大型固定翼无人机在架空输电线路中的运营可行性研究

大型固定翼无人机在架空输电线路中的运营可行性研究
作者：王淼李源源陈艳芳等
来源：《科技创业月刊》 2017年第2期
王淼１李源源１陈艳芳２刘伟东１武艺１李劼２
（１国网通用航空有限公司北京１０２２０９２天津航天中为数据系统科技有限公司天津３００３０１）
摘要：文章对大型固定翼无人机在电力巡线领域的应用进行定位，并概括了现有的硬件设施基础条件、政策法规条件以及人员资质条件，提出了大型固定翼无人机的三种运营模式，从经济性、安全性、可行性三方面进行对比分析，最终对电力巡线领域中大型固翼无人机的应用发展提出了建议。

关键词：大型固定翼无人机；架空输电线路巡视；运营可行性
中图分类号：TM755
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９/ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１7．02．０16
近年来，国内外电力线路自动化高效巡检正在进行逐步深入的研究和实践，无人机携带可见光／红外等载荷进行电力巡线是当前发展的主要技术途径之一。

国内部分电力公司已采用小型固定翼和多旋翼无人机用于输电线路巡视，应用范围广泛、巡检技术成熟。

同时，国内已经出现民用大型固定翼无人机在海洋监测、森林防火以及大面积国土测绘的应用案例。

在电力巡线领域，大型固定翼无人机凭借其较大的载荷能力和较长的航时，在大范围通道巡视和应急灾情巡视方面的效率优势明显；但也因其造价昂贵、对起飞降落场地要求严苛等因素，应用受到极大限制。

本文根据电力巡线的实际业务需求定位推导出适合电力巡线用的大型固定翼无人机系统，并结合我国现有条件分析其工程化运营的可行性，能够为大型固定翼无人机在本领域的应用发展提出建议。

１大型固定翼无人机在架空输电线路巡检中的定位
１．１大型固定翼无人机定义
根据ＡＣ－９１－ＦＳ－２０１５－３１《轻小型无人机运行规定（试行）》中ＩＶ类无人机的规定以及区别于常规中小型无人机的概念，本文所指的大型固定翼无人机需满足以下条件：①６２ｋｇ≤空机重量Ｇ≤１１６ｋｇ；②８０ｋｇ≤起飞重量Ｗ≤１５０ｋｇ。

１．２大型固定翼无人机的选型推导
可实现电力巡线作业的无人机平台较多，为紧贴巡检作业需求、选择合适类型的无人机执行巡检任务，需要从业务需求本身出发，逐层确定所需巡检对象、载荷类型、载荷参数、无人机参数，最终完成无人机选型，其逻辑流程见图１。

（１）业务需求分析。

大型固定翼无人机主要进行大范围（半径１００ｋｍ）的输电线路通道常规巡视和发生灾情后的应急特殊巡视，具体巡视目标和对应的载荷类型见表１。

（２）载荷需求分析。

主要是根据业务需求来确定巡检的任务场景和细致的任务参数。

大型固定翼无人机主要的巡检业务需求包括建筑物／基础设施巡检、山火／线路缺陷发热巡检、地址灾害巡检等，需要确定载荷所需主要的性能指标（见表２）。

（３）无人机性能需求。

有效载荷种类多、同一类型载荷也有多种型号，机电热参数差别较大。

有效载荷对无人机平台的约束关系主要是重量、尺寸和功耗。

其中尺寸可以在系统集成时进行微调，功耗可以通过加装电池方法进行调整，因此飞机平台的任务载荷能力就成为制约载荷选型的关键指标。

为了提高飞机平台兼容有效载荷的能力，科学的方法是制定一个任务载荷重量谱系（５ｋｇ，１５ｋｇ，２５ｋｇ，３５ｋｇ四个级别），从而使多个飞机平台形成
型谱，既能够覆盖搭载有效载荷的需求，同时飞机平台的数量也能精简。

表３列出了当前技术
条件下的常规载荷重量和对无人机航飞参数的要求。

由表3可知大型固定翼无人机的载荷能力应达到３５ｋｇ级。

（４）无人机性能评估。

在无人机性能评估的过程中，需要重点关注的性能指标主要包括：无人机固有性能、载荷性能以及外部因素（天气环境、起飞场地、政策法规等）。

因此在模型
对比的过程中，主要分析这三方面性能指标对不同效能评估模型所产生的影响。

进一步从可靠性、环境适应能力、工作能力和运营条件四个角度考虑选型，保证选择的架空输电线路巡检用
无人机系统切实满足电力巡检作业需求。

综合理论计算、参考标准及调研分析的结果，推导出大型固定翼无人机主要性能指标要求
见表４：
１．３大型固定翼无人机与直升机及其他无人机的工作界面（见表5）
２大型固定翼无人机运营条件概述
２．１硬件设施条件
（１）机场。

大型固定翼无人机的起降跑道要求至少４００ｍ长和２０ｍ宽，这与通航常用的２～４座有人机的跑道要求基本相当。

至２０１４年底，我国通用机场及起降点数量已经达到３９９个，其中持有民用机场使用许可证的通用航空机场、起降场１１４个，通用航空临时机场、起降点２８５个。

与通航发达国家相比，我国的通航机场及起降点在地域覆盖性上还很难达到大规模运营作业的条件。

据中国产业调研网发布的２０１５－２０２１年中国通用航空机场市场调查研究及发展趋势趋势分析报告显示，到２０２０年，全国拟增加通用机场２８０余个，合增速约３０％；“十三五”期间全国将另外新增５８８个通用机场及起降点。

在２０３０年前后增加全国机场布局，未来将实现在机场周边１００km所有县域和中心区域的全覆盖。

大型固定翼无人机作为通航产业应用之一，其基础设施方面的保障也将逐渐完善。

假定所选大型固定翼无人机航时为４h，测控半径为１００ｋｍ，理论上单架次可以满足双向来回巡线１００ｋｍ的要求；若考虑到起降场地距离线路为５０ｋｍ，则有效航程为３００ｋｍ左右，有效巡线长度为双向７５ｋｍ、总长１５０ｋｍ，因此起降点间隔不能超过１５０ｋｍ。

（２）运维基础设施。

主要包括无人机系统存储区、燃油存储区、维修间。

无人机在不使用时应保存在专用运输箱内，放置于存储区内，存储地点应干燥、通风，保持整洁，没有引起腐蚀的介质，无虫鼠害等，避免阳光长时间照射。

绝大多数无人机燃油均为车用汽油或柴油，极少数使用航空煤油，燃油应分类保存，保存在专门容器内，燃油存储区应禁止烟火，避免发生火灾。

维修间放置无人机常用维修工具，应注意保持整洁。

无人机基地建设可与现有有人机基地进行融合建设，共用库房和维修区域，可减少设施维护人员及成本投入。

（３）配套机电设施和工具。

固定翼无人机结构简单、零部件通用性也较好，维修保养工作重点和难点主要是航空发动机的拆装、检查和调试，一般配有切割机、雕刻机、钻台、升降平台、电装工作环境等的加工车间即可胜任绝大多数日常例行维护工作，基本无需其他特殊机电设施和工具。

厂家建议的年度维护和大修等工作仍然需要返厂进行。

综上，固定翼无人机和有人直升机对运营基地要求基本相同，不同点在于大型固定翼无人机对起降跑道要求高，这也是当前直接制约大型固定翼无人机应用的最大因素。

２．２政策法规条件
从我国现行规范文件以及立法动态来看，国家总体上在正面鼓励民用无人机发展。

未来，国家在空域限制、无人机适航、无人机安全责任、无人机和隐私权等方面会出台政策进一步加强管理。

（１）运营资质条件。

大型固定翼无人机空机重量小于１１６ｋｇ，起飞全重小于１５０ｋｇ，属于《轻小无人机运行规定（试行）》中的第ＩＶ类无人机，无需再申请运营资质。

同时按照《民用航空飞行标准管理条例（征求意见稿）》规定，也无需获取无人机运行许可证。

（２）适航政策。

我国颁布的适航管理相关政策将包含《民用无人驾驶航空器系统适航管理要求（暂行）》和《民用无人驾驶航空器特殊适航证颁发和管理程序》。

前者规定航空器最大起飞重量大于２５０ｇ的民用无人驾驶航空器系统需按照特殊类、限用类、标准类的分类方式申请相应的适航证件，包括国籍登记、适航审定要求、特许飞行证以及适航指令等；后者明确了适航管理中主管监察员、适航检查委任单位代表、航空器适航检查委任代表组、适航委任代表的职责和要求。

这两份文件的主要内容均基于两份文件草案版本，后续存在修改的可能。

两份文件兼顾参考了美国与欧洲的相关政策，同时结合了国内民用无人驾驶航空器系统发展的
实际情况。

作为民用无人驾驶航空器系统设计、制造单位数量及市场占有率领先于世界的国家，国内民用无人驾驶航空器系统的适航管理政策的及时出台将促进国内民用无人驾驶航空器系统
制造产业的健康发展，提升国内民用无人驾驶航空器系统的整体安全水平，在保障安全的同时，对国内无人机产业的规范化发展也会起到重要的作用。

（３）空域条件。

由于大型固定翼无人机运行于高度超过１２０ｍ的隔离空域以及融合空域，依据《低空空域使用管理规定（试行）》中的低空空域定义及管理规定，进行飞行作业前
需向所在战区空管部门提出空域申请，获得空域审批文件后才能进行作业。

作业单位一般可提
前１个月按照规定直接向使用空域所在战区空管部门进行空域申请，但手续和流程较为复杂和
繁琐。

因此对于长期固定的巡线作业线路，建议申请长期的１０００m以下低空作业空域。

２．３人员操作资质条件
操作人员上岗前需经过培训，并取得相应资格证书。

培训主要分为理论培训和操作培训，
理论培训内容为无人机系统组成、技术指标、工作原理等，以集中授课形式为主；操作培训内
容包括设备操作、设备维护、应急事项等内容，以现场讲解、实际操作形式为主。

在零基础情
况下，大型固定翼无人机机组的培训周期为２～３个月。

《民用无人机驾驶员管理规定》规定了无人机驾驶员由行业协会实施管理，民航局飞行标
准部门实施监督。

民航局当前委托的行业协会为中国航空器拥有者及驾驶员协会（ＡＯＰＡ），有效期至２０１８年４月３０日，是目前国内认知度最高的无人机驾驶员管理协会，其在全国
范围内设有多处认证考核机构。

３大型固定翼无人机运营模式分析
大型固定翼无人机运营模式主要有三种模式：不采购大型固定翼无人机完全采购飞行服务
模式、采购大型固定翼无人机购机托管运行服务模式、采购大型固定翼无人机全自主独立运行
模式：
采购飞行服务模式：根据实际巡视业务需求，向大型固定翼无人机运营商厂家采购飞行服务，无需采购无人机及相关设备，也没有相关的基础设施建设等费用。

购机托管模式：购买大型固定翼无人机及系统相关设备，但无人机的运营维护和飞行任务
通过外委的方式实现。

通过与大型固定翼无人机运营商签订托管协议，飞机的飞行和维护由运
营商代管，并根据电力部门作业要求安排飞行任务，电力巡检作业人员由电力部门派出，飞行
作业人员由运营商提供。

全自主独立运行模式：需自行购买大型固定翼无人机以及相关设备，进行相关的基础设施
建设，并自主进行设备管理及后期的运行维护等工作。

三种运营模式成本随着运营里程的增加呈现如图2所示关系。

全自主运营模式因不用考虑
托管和飞行作业的利润，因而持续投入最低，适合长久规划。

综上得到具体的经济性、安全性、可行性分析（见表6、表7、表8）。

４结论
大型固定翼无人机以其长航时、大载重的特点在大范围的输电线路通道巡检和部分应急特
巡应用场景下，相对于中小型固定翼和旋翼无人机的作业效率优势非常明显，提高单架无人机
的作业效能将是今后无人机巡线技术发展的主要趋势。

运营条件对大型固定翼无人机的应用还存在较大限制，起降机场等基础保障设施在我国通
航产业发展的大背景下虽已具备一定基础，但无法满足大范围、大规模运营服务的要求；国家
颁布的针对大型固定翼无人机的适航政策还存在变数；另外，大部分电力部门的无人机巡线作
业的经验还较少，直接运营大型无人机的安全风险较大。

建议等待通航产业基础保障设施进一
步完善、国家相关政策明晰。

为发展我国无人机巡线的前沿技术，建议运营大型固定翼无人机的长期目标应保持不变，
先期可继续采用成本低廉、使用灵活的中小型固定翼和多旋翼无人机进行运维经验和技能人员
的技术积累，中期采用购机托管模式进行过渡，直至长期采用全自主独立运行模式形成大规模
工程化作业。

上述分阶段逐步推进的发展路线最贴合大型固定翼无人机在架空输电线路巡视行
业中发展的客观条件和业务目标。

参考文献
１ＡＣ－９１－ＦＳ－２０１５－３１，轻小型无人机运行规定（试行）［Ｓ］．北京：中国民用航空局飞行标准司，２０１５
２Ｑ／ＧＤＷ１１３８５－２０１５，架空输电线路固定翼无人机巡检系统［Ｓ］．北京国家电网公司，２０１５
３于德明，武艺，陈方东，等．直升机在特高压交流输电线路巡视中的应用［Ｊ］．电网技术，２０１０（２）
（责任编辑高平）。