配网无人机智能巡检专利技术现状.pdf

中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-24-专利分析改革开放以来，我国经济持续高速发展，与此同时电力系统的规模也在不断扩大，越来越多的输电线路架设在我国的大江南北，由于输电线路通常暴露在外界环境中，在长期的风吹雨打下，输电线路上容易出现多种故障，而线路中一旦产生故障就有可能影响到整条输电线路运行的安全性，因此为了保障国家电力系统的安全运行，需要定期对输电线路进行巡视检查。传统的电力线路巡检主要采用人工巡逻，即作业人员依靠地面的交通工具或徒步检查，该方式耗费大量人力物力资源，且效率低下。近年来，无人机技术的发展使得现阶段的无人机在续航能力及操控性能上得到大大提高，电力行业开始积极探索无人机技术运用于输电线路巡检的可能性，并研发出来一系列应用于输电线路巡检的无人机，这些无人机在续航里程、抗风能力以及海拔适应性等方面均进行了进一步优化，能够有效地帮助巡检人员克服地形以及天气状况的限制，大大降低巡检人员的工作强度，减少在巡检过程中由于恶劣的自然环境带来的伤亡风险，同时无人机还可以搭载多种检测装备和传感器，巡检效率大大提升，巡检参数更加多样化。无人机智能巡检技术分解就目前无人机智能巡检的应用而言，可将输电线路无人机巡检项目分为巡视与检修两大类，同时无人机自身飞行需要进行路径规划、规避输电线路上的障碍物，同时无人机飞行要面对续航、信号传输的问题，因此需要为无人机提供巡检项目的技术支撑，也是无人机智能巡检中所避免不了的需要研究的对象。因此，将无人机巡检技术分为巡视技术、检修技术、技术支撑三大分支，而巡视技术根据具体巡视方式的不同又划分为图像采集技术和传感器技术，检修技术根据具体无人机对输电线路进行工作的方式分为展放技术、除冰雪技术、灭火技术和除异物技术，技术支撑又划分为路径规划技术、避障技术和供电通信技术，如图 1 所示。专利申请情况在HimmPat数据库中，通过IPC分类号、CPC分类号、关键词等检索策略相结合，获得初步结果后通过浏览摘要和权利要求书的方式，将各个文献进行技术分支的划分，并且在浏览过程中将明显的噪音去除，利用 Excel 中的统计命令，对相关专利进行统计，分析无人机智能巡检技术目前的发展趋势。行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度配网无人机智能巡检专利技术现状李小婉 马立静李小婉 马立静（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心李小婉，女，硕士研究生，助理研究员，主要研究方向：电力电子领域发明专利实质审查。马立静，女，硕士研究生，助理研究员，主要研究方向：电力电子领域发明专利实质审查。-25-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期专利分析全球专利申请情况图 2 为无人机智能巡检技术全球专利申请趋势变化图，由图 2 可以看出，无人机智能巡检技术的发展大致经历了以下三个主要发展阶段。19732003 年为萌芽期，在这个时期，无人机智能巡检技术的发展处于初始状态，专利的申请总量一直处于很低的水平，且每年申请量呈现较小的波动状态，专利申请量增长非常缓慢，未形成一定的规模。20042013 年为平稳发展期，随着社会经济迅猛发展，电网规模的日益扩大，大范围、长距离、高密度的输电线路巡检十分紧迫，并且在该时间段内无人机技术及其关联技术均已发展成熟，国内外研究机构和企业开始了对输电线路的无人机巡检技术研究。因此，在这一阶段，无人机智能巡检技术得到了研究机构、企业的关注，与之相关的专利申请量也随之呈现逐年递增的趋势，从而逐步进入到一个稳定发展的时期。2014 年至今为快速增长期，无人机智能巡检技术能够提高线路作业的安全性、减少人力的投入、极大提高巡检的效率，因此逐渐替代了传统的人工巡检，成为一种重要的输电线路巡检方式，越来越受到业界关注，无人机智能巡检技术得到了高速发展。中国专利申请情况图3示出了关于无人机智能巡检技术中国专利申请趋势，可以看出，中国国内无人机智能巡检技术开始较晚，在 2009年之前，只有少量几篇专利申请，在该时间段内，国内有关无人机的技术刚起步，水平较低，其根源在于中国专利制度起步较晚，同时无人机技术作为近些年来新兴的技术，技术的成熟以及跨领域应用较晚；20102014 年，专利申请保持稳定增长，此阶段根据“西电东送、南北互供、全国联网”的战略部署，全国展开了大规模特高压输电线路的建设，并且无人机自身技术积累到一定程度，申请人开始关注无人机应用于输电线路领域，同时经过国内研究人员的努力，关于无人机智能巡检技术已经逐渐成熟，且日益受到重视，越来越多的公司和研究机构开始推出针对输电线路的无人机巡检产品；2015 年至今，专利申请快速增长，中国专利总申请量从 2015 年的 169 件增长到 2018 年最高的 390 件，增幅明显，此阶段可以说是百花齐放，无人机智能巡检技术的应用所带来的便利已经获得了国内外电力行业广泛的认可。在中国专利申请中，申请总量排名前十的申请人分别为云南电网有限责任公司电力科学研究院、贵州电网有限责任公司、温州睿楚科技有限公司、成都意町工业产品设计有限公司、广州供电局有限公司、广东电网有限责任公司、广东能飞航空科技发展有限公司、国家电网公司、广东电网有限责任公司、广东容祺智能科技有限公司。从主要申请人的分布可以看出，国家电网公司、各地供电公司作为国内用电保障的主要企业，其更加关注输电线路的状态以及相应工作方法，因此将无人机巡检技术应用到输电线路中，是国家电网、供电公司关注的重点。技术分支分析情况图 4 示出了无人机智能巡检技术中重要分支中国申请量分布情况，其中，图像采集是无人机智能巡检技术中最为主要的作业方式，占到了 32%，利用传感器技术进行输电线路巡检占到了 16%；通过无人机智能巡检技术进行输电线路除冰雪、除异物、展放以及灭火各占 10%、22%、18%以及 2%。无人机巡视技术作为无人机的“眼睛”，是申请人首先关注的重点，只有更为准确、快速的监测输电线路及其金具，才能更好地开展下一步的检修工作。而检修工作是输电线路图 1 无人机智能巡检技术分解图 2 全球专利申请趋势图 3 中国专利申请趋势图 4 技术分支中国申请量分布中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-26-专利分析必须面对的问题，输电线路覆冰、风筝、树枝等异物的清除有利益保障输电线路的安全。同时无人机作为控制的牵引装置，在线路的展放中能够起到地面放线所无可比拟的巨大优势。随着计算机技术的普及，各种模型、算法也被应用到无人机巡视技术中。因此，从巡检技术中各个分支的申请量变化趋势可以看出，近年来图像采集技术呈高速发展。而除冰雪、灭火技术由于其应用场景较小，因此申请量相对较低。图 5 示出了无人机智能巡检技术中重要技术支撑中国申请量分布情况，其中包括避障、路径规划、供电与通信，分别占比为28%、32%和40%。随着计算机技术的不断发展，无人机巡检路径规划、避障技术得到了快速的提高，融入了各种新的模型、算法，使得路径规划、避障技术往更快、更精准的方向发展，同时申请人引入实时更新的技术，使得无人机能够面对更为复杂多变的巡检环境。得益于新能源技术的快速发展以及电磁传感、导线取电技术的成熟，申请人不断完善无人机供电技术，同时随着互联网基站变多、北斗导航、5G 技术的普及，越来越多的申请人也开始对无人机的通信技术进行改进。重点专利技术分析巡视技术在无人机刚开始应用到输电线路的巡视中时，申请人主要关注的是装设在无人机上的巡视器件的选择，如CN101381002A（申请日 2008.10.24）通过在飞行机器人上安装精确导航系统，可以使飞行机器人准确地飞临待测绝缘子的上空，并与绝缘子保持最佳测量距离；同时，通过图像捕捉和传输系统，利用计算机图像处理技术和无线数据传输技术，在不用登杆的情况下，实现准确检测零值绝缘子的目的，极大减轻了劳动强度，提高了检测工人检测时的安全性。采集设备在无人机上的应用已经较为成熟后，申请人开始关注结合计算机算法来对采集到的状态数据做进一步优化，以期提高巡视的精确性、稳定性，并且降低巡视成本。如 CN101806888A（申请日 2010.03.19）中指出，利用红外成像仪探测目标，这类设备受气候影响太大，且作用距离太近；利用激光防撞雷达探测目标，激光防撞雷达较好的应用条件是在夜间，白天工作时太阳射线容易干扰，而且恶劣气候条件下作战能力也会有所降低；利用毫米波雷达探测目标，探测距离和抗干扰能力均得到提升，约在 1.5 3km左右，技术要求较高。检修技术自 2009 年起，无人机展放技术逐渐发展成熟，展放结构与线路配合也得以应用，如 CN209037856U（申请日为2018.11.12）中的多旋翼无人机电网高空作业安全绳挂接装置，给出了无人机与展放线缆具体连接及展放方法，解决了第一个攀爬人员和最后一个降落人员无安全绳保护的问题，提高了电网高空作业人员的安全保障，在一定程度上降低作业过程中的安全风险和事故。2008年南方雪灾之后，为了维护冬季输电线路的安全，无人机除冰雪逐渐成为研究热门，如 CN102412530A（申请日 2011.12.23）中机器人以 8 旋翼无人机形式飞行至作业地点，最大限度地接近线路，以利于执行线上巡检、清除异物、除冰等复杂任务，既利用多旋翼无人机技术的高稳定性、易操控性和灵活性，又利用线上机器人技术的针对性和智能性，使二者有机结合，从而克服两种技术各自的局限性。随着无人机除异物、除冰雪技术不断成熟，采用其他可装载于无人机上的设备也逐渐被申请人关注，如CN105999587A（申请日为 2016.06.28）中的电力高压架空线路火灾扑救无人机，将具体的灭火结构应用于无人机上，一方面起到了对灭火装置方位角度的调节，便于高空中各种姿态全方位灭火作业的进行，另一方面使得灭火装置在各种飞行姿势下始终处于水平平稳状态，防止抖动性过大对储放的灭火器造成安全隐患。技术支撑在无人机巡检技术中，供电系统保障无人机的正常飞行，通信技术将无人机采集的数据传输到远程系统或地面。如CN102183955A（申请日 2011.03.09）中的基于多旋翼无人机的输电线路巡检系统，涉及无人机巡检技术支撑的路径规划、供电、通信、避障功能，该无人飞行器在机载飞行控制系统的控制下，沿输电线路的外侧自动巡视飞行，输电线路防碰撞预警与控制部件相互配合，可对飞行器实施快速的避障控制，从而有效提高线路巡检的安全性。输电线路自身及所处环境情况复杂，无人机在巡检过程中需要避免障碍物带来的影响，如 CN202046439U（申请日 2011.04.26）中的电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统，与信号采集模块配合，实现实时避障功能，其飞控紧急避障机制还具备路径规划功能，能够通过某种算法计算环境数据，规划合理的避障路径。结语对于无人机巡检技术，全球与国内的专利申请及发展情况区别较大，国内相对于全球起步较晚，但发展速度较快，在 2015 年之后产生了申请量的快速增长。从技术分支角度讲，早期申请更多的关注点在于利用无人机实现输电线路常见的异物去除，随着科学技术的发展，图像采集、传感器技术也被集成到无人机智能巡检技术中。同时伴随着新能源、计算机、通信技术的高速发展，近年的研究重点已经从简单的机械结构，上升到较为复杂的模型、算法的应用，该研究方向具有较高的学术、科研要求，并且申请人对此颇具热情，有望成为今后发展的重点。图 5 技术支撑中国申请量分布