基于改进层次分析法的无人机输电线路巡检能力量化研究
时间：2023-02-12 15:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李明泽 谢 忠 朱学森 闫郭伟
基于改进层次分析法的无人机输电线路巡检能力量化研究
李明泽1谢 忠1朱学森2闫郭伟2
（1. 国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，江苏 徐州 221000；
2. 63601部队，甘肃 酒泉 732750）
针对输电线路无人机类型多样、性能各异，难以统一量化分析的问题，提出一种基于改进层次分析法的无人机输电线路巡检能力量化方法，构建包含6个一级指标、28个二级指标的无人机输电线路巡检能力量化指标体系，建立指标分级量化模型。量化实例表明，改进层次分析法和分级量化模型较好地实现了多类型无人机输电线路巡检能力的量化，为无人机选型和能力量化分析提供了方法路径，同时弥补了无人机能力量化、能力评估的理论空白。
改进层次分析法；
无人机（UAV）；
输电线路；
能力；
量化
无人机输电线路巡检是指使用无人机及其挂载的任务设备（可见光相机、红外热成像仪、局放检测仪等）对输电线路本体设备及通道走廊等进行巡视检测[1]，及时发现并排除线路缺陷和重大隐患，提升巡检质效。当前，无人机在输电线路巡检领域应用广泛且逐步深化，大疆、成都纵横、道通智能等厂家纷纷推出电力巡检专用无人机，有效降低了作业出错率和运营维护成本，但无人机种类繁多、功能各异、性能参差不齐，在无人机的实际应用中，存在以下不足：
1）输电线路巡检无人机能力量化方法欠缺。当前，无人机的能力量化模型研究，多集中于无人机作战领域[2-4]；
在指标体系构建研究方面，多集中于植保领域[5-7]，有关输电线路巡检无人机的能力量化方法研究，尚处于空白阶段，无法支撑无人机的选型、采购等。
2）无法进行能力对比分析。量化方法的不足导致无法开展单项能力对比与分析，更无法分析出能力因素的影响程度，致使无人机的立项论证和改进方向缺乏理论指导。
针对上述不足，本文提出一种无人机输电线路巡检能力量化方法，建立无人机输电线路巡检能力量化模型，开展能力量化分析，以指导无人机选型。
层次分析法是美国运筹学家Saaty T. L.等提出的一种将定量分析与定性分析相结合的多目标决策分析方法[8]，其主体思想是基于专家在该领域的经验对特征量进行多层次的分解，制定层次结构，通过建立判断矩阵并计算特征向量，得到该层因素对于上一层目标的相对权重[9]，适合多层次、多因素复杂系统的决策，被广泛应用在业务流程评估、效能评估、风险评估等领域。无人机输电线路巡检能力量化，具有涉及因素多、指标层级多、决策者经验成分大等特点，因此层次分析法具有高度的适用性。
由于层次分析法的内在性质，在实际应用中需要人为判断并建立判断矩阵，带有主观性、片面性的缺陷，两两比较的结果不一定符合客观实际，所以必须进行一致性检验[10]。若不能通过检验，凭着大致估计调整判断矩阵带有主观性和盲目性。为弥补层次分析法的不足，本文基于最优传递矩阵对层次分析法进行改进，即对判断矩阵作变化，省去了一致性检验环节，提高了操作效率，改进层次分析法的原理如下[11]。
2.1 指标体系构建原则
指标体系是否科学合理对于无人机输电线路巡检能力量化至关重要，构建指标体系必须遵循以下几个指导原则[12-13]：
1）全面性原则。能对无人机输电线路巡检能力进行多维度的表征，涵盖巡检应用、操作使用、环境适应等多方面的能力，避免单一和片面因素对量化结果准确性的影响，提高能力量化的准确性。
2）可操作性原则。指标体系的构建要考虑输电线路巡检无人机应用现状和市场行情，可方便地采集数据。
3）重点突出原则。无人机输电线路巡检能力指标包含多个方面，指标层级延伸拓展空间较大，构建指标体系，应筛选与所属指标层级密切相关的核心指标，保留巡检无人机的共性指标，突出指标重点。
2.2 无人机输电线路巡检能力量化指标体系构建
根据无人机输电线路巡检的定义，结合国内外相关标准和文献[14-18]，基于全面性、可操作性、重点突出的原则，首先获取表征无人机输电线路巡检能力的候选指标集，再通过问卷调查法、频度统计法对其进行筛选，最后将同一属性的指标进行分组归类，最终构建出包含6个能力维度的一级指标、28个二级指标的指标体系见表1。该指标体系主要针对无人机输电线路可见光、红外巡检，实际应用中，可结合具体的作业要求、载荷需求等，针对性地调整各维度指标。
表1 无人机输电线路巡检能力量化指标体系
（续表1）
2.3 指标分级量化模型
因指标体系中既包括定性、定量指标，又包括正相关、负相关指标，部分指标又属离散指标，无法进行统一的指标归一化，因此本文采取分级量化的方法，参考行业主流输电线路巡检无人机及载荷，并对单个指标进行范围梳理，确定指标的范围边界，并针对分级标准进行问卷调查和频度统计，最终建立无人机输电线路巡检指标分级量化模型见表2。
表2 无人机输电线路巡检指标分级量化模型
（续表2）
注：1in=25.4mm。
基于上述改进层次分析法指标权重确定步骤及分级量化模型，形成巡检能力量化流程如下。
1）规划层次结构模型
结合第2节建立的指标体系，建立无人机输电线路巡检能力量化层级结构模型如图1所示。其中，目标层明确所要达到的量化目标，指标层是表征巡检能力的具体指标，方案层是候选的无人机类型。
图1 无人机输电线路巡检能力量化层级结构模型
2）生成判断矩阵
（1）构造比较矩阵
其中
再依据比较矩阵，计算重要程度指数，即
（2）构建判断矩阵
依据重要程度指数H，构建判断矩阵为
其中
3）计算单层指标相对权重值
基于判断矩阵，计算其反对称矩阵为
再基于矩阵，计算最优传递矩阵*为
4）无人机参数分级量化
将无人机参数值代入指标分级量化模型，根据相应分级区间获取特定指标的分级结果，为确保指标的归一化属性，在本文中设定“优”为“1”，“良”为“0.8”，“中”为“0.6”，“差”为“0.3”。
5）向目标层汇聚
基于上述层次结构模型及分级量化数值，将各层指标向目标层汇聚，汇聚结果可以表示为
式（8）即为无人机输电线路巡检能力量化的计算表达式，将无人机参数值代入，即可得到能力量化结果。
某沿海城市，在台风登陆后，为快速评估输电线路受灾情况，该地输电运检室针对三型候选无人机进行能力量化，为开展台风应急巡检工作制定无人机选型策略。其能力量化流程如下。
4.1 确定指标相对权重
根据无人机输电线路巡检能力量化流程，首先构造比较矩阵。无人机进行台风应急巡检时的环境适应能力主要受风速和雨水影响，因此其环境适应能力的二级指标中，最大可抗风速和防护等级为主要因素，工作海拔上限和工作温度范围为次要因素。采用三标度法构造比较矩阵为
由式（4）构建判断矩阵为
由式（5）、式（6）计算最优传递矩阵为
重复上述步骤，即可得到其他维度二级指标的相对权重。在确定一级指标权重时，无人机台风应急巡检受气象条件影响较大，而且需要拍摄并快速回传海量高分辨率照片，因此，环境能适应能力、载荷能力、测控能力为主要因素。同理，可得到一级指标的相对权重。各层指标权重计算结果见表3。
表3 各层指标权重计算结果
（续表3）
4.2 无人机机型参数
本文选取三型输电线路巡检无人机，分别为：无人机A，大疆经纬M300 RTK（搭配禅思H20T负载）；
无人机B，某输电线路巡检定制化无人机；
无人机C，大疆御2行业进阶版。给出三型无人机的指标参数，并将其代入分级量化模型，根据相应分级区间获取特定指标的分级结果。为确保指标的归一化属性，本文设定“优”为“1”，“良”为“0.8”，“中”为“0.6”，“差”为“0.3”。无人机能力参数及分级量化结果见表4。
表4 无人机能力参数及分级量化结果
（续表4）
4.3 量化结果及选型分析
由式（8）可得三型无人机各维度能力指标的量化结果见表5。由各维度指标量化结果可知，在三型无人机中，无人机A的飞行能力、机动能力、飞控能力、载荷能力（含云台）、测控能力最强，无人机B的环境适应能力最强；
由综合能力量化结果可知，无人机A综合能力最强，无人机B次之，无人机C最弱。
表5 三型无人机能力量化结果
在台风登陆48h后，此时无人机受气象条件影响极大，环境适应能力占主导地位，同时须兼顾载荷能力，由表5可知，可选用无人机B进行粗巡，初步确认输电线路受灾情况；
在台风登陆96h后，需要拍摄并快速回传海量高分辨率照片，载荷能力和测控能力占主导地位，同时须兼顾环境适应能力，可选用无人机A进行精巡，以进一步确认倒塔、断线、掉串、飘挂物等情况。
本文提出了一种基于改进层次分析法的无人机输电线路巡检能力量化方法，构建了指标分级量化模型，形成了能力量化的方法流程。量化实例表明，改进层次分析法和分级量化模型较好地实现了多类型无人机输电线路巡检能力量化，为无人机的选型和采购提供了方法路径。本文建立的指标体系并不局限于某一特定类型的巡检，可结合具体的应用场景进行指标调整，确保了能力量化的针对性和可拓展性。基于该方法可开展深层次的影响因素分析，进而提炼出关键能力指标和改进方向，为无人机立项论证和巡检应用提供参考。
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Research on quantification of unmanned aerial vehicle transmission line inspection capability based on improved analytic hierarchy process
LI Mingze1XIE Zhong1ZHU Xuesen2YAN Guowei2
(1. Xuzhou Power Supply Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd, Xuzhou, Jiangsu 221000;2. Unit 63601, Jiuquan, Gansu 732750)
Aiming at the problems that unmanned aerial vehicle (UAV) on transmission lines have various types and different performances, and it is difficult to conduct unified quantitative analysis, a quantitative method of UAV transmission line inspection capability based on improved analytic hierarchy process (AHP) is proposed. An index system of UAV transmission line inspection capability is constructed, which includes 6 first-class indexes and 28 second-class indexes, and the index hierarchical quantitative model is constructed. The quantitative example shows that the improved analytic hierarchy process and hierarchical quantification model better realize the capability quantification of multi type UAV transmission line inspection, provide a method path for UAV type selection and capability quantification analysis, and make up for the theoretical gap of UAV capability quantification and capability evaluation.
improved analytic hierarchy process; unmanned aerial vehicle (UAV); transmission line; ability; quantification
2022-09-14
2022-09-27
李明泽（1990—），男，吉林舒兰人，硕士，工程师，研究方向为输电线路巡检、无人机应用等。
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