淺談無人機在海底電纜運維中的應用

引言

海底電纜(以下簡稱"海纜")是跨海聯網輸電系統(tǒng)的重要組成部分,對于保障區(qū)域性電力供應安全性、可靠性、靈活性有著重要意義。海底電纜雖已通過增加混凝土蓋板、海床沖埋、拋石或堆石等方式進行保護,但由于海底洋流、地形等變化,海纜存在裸露風險。此時海纜會受到海上船舶拋錨、拖錨、海上施工、港口疏浚、非法漁業(yè)作業(yè)等外力破壞的影響。目前海纜的路由巡檢主要以人員搭乘作業(yè)船舶開展作業(yè)。傳統(tǒng)的作業(yè)方法是以人眼去觀察海纜路由海面是否存在船舶拋錨、海上施工、港口疏浚和非法漁業(yè)作業(yè)等外力損害海纜的行為,但傳統(tǒng)方法存在耗時長、作業(yè)效率低/成本高和人員有落水等人身安全風險的問題。近些年來,隨著無人機技術快速發(fā)展,其在航拍測繪、環(huán)境監(jiān)測、警用執(zhí)法、電力巡查、施工管理和應急處置等多個領域迅速拓展應用,因此無人機技術必將成為海纜運維的重要發(fā)展方向。

1無人機的分類和優(yōu)缺點

無人機從飛行平臺構型來分類,分為旋翼無人機、固定翼無人機、傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛艇等。旋翼無人機又可分為無人直升機平臺、無人多軸飛行器和無人旋翼機。常見的無人多軸飛行器,如多旋翼無人機是通過電機帶動螺旋獎旋轉從而產生升力。根據牛頓第三定律一作用力和反作用力定理,調整不同螺旋獎的旋轉方向,來調整無人機的飛行方向和動作姿態(tài)。固定翼無人機在飛行時,由動力裝置產生前進推力或拉力,由通過機翼上下面的空氣流動速度不同,來獲得升力。無人多軸飛行器和固定翼無人機的優(yōu)缺點如表1所示。

2無人機在海纜運維中的應用

2.1海纜路由巡視

海纜路由的巡視內容主要為海纜保護區(qū)內航標有無異常,是否存在船舶拋錨、海上施工、港口疏浚和非法漁業(yè)作業(yè)等。傳統(tǒng)的巡視作業(yè),一般借助巡視船舶對海纜路由進行巡視,船舶航行速度可達到12~20節(jié),在天氣情況良好時,可選用快艇等,其航行速度可達到30節(jié)。目前無人機的飛行速度普遍可達到30節(jié)(55km/h)以上,大大提高了巡視作業(yè)的效率。海纜保護區(qū)航程較長,一般選用固定翼無人機和復合翼無人機等。由于電池技術限制,目前多旋翼無人機的飛行時間普遍為20~30min,續(xù)航時間較短,顯然多旋翼無人機不適用于航程較長的海纜路由巡視。對于油動的固定翼無人機和復合翼無人機,其續(xù)航時間可達到1h及以上,滿足海纜路由航程長的特點。

如500kV海纜分別開展固定翼無人機和復合翼無人機的海纜路由巡視作業(yè)[2],分別通過在固定翼無人機和復合翼無人機上搭載圖傳系統(tǒng),可對巡視情況進行實時圖傳,由岸邊地面人員查看海纜路由海面的實時情況。還可搭載高清照相機和錄像機,對巡視過程進行拍照、錄像,并進行存儲,便于后期查閱和調取。發(fā)現異常情況時,可通過無人機盤旋的方式,對目標進行跟蹤和實時監(jiān)控,必要時由地面人員負責聯系應急人員前往現場進行處置。這就大大提升了巡視作業(yè)的效率,降低了巡視作業(yè)的成本,也豐富了海纜路由巡視的手段,提高了海纜運維水平。

2.2海纜保護區(qū)應急處置

在監(jiān)控中心監(jiān)控或在海纜路由巡視時發(fā)現船舶船速異常或拋錨、海上施工、港口疏浚和非法漁業(yè)作業(yè)時,將啟動應急處置流程,由應急人員協同執(zhí)法人員搭乘船舶前往肇事現場開展肇事船的應急處置。在肇事船舶因拋錨、海上施工、港口疏浚和非法漁業(yè)作業(yè)損壞海纜時,處置過程中可使用無人機進行現場調查取證。目前已成功研制出海上作業(yè)防水多旋翼無人機,可在船舶甲板上進行起降,且可在空中懸停,對肇事船舶拋錨、海上施工、港口疏浚、非法漁業(yè)作業(yè)和現場海纜及其附屬設施破壞進行調查和取證。同時,可以搭載高清錄像機或夜視攝像頭,在遇到夜間視野差的情況時,記錄應急人員和執(zhí)法人員現場應急處置的過程。在海上作業(yè)過程中,若無人機因信號受到干擾或海上風力突然增大等情況落入水中,防水功能可保護無人機內部不會進水短路,同時防水無人機可在水面起降,快速返回船舶甲板。

2.3海纜施工監(jiān)督和安全保障

在二回海纜海域清網、海纜敷設、海纜沖埋和海纜拋石期間,需要保障二回施工船舶和施工作業(yè)不會對一回海纜造成損傷?？墒褂枚嘈頍o人機對施工船舶利用無線圖傳進行實時監(jiān)督,在發(fā)現其在一回海纜區(qū)域拋錨時,可立即通知應急人員開展應急處置。同時可以通過使用無人機對施工過程進行監(jiān)督和記錄,把控施工過程中的施工質量,并及時發(fā)現施工作業(yè)的安全隱患等。另外,在海纜登陸和近岸段透水框架施工過程中,一般采用人員現場去監(jiān)督,并使用現場坐標拍照,但存在無法直觀顯示反應施工情況的問題。對此,可以使用無人機從空中進行拍攝,能夠全面、直觀地展現施工進度和存在的問題。

2.4海纜保護區(qū)溢油污染處置

對于肇事船舶大面積溢油和充油式海底電纜故障破損后啟動緊急油流模式下溢油過程中,需要對溢油情況進行跟蹤和拍攝記錄,以便迅速對溢油情況進行判斷和評估。傳統(tǒng)方法是在船上進行拍攝、定位和記錄,受視野限制,無法直觀反映溢油情況。對此,可使用多旋翼無人機搭載精確的GPS定位系統(tǒng)和高清攝像機,從空中對溢油海面進行全方位、無死角的拍攝,記錄現場處置過程,并定位計算溢油面積和范圍,可對溢油情況進行快速判斷和評估,同時監(jiān)督是否進一步產生次生災害。

3結語

隨著無人機技術的不斷發(fā)展,將無人機應用到海纜運維中有著廣闊的發(fā)展空間和良好的應用前景,其進一步補充和拓展了海纜運維的工具和手段,提高了海纜運維作業(yè)的效率,降低了作業(yè)成本,并且能夠避免海上作業(yè)人員落水等風險,提升海纜運維水平。