機器之心報導
機器之心編輯部
近日，美國工程管理學會（American Society for Engineering Management, a.k.a. ASEM）2020 國際年度會議（International Annual Conference 2020）公布了最佳論文獎項。在論文《A Two-Layer Routing Algorithm for Unmanned Aerial Vehicle in Transmission Line Inspection》中，密蘇裡科技大學 (Missouri Unversity of Science & Technology), 紐約州立大學石溪分校（Stony Brook University）) 和明略科學院合作提出的新型電力輸電線巡檢路徑決定方法獲得了該獎項。本文介紹了此論文核心內容。
電力輸電線系統需要定期巡檢，以發現可能存在的設備磨損並實施維護保養。最傳統的巡檢方法是人工巡檢，即工人在輸電線上「匍匐」移動，但這個方法費時費力，還很危險。後來，直升飛機被用於巡檢，檢查人員固定在直升機機艙外，對輸電線進行檢查。危險性雖然有所降低，但是依然存在，並且巡檢成本高昂。近期，巡檢機器人的方式得到了提倡，它能夠顯著提高作業效率、降低勞動成本和維護人員的風險。
在電力輸電線系統巡檢中用到的機器人一般分為兩類：懸掛式機器人（Suspended Robot）和無人機（Unmanned Aerial Vehicle）。無人機巡檢因其高效和在不同領域中的成功應用引起了廣泛關注。
在使用無人機進行電力輸電線系統巡檢時，需要部署地面控制站，以保障和無人機之間的雙向信號傳輸（一方面，無人機將巡檢過程中所得的視頻信號傳到地面控制站，另一方面，地面控制人員將無人機移動信號傳輸給無人機）。一般來說，信號傳輸距離存在距離上限，同時，無人機的動力系統也有飛行時間上限，所以地面控制站需要調整位置，以保障信號傳輸並對無人機的動力系統進行更新。
一般來說，地面控制站的部署 / 移動和無人機的移動不是同步的。無人機在飛行工作時，地面控制站保持靜止。地面控制站在變化位置時，無人機不處在飛行工作狀態。
如何實現無人機和地面控制站的同步移動？
無人機和地面控制站能否實現同步移動？
針對這個問題，密蘇裡科技大學和明略科學院合作提出了一種新型雙層路徑方法，以縮減巡檢時間，提高巡檢效率。該方法在密蘇裡州山區的一段輸電線上得到應用，巡檢時間和巡檢成本都出現了大幅度下降。
輸電線系統巡檢線路一般是在兩個 substation 之間，所以該研究所擬的路徑決定算法基於兩個 substation 之間的輸電線巡檢。考慮到輸電線下方附近的地面道路網絡，該方法需要考慮兩類停車點：第一類停車點（P）恰在輸電線下方，第二類停車點（PP）不在輸電線下方，離輸電線下方點 P 距離最近。具體定義參見下圖，圖右展示了輸電線和地面道路網絡示例：
第一步：確定初始路線
具體而言，該方法首先確定初始路線。根據無人機動力所支持的最大飛行時間，將兩個 substation 之間的行駛路線劃分成若干段，這裡主要考慮的是無人機動力系統所支持的最大工作時間。
該過程如下圖所示，對於每一段輸電線，起始停車點和巡檢節點是 substation。將停車點 P 添加到巡檢路徑中直到操作時間超過無人機動力系統所支持的最大飛行時間。將距離 P 最近的停車點 PP 添加到巡檢路徑中，再次計算操作時間。如果操作時間小於最大飛行時間，則將停車點 PP 看作最後站點，反之則將最後添加的停車點 P 作為最後站點。接下來，將起始停車點修改為最後站點，並生成下一個巡檢路段，直到所有停車點得到確認，整條輸電線被囊括在此次巡檢內。
第二部：修正
第二步進行修正。修正時需要考慮信號傳輸的可行性和地面控制團隊的移動速度（假設，要求地面控制團隊和無人機同時抵達最後一個站點）。如此迭代，直到無人機電力系統和信號傳輸約束全部滿足為止。
這一步需要調整地面路線和無人機飛行路線。完成二者的可行性檢查後，還需複查更新後巡檢分段的最後站點，確保最後站點是 substation。最後還需要優化不同輸電線的巡檢順序。
整個流程如下圖所示：
應用效果
該研究團隊使用這一新型雙層路徑決定模型，規劃了無人機巡檢飛行線路。涉及的電力輸電線共分為三段，分段情況和 substation 參見下圖：
A、B、C、D 表示 substation；三段輸電線被這些 substation 分割開，被命名為 AB（藍色）、BD（黃色）和 BC（紅色）；粉色線表示道路網絡；P 和 PP 表示兩類停車點。
根據該方法的第一步，在該案例中得到的初始路徑如下所示：
接下來進行第二步——修正：
並得到最終路徑：
得到每段輸電線的巡檢路徑後，就到了最後一步：在最優時間內規劃所有輸電線分段的巡檢順序，這時只需考慮交通時間和巡檢時間。下圖列舉了交通時間和巡檢時間，出於方便考慮，此處忽略電池放置時間、初始設置時間和巡檢結束後的收尾時間，因為這些不會影響順序結果。
最終得到的優化巡檢順序參見下圖，共耗時 289 分鐘，巡檢順序是「 Depot→(transportation) →A→(inspection) →B→(inspection) →C→(transportation) →D→(inspection) →B→ (transportation) → Depot」：
這項研究與密蘇裡 Ameren 電力公司合作完成。實現無人機和地面控制站的同步移動，並縮減電力輸電線系統巡檢時間、提高巡檢效率，該研究提出的雙層巡檢路徑決定方法在該領域具備強大的應用潛力。