浅谈无人机在海底电缆运维中的应用

引言

海底电缆(以下简称"海缆")是跨海联网输电系统的重要组成部分,对于保障区域性电力供应安全性、可靠性、灵活性有着重要意义。海底电缆虽已通过增加混凝土盖板、海床冲埋、抛石或堆石等方式进行保护,但由于海底洋流、地形等变化,海缆存在裸露风险。此时海缆会受到海上船舶抛锚、拖锚、海上施工、港口疏浚、非法渔业作业等外力破坏的影响。目前海缆的路由巡检主要以人员搭乘作业船舶开展作业。传统的作业方法是以人眼去观察海缆路由海面是否存在船舶抛锚、海上施工、港口疏浚和非法渔业作业等外力损害海缆的行为,但传统方法存在耗时长、作业效率低/成本高和人员有落水等人身安全风险的问题。近些年来,随着无人机技术快速发展,其在航拍测绘、环境监测、警用执法、电力巡查、施工管理和应急处置等多个领域迅速拓展应用,因此无人机技术必将成为海缆运维的重要发展方向。

1无人机的分类和优缺点

无人机从飞行平台构型来分类,分为旋翼无人机、固定翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞艇等。旋翼无人机又可分为无人直升机平台、无人多轴飞行器和无人旋翼机。常见的无人多轴飞行器,如多旋翼无人机是通过电机带动螺旋奖旋转从而产生升力。根据牛顿第三定律一作用力和反作用力定理,调整不同螺旋奖的旋转方向,来调整无人机的飞行方向和动作姿态。固定翼无人机在飞行时,由动力装置产生前进推力或拉力,由通过机翼上下面的空气流动速度不同,来获得升力。无人多轴飞行器和固定翼无人机的优缺点如表1所示。

2无人机在海缆运维中的应用

2.1海缆路由巡视

海缆路由的巡视内容主要为海缆保护区内航标有无异常,是否存在船舶抛锚、海上施工、港口疏浚和非法渔业作业等。传统的巡视作业,一般借助巡视船舶对海缆路由进行巡视,船舶航行速度可达到12~20节,在天气情况良好时,可选用快艇等,其航行速度可达到30节。目前无人机的飞行速度普遍可达到30节(55km/h)以上,大大提高了巡视作业的效率。海缆保护区航程较长,一般选用固定翼无人机和复合翼无人机等。由于电池技术限制,目前多旋翼无人机的飞行时间普遍为20~30min,续航时间较短,显然多旋翼无人机不适用于航程较长的海缆路由巡视。对于油动的固定翼无人机和复合翼无人机,其续航时间可达到1h及以上,满足海缆路由航程长的特点。

如500kV海缆分别开展固定翼无人机和复合翼无人机的海缆路由巡视作业[2],分别通过在固定翼无人机和复合翼无人机上搭载图传系统,可对巡视情况进行实时图传,由岸边地面人员查看海缆路由海面的实时情况。还可搭载高清照相机和录像机,对巡视过程进行拍照、录像,并进行存储,便于后期查阅和调取。发现异常情况时,可通过无人机盘旋的方式,对目标进行跟踪和实时监控,必要时由地面人员负责联系应急人员前往现场进行处置。这就大大提升了巡视作业的效率,降低了巡视作业的成本,也丰富了海缆路由巡视的手段,提高了海缆运维水平。

2.2海缆保护区应急处置

在监控中心监控或在海缆路由巡视时发现船舶船速异常或抛锚、海上施工、港口疏浚和非法渔业作业时,将启动应急处置流程,由应急人员协同执法人员搭乘船舶前往肇事现场开展肇事船的应急处置。在肇事船舶因抛锚、海上施工、港口疏浚和非法渔业作业损坏海缆时,处置过程中可使用无人机进行现场调查取证。目前已成功研制出海上作业防水多旋翼无人机,可在船舶甲板上进行起降,且可在空中悬停,对肇事船舶抛锚、海上施工、港口疏浚、非法渔业作业和现场海缆及其附属设施破坏进行调查和取证。同时,可以搭载高清录像机或夜视摄像头,在遇到夜间视野差的情况时,记录应急人员和执法人员现场应急处置的过程。在海上作业过程中,若无人机因信号受到干扰或海上风力突然增大等情况落入水中,防水功能可保护无人机内部不会进水短路,同时防水无人机可在水面起降,快速返回船舶甲板。

2.3海缆施工监督和安全保障

在二回海缆海域清网、海缆敷设、海缆冲埋和海缆抛石期间,需要保障二回施工船舶和施工作业不会对一回海缆造成损伤。可使用多旋翼无人机对施工船舶利用无线图传进行实时监督,在发现其在一回海缆区域抛锚时,可立即通知应急人员开展应急处置。同时可以通过使用无人机对施工过程进行监督和记录,把控施工过程中的施工质量,并及时发现施工作业的安全隐患等。另外,在海缆登陆和近岸段透水框架施工过程中,一般采用人员现场去监督,并使用现场坐标拍照,但存在无法直观显示反应施工情况的问题。对此,可以使用无人机从空中进行拍摄,能够全面、直观地展现施工进度和存在的问题。

2.4海缆保护区溢油污染处置

对于肇事船舶大面积溢油和充油式海底电缆故障破损后启动紧急油流模式下溢油过程中,需要对溢油情况进行跟踪和拍摄记录,以便迅速对溢油情况进行判断和评估。传统方法是在船上进行拍摄、定位和记录,受视野限制,无法直观反映溢油情况。对此,可使用多旋翼无人机搭载精确的GPS定位系统和高清摄像机,从空中对溢油海面进行全方位、无死角的拍摄,记录现场处置过程,并定位计算溢油面积和范围,可对溢油情况进行快速判断和评估,同时监督是否进一步产生次生灾害。

3结语

随着无人机技术的不断发展,将无人机应用到海缆运维中有着广阔的发展空间和良好的应用前景,其进一步补充和拓展了海缆运维的工具和手段,提高了海缆运维作业的效率,降低了作业成本,并且能够避免海上作业人员落水等风险,提升海缆运维水平。