一種基于GPS定位技術的無人機智能光伏巡檢系統

呂德利，王 旋

（1.中電科技揚州寶軍電子有限公司，江蘇 揚州 225003；2.天津航大數據有限公司，天津 300300）

光伏產業是基于新能源需求而融合發展、快速興起的朝陽產業，也是實現制造強國和能源革命的重大關鍵領域。本文為光伏電站提供集智慧運維、智能巡檢、運行監控、故障診斷及現場安防于一體的智慧化方案，建立移動化、流程化的運維管理機制，提升運維管理水平；通過無人機智能巡檢，實現巡檢無人化；通過大數據分析，實現設備故障監測診斷；通過實時監控生產數據，實現多個光伏電站集中管控。加快實現智能制造、智能應用、智能運維和智能調度，全面提升我國光伏產業發展質量和效率。

目前光伏巡檢面臨著較大的生產、管理和信息化問題，生產現狀方面的問題主要有場站面積大、設備多及光伏組件復雜等；集中監控平臺不能對生產數據進行有效分析；巡檢工作量大、檢修運維效率低、設備問題難以發現。光伏現場管理方面的問題主要有場站設備檢修、巡視點檢、運行數據統計工作量大；點多面廣、人員分散，資源不能有效利用；多種運檢模式并存，不能滿足管理要求。光伏設備信息化方面的問題主要有系統相互獨立，基礎數據不能共享，信息孤島嚴重；已有信息化系統數據缺乏規范化、標準化手段，不能支撐數據應用的需求。針對以上問題，本文提出了一種基于GPS定位技術的無人機智能光伏巡檢系統，有效解決光伏巡檢過程中所面臨的生產、管理和運行問題。

1 系統介紹

1.1 系統簡介

該系統主要由多源協同偵查平臺、多源協同任務規劃平臺和智慧光伏運維管控平臺組成。多源協同偵查平臺包含無人機和便攜式檢測設備，具備小體積、大載重、長續航和快拆設計等特點，適配三光載荷，可快速響應。多源協同任務規劃技術包含協同任務規劃和協同任務監控，協同任務規劃支持任務規劃和控制，并運行任務規劃算法，提供多機協同任務的路徑及飛行指令，支持三光載荷的指控；協同任務監視提供雙屏顯示，具備與載荷和指控中心的雙向交互。系統架構圖如圖1所示，系統功能模塊圖如圖2所示。

圖1 一種基于GPS定位技術的無人機智能光伏巡檢系統架構圖

圖2 一種基于GPS定位技術的無人機智能光伏巡檢系統功能模塊圖

1.2 系統功能亮點

系統各載荷的設計具備高度的獨立性。各載荷的功能調試可獨立進行，直接獲取載荷數據，完成協同任務監視、智慧運維決策和智慧運維評價，檢測結果及圖片上傳至指控中心和任務規劃軟件。各載荷如需生成無人機控制指令，須通過Mavlink協議將指令發送給任務規劃軟件，硬件結構如圖3所示。

圖3 系統智能檢測技術數據流程圖

2 多源協同偵查平臺設計

多源協同偵查平臺提供小型旋翼無人機，用于空中巡檢，同時搭載三光載荷偵查系統。提供手持云臺相機，用于地面巡檢。平臺主要應用于對地面光伏發電設備的全天候檢查及異常數據采集，整個平臺作為光伏發電多源信息協同感知的智能檢測技術的數據采集端。

無人機編組集成模塊主要負責無人機平臺與任務載荷的集成工作，能通過控制器控制無人機飛行和載荷執行任務，能在控制器或地面顯控臺顯示無人機平臺、載荷狀態和視頻，每套系統分別包含無人機平臺（包含數傳圖傳、導航定位等）、任務載荷、控制器和地面顯控臺，并可按照多無人機承載車輛的要求進行無人機的運輸和放飛，模塊架構如圖4所示。

圖4 無人機平臺與任務載荷集成示意圖

3 多源協同任務規劃平臺

多源協同任務規劃平臺主要由光伏區域起降點精準定位模塊、光伏區域巡檢路徑規劃模塊組成，其中光伏區域起降點精準定位模塊提供所有光伏區域的位置先驗信息，在此基礎上光伏區域巡檢路徑規劃模塊與無人機編組集成系統組合能夠完成后續巡檢的所有關鍵任務，包括路徑規劃、載荷任務規劃、載荷控制和狀態數據監控等。

3.1 光伏區域起降點精準定位模塊

光伏區域位置信息的獲取是整個光伏巡檢任務的首要任務，可依據電站所擁有光伏組串分布，來獲取無人機巡檢的先驗位置信息。以谷歌地球等衛星遙感數據為基礎，獲取整個電站的GIS地圖，進一步通過GPS定位技術來進行無人機導航，依據二維、三維重建等方式重建出物理場景，還原高精度光伏區域性地圖。

通過圖像識別算法識別圖片中的光伏區域，排除了背景的冗余信息，再在此基礎上進行光伏區域的定位，對廣域光伏進行分區分塊，為集群無人機提供巡檢起降點信息，此策略可保證光伏區域起降定位點的可靠性，大大減少計算資源的消耗，提高了整個智能化流程的經濟性。

3.2 光伏區域巡檢路徑規劃模塊

利用光伏區域起降點精準定位模塊對廣域光伏區域分區之后，需要在單個分區內對無人機路徑進行規劃。首先根據圖像的完整性需要，提出基于覆蓋式算法組串坐標的巡檢方式，并基于相機視野的自適應方法解決不同組串大小不一的情況，也使用遺傳算法來解決不同分區之間的先后巡檢順序問題。

覆蓋式算法的基本思路是根據初始方向、路徑間隔和路徑線型等因素在封閉圖形內規劃出一條充滿整個圖形的路徑；利用光伏區域起降點精準定位模塊決定路徑的初始點及其行進方向，根據路線的密集程度決定路徑間隔，根據路徑的形狀決定路徑的線型。常用的路徑線型有2種，分別為“S”型和“回”型。

4 智慧光伏運維管控平臺

4.1 智慧運維管理

通過多源協同偵查平臺以及多源協同任務規劃平臺實時監控光伏廠區組件、箱逆變、線路和升壓站等設備的運行情況，為生產運營中心運行人員、現場維檢人員提供精準的預警、告警信息?，F場維檢人員根據無人機巡檢結果并借助智能手持終端接收任務工單，自動生成現場作業方案，作業方案一般包括無人機操作票、備品備件信息、風險點和作業路線等信息。

作業人員攜帶所需備品備件及相應工具到工作現場，還可通過智能穿戴設備與監督人員進行實時交互，對檢修點進行確認。遇到難題實時獲取后臺專家知識庫支撐，提高運維效率。故障原因及措施自動收入安全生產運維資源庫，檢修過程形成閉環管理。

4.2 光伏設備健康狀況監測與智能預警

運行人員及多源協同感知系統在巡檢過程中記錄生產、設備、管理信息，監測實際運行狀況，生成運行報表。實現損耗分析、系統效率分析、電站日負荷曲線、智能光跟蹤和陰影遮擋分析等功能。實現電能量轉化設備監控、環境參數監控、輔助生產監控。

應用移動互聯網、物聯網及大數據技術，全面覆蓋、在線智能監測光伏電站所有設備，實時定位并準確判別故障，避免“無目的例行巡查”，指導開展人工現場檢測核驗消缺。將人工智能引入運維輔助決策，根據巡檢星系拓撲情況，分析判斷態勢變化，對比因狀態、時間、氣象和地理等因素變化產生的結果，經過模擬推演和自動評估，形成有利于當前環境的解決方案。

5 結束語

本文詳細介紹了一種基于GPS定位技術的無人機智能光伏巡檢系統設計方案，重點對系統組成、平臺設計、路徑規劃算法和運維管理等進行詳細描述。在未來的發展中，無人機智能光伏巡檢系統將進一步與互聯網、物聯網、大數據、云計算和人工智能等現代信息技術進行深度融合。無人機智能巡檢將會進一步突破信息感知、環境決策、智能控制、精準運維和個性化服務等技術，進一步推動我國光伏產業的數字化、智能化和生態化，推進我國智慧光伏戰略的快速實現。