ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНЫХ ЛЭП

Мониторинг воздушных линий электропередачи (ЛЭП) при помощи беспилотных авиационных систем (БАС) достаточно новое, но перспективное направление. На участках линий электропередачи, находящихся в труднодоступных местах, обследование наземными методами может затянуться на несколько дней или даже недель, а с помощью БАС — займет несколько часов.

Целью данной статьи является проведение сводного анализа экономической эффективности и технических решений использования БАС для мониторинга ЛЭП с воздуха. При этом юридические аспекты такого способа обследования ЛЭП не рассматриваются. Перечислим основные виды

работ, для которых возможно применение беспилотных систем:

— плановая диагностика — облет, наблюдение и фотографирование ЛЭП на малых и средних высотах, инспекция состояния ЛЭП и их охранных зон, выявление дефектов и нарушений, определение пространственных нарушений (в плане и по высоте) габаритов просеки и проводов;

— аварийно_восстановительные работы — облет ЛЭП на средних высотах при различных метеоусловиях, с использованием фотовспышки или тепловизора в ночное время;

— топографо_геодезические работы — создание цифровых топографических и кадастровых планов, трехмерных моделей местности и линий электропередачи, сопровождение работ по строительству и реконструкции ЛЭП.

Мониторинг ЛЭП с помощью БАС является безопасным, так как полет осуществляется на малых высотах и без экипажа на борту. Кроме того, существует еще ряд преимуществ: возможность съемки в сложных метеоусловиях и получение полной и документированной информации, т. е. ЛЭП обследуется на всей протяженности, съемка осуществляется с разных ракурсов (рис. 1), а полученные снимки имеют высокое разрешение. 

Рис. 1 Схема мониторинга ЛЭП с помощью БАС мультироторного типа

В России для мониторинга ЛЭП применяются БАС на основе беспилотных летательных аппаратов (БЛА) самолетного и мультироторного типов [1]. Среди БАС самолетного типа (рис. 2) следует отметить следующие:

Геоскан 101 и Геоскан 201 (ГК «Геоскан», Санкт-Петербург), Суперкам 100F, Суперкам 250F и Суперкам 350F («Финко», Ижевск) и Птеро_G0 («АФМ-Серверс»), а среди БАС мультироторного типа (рис. 3). — Геоскан 401 (ГК «Геоскан»), Суперкам Х8 («Финко») и Форпост Х6 [2–5]. В табл. 1 приведены основные технические характеристики БЛА самолетного и мультироторного типов и стоимость беспилотных авиационных систем на их основе, вклю чая программное обеспечение

(ПО) для обработки материалов аэрофотосъемки, по данным [5].

  
Рис. 2 Основные БАС самолетного типа, используемые в России для обследования воздушных ЛЭП: а) Птеро G0; б) Суперкам 350F; в) Геоскан 201

   
Рис. 3 Основные БАС мультироторного типа, используемые в России для обследования воздушных ЛЭП:

По результатам аэрофотосъемочных работ воздушных линий электропередачи с помощью

БАС можно получить снимки высокого разрешения, на которых хорошо различимы опоры, провода, изоляторы, состояние растительности и подстилающей поверхности в охранной зоне трассы ЛЭП (рис. 4 и 5). 

Цифровые снимки, полученные с помощью БАС, позволяют проанализировать достаточно большое число дефектов, таких как:

1. Дефекты опор — отсутствие, отрыв, деформация элементов металлических опор;

разрушение верхнего слоя и деформация железобетонных опор; отклонение опор от вертикали; разворот, деформация траверсов на железобетонных опорах; отсутствие натяжения внутренних стяжек и тросовых растяжек; падение, повреждение опор.

2. Дефекты проводов, линейной и сцепной арматуры — раз рушение элементов стеклянных и фарфоровых изоляторов; отсутствие гасителей вибрации, отсутствие грузов, потеря работоспособности несущего тросика, смещение виброгасителей вдоль проводов относительно проектного положения; отсутствие и неправильное расположение соединителей проводов;

изломы, отрывы лучей дистанционных распорок между проводами расщепленной фазы;

обрыв проводов.

3. Дефекты на трассе — наличие опасной для эксплуата ции воздушных ЛЭП растительности; падение деревьев на провода и опоры; наличие древесно-кустарниковой растительности в охранной зоне; наличие строений и прочих объектов в охранной зоне; пересечение с природными и антропогенными объектами; опасные явления (проседание грунта, подтопление и др.).

Согласно расчетам затрат на мониторинг воздушных ЛЭП, приведенным в табл. 2, использование БАС эффективнее по сравнению с наземными методами по следующим показателям:

— общая стоимость обследования 1 км ЛЭП сокращается в 6 раз;

— время на обследования 1 тыс. км ЛЭП сокращается на 58 дней.

  
Примечания:

* Общее расстояние полета предусматривает полет БАС в одну и другую сторону (в нем не учтено расстояние на маневры над ЛЭП, которое зависит от кривизны ЛЭП и частично от скорости ветра). При углах поворота около 12–150 БАС вынужден пролететь этот участок, совершив маневр (петлю). При экстремальных температурах и сильном ветре полетное время снижается. Использование в дождь не вредит БАС, однако может негативно сказаться на качестве получаемых фотоматериалов.

** Цены взяты с сайта [5] и актуальны на конец 2015 г.

*** Не учтены расходы на транспорт и другое оборудование.

**** Полная амортизация оборудования рассчитана на эксплуатацию в течение трех лет при следующих условиях: 2 взлета/посадки в день в течение 250 дней.

Обнаружение дефектов ЛЭП путем просмотра снимков специалистом — достаточно трудоемкая задача, однако для определения большинства из них этот способ пока единственный.

Для уменьшения объема ручного просмотра фотоматериалов и увеличения практической пользы данные, собранные с помощью БАС, передаются в геоинформационную систему (ГИС), в которой объединяются в единой базе данных с привяз кой к местности. Кроме того, в ГИС можно проводить качественный и количественный анализ местности и осуществлять быстрый доступ к результатам обследования (описанию обнаруженных дефектов), фотоизображениям обнаруженных дефектов и трехмерным моделям местности и линий электропередачи.

Такая технология разработана специалистами ГК «Геоскан» и включает следующие этапы.

БАС в автоматическом режиме выполняет аэрофотосъемку воздушных ЛЭП. Затем снимки с пространственными координатами привязки центров фотографирования и телеметрическими данными автопилота загружаются в фотограмметрическое программное обеспечение, в котором изображения автоматически ортотрансформируются и объединяются в ортофотоплан. Полученный ортофотоплан экспортируется в ГИС, где происходит анализ полученных данных.

Технологии мониторинга воздушных линий электропередачи беспилотными авиационными системами ГК «Геоскан» и других компаний будут представлены в отдельных статьях.

Для повышения качества и надежности определения де фектов воздушных линий электропередачи при их обследовании с помощью БАС в качестве полезной нагрузки кроме цифровых камер, работающих в оптическом диапазоне, могут быть использованы и другие типы измерительной аппаратуры, позволяющие получать видеоизображения в режиме реального времени, снимки в инфракрасном (ИК) и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах, либо облака точек лазерных отражений.

Рассмотрим подробнее особенности и возможности этой аппаратуры дистанционного зондирования воздушных линий электропередачи.

Обследование ЛЭП с помощью БАС самолетного типа с передачей видеоизображения в режиме реального времени на пульт оператору, в первую очередь, имеет смысл проводить для оперативного контроля состояния воздушных линий электропередачи, а также при возникновении чрезвычайных ситуаций. Однако большинство дефектов с высоты 200 м плохо различимы, поскольку разрешение изображений, получаемых с помощью видеокамеры в формате Full HD, составляет всего 2 Мпикселя (1920х1080 пикселя), что в 12 раз меньше, чем у снимков, полученных цифровой камерой Sony RX-1, активно применяемой для аэрофотосъемки. При этом возможное расстояние передачи видеоизображения составит не более 30 км, в противном случае БАС необходимо будет поднять выше для увеличения дальности передачи. Видео - съемка верхних элементов опоры ЛЭП может быть выполнена при помощи беспилотного летательного аппарата мультироторного типа, оборудованного камерой типа GoPro, с расстояния 3–5 м, и не потребует привлечения подъемника или вертолета, а также отключения на пряжения на линии.

При ИК_съемке ЛЭП тепловизором получаемые изображения обладают хорошей чувствительностью (0,1–0,3 K), но невысоким разрешением (640х480 пикселей) (рис. 6).

   
Рис. 6 Пример изображения, полученного при ИК#съемке тепловизором: с земли (слева), с БАС Птеро G0 (справа)

Поэтому по изображениям, полученным при высоте полета 200 м с помощью тепловизора, установленного на БАС самолетного типа, можно выявлять такие нарушения, как подтопление в охранных зонах, разрушение опор, нагрев значительной площади (около 1 м2), на пример, перегрев крупных трансформаторов, пожары. Для обнаружения нарушений на площади менее 1 м2 разрешения этих изображений будет недостаточно. Съемка элементов ЛЭП при помощи епловизора, установленного на БАС мультироторного типа, оптимальна, если ее невозможно выполнить наземными методами.

Изображения в ультрафиолетовом спектре при обследовании ЛЭП могут быть получены с помощью УФ_камеры, которая работает в диапазоне 240–280 нм (UVc). В этом диапазоне солнечная радиация поглощается атмосферным озоном, что делает возможным наблюдение частичных поверхностных разрядов (короны) при естественном освещении. Некоторые виды

дефектов могут быть выявлены только в ходе съемки УФ-камерой (рис. 7). Для этого необходимо обеспечить экспозицию обследуемого участка в течение 5–10 с. За это время счетчик импульсов прибора сможет получить усредненный показатель разрядной активности. При постоянной съемке в движении на скорости 70–90 км/ч одни источники разрядной активности останутся езамеченными, а на других — будут зафиксированы пиковые значения разрядной активности, на порядок превышающие средние значения. Проблема необходимости оставаться в одной точке во

время экспонирования кадра может быть решена за счет применения БАС мультироторного типа.

Рис. 7 Коронные разряды в УФ#спектре

Обследование ЛЭП с помощью БАС, оснащенных воздушными лазерными сканерами, имеет ряд ограничений. Лазерные сканеры с небольшой массой, выпущенные специально для использования на БАС, имеют ограничения по дальности измерения — порядка 100 м, к тому же учитывая, что сечение провода круглое и может рассеивать часть сигнала, съемку лучше выполнять с высоты 50 м, а это является неприемлемым для использования БАС самолетного типа (рис. 8).

   Рис. 8 Облако точек лазерных отражений, полученное при съемке ЛЭП

 Использование такой сканирующей системы на БАС мультироторного типа вполне возможно.

В мире прослеживается тренд по созданию автономных мониторинговых систем с автоматизированными станциями обслуживания беспилотных авиационных систем мультироторного типа. Одну из таких систем предлагает компания «СЪЕМКА С ВОЗДУХА». Система AeRod позволяет на специально оборудованных станциях обслуживания, размещаемых на опорах ЛЭП или других подведомственных объектах, осуществлять автоматические взлет/посадку и подзарядку БАС мультироторного типа (рис. 9) [5]. 

Рис. 9 БАС мультироторного типа на станции обслуживания системы AeRod

В заключение следует отметить, что применение беспилотных авиационных систем, особенно в труднодоступных районах и при чрезвычайных ситуациях, является одним из лучших

средств получения оперативной информации о состоянии воздушных ЛЭП. Использование этих данных позволяет компаниям, занимающимся эксплуатацией воздушных ЛЭП, анализировать состояние проводов, опор, просек и т. д. и принимать правильные управленческие решения, основываясь на точных фактах, а не на субъективном мнении специалиста, осматривающего ЛЭП. Мониторинг воздушных ЛЭП с помощью БАС является гораздо более оперативным, достоверным и экономически выгодным по сравнению с наземными методами контроля. 

Автор: 

В.К. Барбасов

В 2014 г. окончил факультет картографии и геоинформатики МИИГАиК по направлению «картография и геоинформатика». В настоящее время — руководитель инновационных проектов. 

Список литературы 

1. Барбасов В.К., Гречищев А.В. Мультироторные беспилотные летательные аппараты, представленные

на российском рынке: обзор // Инженерные изыскания. — 2014. — № 8. — С. 27–31.

2. ГК «Геоскан». — www.geoscan.aero.

3. Группа компаний «Беспилотные системы». — http://unmanned.ru.

4. Компания «АФМ_Серверс». — http://ptero.ru.