器。优选地，其中所述巡检作业模式包括：通道巡检、精细巡检、故障巡检和特殊巡检。优选地，其中所述运行参数的优先级别为：目标任务状态、目标任务级别、目标任务难度和无人机的执行能力。

在本发明的实施方式中红，首先根据系统实际情况，将已选用的无人机/无人机群平台和搭载的填入基础元素表；然后将该系统所具有的几种巡检作业模式以穷举的方式填入第一维度表；将所需进行优化管理的时间点进行排列并填入第二维度表；将各类影响因子按优先考虑的顺序填入第三维度表；最后将无人机/无人机群控制策略填入第四维度表，形成四维信息管理空间模型。

图3为根据本发明实施方式的思维信息管理空间的示意图。如图3所示，所述四维信息管理空间模型主要由元素基础B(Basic)和四个维度组成。四个维度分别为：巡检作业模式M(Model)、时间序列T(Time)、优先级别P(Priority)、控制策略C(Control)。该模型通过多维度组合的方式，综合考虑各类影响因子并有效选用，对整个系统在不同作业模式下进行优化，从而使整个无人机群系统的资源达到最优配置。

第一维度为系统的巡检作业模式M(Model)。在电网实际应用需求中，采用无人机/无人机群进行电力巡检的作业模式主要包括通道巡检、精细巡检、故障巡检、特殊巡检等。以选取的执行复杂电力巡检的无人机/无人机群系统为例，其主要巡检作业模式有：模式一：通道巡检；模式二：精细巡检；模式三：故障巡检和模式；四：特殊巡检。

第二维度为系统运行的时间序列T(Time)。该时间序列主要是指系统在第一时刻T0对第二时刻T1的无人机航线进行预测，并对无人机航线进行优化；在第二时刻T1来临时，结合该时刻无人机/无人机群巡检任务完成情况、航点位置、飞行环境条件对航路进行优化，进而对任务分配进行优化，对各无人机/无人机群进行调整，以期在第三时刻T2时，能够达到全局资源最优配置，以方便无人机群协作完成电力线路巡检任务，以此类推，形成整个系统运行的时间序列。

T0时刻：无人机、无人机群根据自身航点位置，航路规划情况进行判断，确定无人机的下一步动作。如按预定航线继续进行电力巡检、更改航线进行电力巡检、重新组队执行新的巡检任务、返程等。

T1时刻：无人机、无人机群根据电力巡检任务完成情况、飞行过程中收集到的温湿度、风力、障碍物等环境信息进行相关调整，确定无人机的下一步动作。

T2时刻：根据调整的任务执行情况与期望值比对，再次进行优化调整。以此类推。

第三维度为判定参数的优先级别P(Priority)。该优先级别主要是指系统在运行时，通过对运行参数的优先判定和逐级分解，将相关约束条件全部集成，为进一步的控制策略制定提供前提。以选取的执行复杂电力巡检的无人机/无人机群系统为例，其主要优先级别有：

第一级：目标任务状态(如目标任务已完成，目标任务未完成等)；

第二级：目标任务级别(如目标任务是主要任务，目标任务是次要任务等)；

第三级：目标任务难度(如任务复杂、任务简单等)；

第四级：无人机执行任务的能力(如全部能力，部分能力，无能力等)。

第四维度为系统的运行控制策略C(Control)。该控制策略主要是指在不同巡检作业模式、不同时序和多约束条件下对基础元素进行的操作控制。以选取的输电线路电力巡检无人机群系统为例，其主要控制策略有：

第一类：无人机/无人机群继续执行任务(任务未完成)；

第二类：无人机/无人机群重新组群执行任务(任务未完成)；

第三类：无人机/无人机群重新组群执行任务(任务已完成)；

第四类：无人机/无人机群返程(任务未完成)；

第五类：无人机/无人机群返程(任务已完成)等。

优选地，所述策略库建立模块103，用于根据所述四维信息管理空间模型在不同的设备中建立对应的策略库并设置对应的控制程序，所述策略库包括：任务分配策略、航线规划策略和控制策略。根据已经建立的四维信息管理空间模型，在系统中建立对应的策略库(任务分配，航路规划，控制策略)。在单个无人机平台中，建立该单元平台的策略库；在最小单元中编写无人机的控制策略。

优选地，所述巡检任务规划模块104，用于根据巡检任务执行过程中采集的实时数据信息、外部命令选择对应的策略，并根据所述策略下发控制命令至对应的无人机平台。

优选地，所述调度模块105，用于接收所述控制命令，根据所述实时数据信息、无人机状态和控制命令，对执行电力巡检任务的无人机进行协调控制。

系统运行时，根据执行巡检任务的过程中采集的实时数据信息和外部命令，系统自动判定或者人工判定，并根据电力巡检任务配置合适的无人机群和记载耦合模式，选择对应指令下发给各无人机，进行系统级的优化配置；各无人机根据接收到的指令，调用事先编好的控制程序，针对实时信息，对执行电力巡检任务的无人机/无人机群进行协调控制；单个的无人机根据实时参数和事先写入的控制程序，执行单个设备的控制。

图4为根据本发明实施方式的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检方法400的流程图。如图4所示，所述于四维信息管理空间的无人机电力巡检方法400从步骤401处开始，在步骤401根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式。优选地，其中所述根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式，包括：

根据电力巡检任务的输电线路的作业环境选择至少一个无人机平台；

根据电力巡检任务的的作业模式、侧重点和巡检对象选取至少一个传感器，所述巡检对象包括：线路本体、附属设施和通道及电力保护区；

判断所选择的无人机平台和传感器类别的耦合指标是否满足预设耦合指标。

优选地，在步骤402根据电力巡检的基础元素、巡检作业模式、时间序列、运行参数的优先级别和控制策略建立四维信息管理空间模型，其中所述基础元素包括：无人机平台和传感器。优选地，其中所述巡检作业模式包括：通道巡检、精细巡检、故障巡检和特殊巡检。优选地，其中所述运行参数的优先级别为：目标任务状态、目标任务级别、目标任务难度和无人机的执行能力。

优选地，在步骤403根据所述四维信息管理空间模型在不同的设备中建立对应的策略库并设置对应的控制程序，所述策略库包括：任务分配策略、航线规划策略和控制策略。

优选地，在步骤404根据巡检任务执行过程中采集的实时数据信息、外部命令、选择对应的策略，并根据所述策略下发控制命令至对应的无人机平台。

优选地在步骤405无人机平台接收所述控制命令，根据所述实时数据信息、无人机状态和控制命令，对执行电力巡检任务的无人机进行协调控制。

图5为根据本发明实施方式的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检的示例图。如图5所示，首先根据电力业务需求、作业场地环境和巡检对象，巡检模式为特殊巡检，根据任务细分，主要检查输电线路金具和绝缘子情况，巡检线路金具，利用可见光相机发现均压环、屏蔽环烧伤，螺栓松动，间隔棒变形等情况，利用紫外成像仪检查线夹、均压环、屏蔽环的异常放电情况；巡检绝缘子，利用摄像机发现绝缘子的污秽、伞裙破损等情况，也可以利用红外热像仪探测绝缘子的温度异常情况。根据实际情况选择合适的无人机平台和传感器组合，将无人机/无人机群和无人机搭载的传感器对应填入基础元素表；然后分别将该系统所具有的几种巡检作业模式，如精细巡检、特殊巡检等，以穷举的方式填入第一维度运行模式表；将所需进行管理的时间点进行排列，如任务分配阶段、航路规划阶段等、填入第二维度表；将各类影响因子，如目标任务状态、目标任务级别、目标任务难度等按优先考虑的顺序填入第三维度表；将对无人机的控制策略填入第四维度表；根据已经建立的四维信息管理空间模型，在不同的设备中建立对应的策略库及逻辑程序。系统运行时，根据任务规划、采集的数据信息和外部命令，系统自动判定，并选择对应策略指令下发给个无人机平台，进行系统级的资源优化配置；各个无人机，根据采集到的各种数据信息和外部传来的策略指令，调用相关控制程序，针对实时信息，协同完成电力巡检任务；根据实时参数和相关任务完成情况，执行单个无人机的控制。

本发明的无人机电力巡检不仅仅局限于单个无人机，也可以采用无人机群进行电力巡检；搭载配备丰富的传感器设备，单个无人机可以执行单项或多项巡检任务，也可以组建无人机群执行单项或多项巡检任务。根据不同的巡检作业模式细化电力巡检对象，明确最主要的巡检目标，根据丰富的信息确定无人机平台的机载耦合方式，这些方式都使得无人机/无人机群电力巡检针对性更强，可以识别的缺陷种类更丰富，巡检效果更好，可以更好的满足电力线路的巡视需求。

本发明的实施例的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统100与本发明的另一个实施例的基于四维信息管理空间的无人机电力巡检方法400相对应，在此不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (8)

1.一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检系统，其特征在于，所述系统包括：机载耦合方式确定模块、四维信息管理空间模型建立模块、策略库建立模块、巡检任务规划模块、调度模块。

所述机载耦合方式确定模块，用于根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式；

所述四维信息管理空间模型建立模块，用于根据电力巡检的基础元素、巡检作业模式、时间序列、运行参数的优先级别和控制策略建立四维信息管理空间模型，其中所述基础元素包括：无人机平台和传感器；

所述策略库建立模块，用于根据所述四维信息管理空间模型在不同的设备中建立对应的策略库并设置对应的控制程序，所述策略库包括：任务分配策略、航线规划策略和控制策略；

所述巡检任务规划模块，用于根据巡检任务执行过程中采集的实时数据信息、外部命令选择对应的策略，并根据所述策略下发控制命令至对应的无人机平台；

所述调度模块，用于接收所述控制命令，根据所述实时数据信息、无人机状态和控制命令，对执行电力巡检任务的无人机进行协调控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述巡检作业模式包括：通道巡检、精细巡检、故障巡检和特殊巡检等。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载耦合方式确定模块包括：无人机平台选择单元、传感器类别选择单元和耦合方式判断单元，

所述无人机平台选择单元，用于根据电力巡检任务的输电线路的作业环境选择至少一个无人机平台；

所述传感器类别确定单元，用于根据电力巡检任务的的作业模式、侧重点和巡检对象选取至少一个传感器，所述巡检对象包括：线路本体、附属设施和通道及电力保护区；

所述耦合方式确定单元，用于判断所选择的无人机平台和传感器类别的耦合指标是否满足预设耦合指标。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运行参数的优先级别为：目标任务状态、目标任务级别、目标任务难度和无人机的执行能力。

5.一种基于四维信息管理空间的无人机电力巡检方法，其特征在于，所述方法包括：

根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式；

根据电力巡检的基础元素、巡检作业模式、时间序列、运行参数的优先级别和控制策略建立四维信息管理空间模型，其中所述基础元素包括：无人机平台和传感器；

根据所述四维信息管理空间模型在不同的设备中建立对应的策略库并设置对应的控制程序，所述策略库包括：任务分配策略、航线规划策略和控制策略；

根据巡检任务执行过程中采集的实时数据信息、外部命令选择对应的策略，并根据所述策略下发控制命令至对应的无人机平台；

无人机平台接收所述控制命令，根据所述实时数据信息、无人机状态和控制命令，对执行电力巡检任务的无人机进行协调控制。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述巡检作业模式包括：通道巡检、精细巡检、故障巡检和特殊巡检。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据电力巡检任务确定无人机平台和传感器类别的耦合方式，包括：

根据电力巡检任务、作业环境等信息选择至少一个无人机平台；

根据电力巡检任务的的作业模式、侧重点和巡检对象选取至少一个传感器，所述巡检对象包括：线路本体、附属设施和通道及电力保护区；

判断所选择的无人机平台和传感器类别的耦合指标是否满足预设耦合指标。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述运行参数的优先级别为：目标任务状态、目标任务级别、目标任务难度和无人机的执行能力。