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摘要：水电站水库的防洪备汛监测巡检工作不但门类较多，而且任务繁重，因此，通过使用无人机等智能化设备来提高整个防洪备汛工作的效率。依托无人机等智能化 设备的辅助，使整个防洪备汛工作更容易开展和解决。

关键词：防洪备汛;无人机

0.引言

近年来，国内外发生水库溃坝的信息屡见不鲜。我省境内数千座水电站水库的库龄大部分已逾十年以上，坝区水工建筑物存在的安全隐患不容忽视。一旦发生灾害，将造成难以估量的惨痛损失。当前，各大坝管理单位每年汛期对水库大坝水工建筑物采取的现有安全监测手段难以覆盖水下、边坡、建筑物深处等诸多人力难至之处，亟需利用最新型科技提供成套解决方案。

福建水口发电集团有限公司（以下简称水口公司）下辖库容26亿立方米的水口电站水库、库容18亿立方米的街面电站水库。该公司综合利用水下机器人、固定翼无人机、螺旋桨无人机对电站大坝、库区、边岸开展综合巡察监测，形成“水、陆、空”多方位安全综合监测体系，为水电站水工建筑物及附属设施防洪备汛安全监测提供成套解决方案。

1.水电站水库防洪备汛安全问题和风险因素

在水电站水库防洪项目中，安全问题管理和风险因素评估是非常重要的环节。从库区灾害的主要原因分析入手，通常有如下原因：

①若是水电站建筑在山区类地貌环境中，库区雨水汇聚速度较快，会形成冲击力较强的汇流问题，边坡形成不稳定土体，并容易诱发泥石流等地质灾害危害水电站大坝;②由于水电站坝前长年蓄积着大量水下堆积物和泥沙，淤积等问题也会对整体防汛产生影响，甚至会导致大坝的泄洪能力大幅度降低;③上游大量船舶和养鱼网箱连片停靠于河岸，这些多为长期无人看管、保养，金属结构严重锈蚀，锚固措施极其脆弱的废弃僵尸船只，这些大型漂移物一旦失控漂移到大坝、厂房，可能对溢流坝闸门、闸墩、拦污排、拦污栅以及机组进水口设施等造成损坏，会留下安全隐患。④水电站钢筋混凝土大坝体积巨大，而水与混凝土的比热值相差较大，当空气的温度和湿度发生变化时，混凝土坝体极易产生伸缩裂缝。伸缩裂缝的走向与堤坝轴线垂直或斜交，常出现在堤坝顶部并伸入堤坝内一定深度，严重的可发展到堤坝坡，甚至贯通上下游造成集中渗漏，若不及时处理，雨水入侵后会造成大坝脱坡险情，直接危及堤坝的安全;由于大坝的防洪缺陷和实际风险隐患状态存在很难被精确测量，需要在日常巡查过程中建构动态化缺陷项目管理，针对防洪缺陷情况进行及时处理和控制。⑤水电站一般都修建在地形复杂的山谷、河谷地区，环境较为复杂，水工巡检需要巡检人员实地进行，效率较低。而且在地质活跃的地区或雨季，水工建筑物周围的区域还会发生滑坡、落石等灾害，给水工巡检工作带来了极大地安全隐患.

2.多类型无人机系统组成及分类

目前水电站水库的防洪备汛监测巡检工作不但门类较多，而且任务繁重，因此，通过使用无人机等智能化设备来提高整个防洪备汛工作的效率。依托无人机等智能化 设备的辅助，使整个防洪备汛工作更容易开展和解决。

2.1水下机器人（Remote Operational Vehicle，水下机器人），或者说无人有缆潜器。是一种利用自身搭载的仪器设备在水下进行人为操纵作业的潜水设备。

水下的水下机器人本体有浮力材料、框架、推进器及相应的电子舱，水上的控制系统通过一定长度的脐带缆将电力和控制信号传到水下的水下机器人本体，并将数据信号上传到控制系统并输出。水下机器人本体利用浮力材料来调整载荷的大小，通过改变框架来选择搭载诸如高清摄像头、广角/微光摄像头、图像声呐、三维扫描声呐、侧扫声呐、多波束声呐、超短基线信标、多功能机械手、采样仪器等设备。

2.2无人机系统又称为无人机驾驶航空器系统（UAS，UnmarriedAircraftSystem）是指由一架无人机、相关的遥控站、所需的指挥与管制链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统。

防洪备汛巡查无人机分为垂直起降固定翼无人机、六旋翼智能无人机和隧道无人机三种

2.2.1垂直起降固定翼智能无人机是面向视频监控应用场景推出的长航时电动无人机视频监控系统。

由无人机子系统、任务载荷子系统和地面站子系统三部分组成。无人机采用固定翼结合四旋翼的复合翼布局形式，以简单而可靠的方式实现固定翼无人机垂直起降功能，兼具固定翼无人机航时长、速度快、飞行距离远的优点和多旋翼无人机垂直起降的能力。

支持进行高空全景航拍巡视，对整片地区环境进行地毯式“扫描”，对于巡查区域内关注的情况一目了然。对无人机获取的多期数据，包含原始照片、视频、航线、高清正射数据、三维模型数据进行云存储，方便随时调阅查看;可对多期数据同屏比对，同区域进行变化监测，直观的发现存在问题，对关注的问题区域进行标注。

2.2.2六旋翼智能无人机由无人机、传输链路和云平台三大部分组成，其中无人机主要包括飞行器、地面站和作业任务载荷。飞行器搭载的云台吊舱通过地面站可实现与地面图传、实时视频数据，地面站再结合有线网络或无线网络的传输，实现与各平台之间的数据交互和联动。

2.2.3无人机可搭载红外摄像机、高清相机、激光雷达等一种或多种不同传感器设备，可同时得到高清影像、红外灰度照片和激光雷达点云等不同数据，结合GPS、惯导系统可快速进行数据拼接和转换。

3.水口公司无人机项目团队在大型水电站库区防洪备汛巡检的实践和成果

3.1水下机器人帮助复查水下建筑修补情况

受尤溪流域公司委托，水下机器人项目组于2021年07月水口发电集团尤溪流域公司街面电站、水东电站、雍口电站水工建筑物水下检查工程于2021年11月30日半年巡查任务结束。

本次巡查项目中，水下检查检修机器人对街面电站水下坝面进行水下检查，对水下44条坝体伸缩缝进行精确定位和测量，准确率达到99%，巡检最深44米，共发现缺陷6处，对两处水下坝面修补工程进行质量复核，提交多份有精晰图片和视频的水下检测报告;

3.2水下机器人对水电站水下淤积展开巡查

受竹州电站委托，水下机器人项目组于2020年9月24日三明竹州电站水工建筑物水下检查工程于2020年9月30日巡查任务结束。

本次巡查项目中，水下机器人在水下20米处连续作业40小时，探查水下建筑面积1000多平米，提前两天完成工作，替业主发现需重点关注的缺陷11处，提供建议8条，对业主关心的淤积问题提供了声纳数据和影像数据。电站设计库容27M，进水口淤积严重，实际只有库容19M，存在着严重的淤积，降低了防洪能力急需干预。

3.3 无人机搭载正摄数码相机在水电站下游河岸环境巡查中的应用

无人机项目组于2021年08月05日人员和设备调遣，8月16日项目组进场，本次为福建水口发电集团下游坝及河道岸基进行环境危险点巡查， 无人机配合先进的数字化摄影、GIS等技术，具备了强大的视觉、高机动性、空间无约束等优势，提高了信息采集与监测的空间自由度，可从地面到高空，不同距离、高度、角度对建设目标与空间的信息捕获。水口集团公司闽江流域：街面电站、水东电站、雍口电站、水口电站建立灾害预防的水电站三维倾斜模型系统，于2021年12月4日圆满结束。

此项目采用无人机搭载倾斜摄影相机将的影像数据转换形成所在水电站大坝所在区域的立体成像，获取所在区域的深林、水域、山体、水域等地理结构划分，像街面电站这样的大库区也能很快的采集完成，大大的降低了大量区域勘测人力，节省了大量的时间、物力和财力。利用无人机航测光学影像转换地形数据实现地形区域电子数据档案建立，再接合3D立体成像技术，实现测量区域地形的3D历程模型建立，更加直观的反应所测地形的基本结构。

4.无人机技术在防洪备汛工作中应用的思考

4.1水下机器人作业的安全问题

①在水库大坝水下检测中会有一定的使用局限性，在应用中机大偏大，一些水下隧道难以进入。②不宜在流速大 于1.2m/s、垃圾杂物多、水下结构复杂等环境中检测作业，避免出现水下树枝、渔网、垃圾袋等杂物缠绕脐带缆和推进器的问题;③在水质较差的区域，需要依靠声呐系统代替光学摄像来获取结构信息，但是声呐仪器的精度差异造成扫描成像的质量问题 。④水下机器人作业是以团队合作为基础的，考虑到在水利水电工程的检测作业现场可能出现的安全隐患，需要考虑作业人员的安全注意事项并采取相应的对策。⑤高压电电动观察级水下机器人工作电压是220V交流或380V交流。经过电源转换脐带缆传输270～300V直流，这些电压值对人员构成了潜在的危害。 ⑥推进器电动水下机器人的推进器需要在下水前后进行岸上检测调试，这时要注意避免触碰高速推进器，防止造成伤害。液压水下机器人也要进行岸上调试，推进器的压力控制可达 300Bar以上，对接近推进器的人员构成了潜在的危险 。⑦液压油水下机器人系统中的液压油泄漏会对环境造成污染 。

4.2无人机应用中存在的安全隐患提醒

无人机飞行安全风险的成因是多方面的，具有以下显著特点： ①高危害性：无人机在飞行过程中，一旦对潜在的安全风险处置不当， 则极容易发生失控、坠机等事件。无人机一旦发生链路中断 或者定位系统信号丢失等，则进入盲飞状态，地面无法有效控制。②不可控性：无人机的风险可控难度较大。 绝大部分无人机系统采用 的飞行控制器控制回路结构简单，对于视距外的故障，地面人 员则无法根据无人机当时所处的具体情况进行较为妥善的处理。③预测难度大：无人机飞行安全风险不单单存在于动力系统和传动系统， 更多的集中于飞控系统。 风险成因的复杂性决定了预测风险的难度较大。

5.无人机技术在防洪备汛工作中应用的展望

5.1水下机器人应用前景和展望

在国内的水利水电工程中，现有9万多座水库大坝，内河流域还有众多水闸需要检测。这些水库大坝中，除了近十年新建的大型、特大型水库和高坝，多数为建国后十年修建的中小型水库，以现在的安全标准来评估，多数水库大坝存在诸多安全隐患。在水库大坝安全检测和维护过程中，需要探明水下混凝土缺陷、大坝渗漏、面板裂缝与淘蚀、金属结构腐蚀和水库淤积等安全运行隐患。作为水利水电水下设施的现场检测技术手段之一，相比利用超声波、水下电视、电磁法、电场法、电极法等其他现场检测技术，利用ROV作为检测平台，可以搭载光学和声学仪器对大坝、涵洞、闸门等水下结构进行水下全方位扫描检测，并可对重点部位近距离“驻足”，对缺陷细节进行高清影像取证，有利于后期分析比较。

每年的定检观测的检测数据，影像资料进行数字化后导入库区风险缺陷信息管理平台进行储存，通过时间标签形成水库、大坝、水闸等结构的“检索”挡案，通过对不同时间的数据进行比较分析作出风险评估。

国内大型水电站越来越重视利用新的高科技手段，越来越多的水下机器人参与到水利工程建设和维护中，来确保和满足在水利工程从简单到复杂等各种环境条件下的作业安全要求。

5.2空中无人机应用前景和展望

国家在电力系统建设上投入了更多的资金，完成电力工程的技术研发和工程创新。但是由于我国整体区域较为广阔，为电力工程的整个工作带来了巨大的挑战，无论是在电力线路规划，还是在电力地形区域测绘上，传统的人工测量费时又费力，不仅影响了电力工程进度，还影响了电力工程的质量。而随着无人机技术的创新发展，以无人机为基础的搭载各种设备，进一步为我国电力工程的开展提供了技术保障。无人机在线路规划、地形测量、电力巡检等方面不受到地形的影响，节省了大量的人力、物力和财力，降低了电力工程的测量、施工难度，为工程质量和安全的优化提供了技术保障。

5.3 电力工程多种数字模型库建立，帮助防洪备汛意义重大

5.3.1 DEM，数字高程模型，是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插的一种测量方式。DEM设备主要用于描述区域地貌形态的空间分布，进而精准的在三维坐标中绘制电力工程所需测量区域的地形地貌，并且能够利用等高线实现立体模型构建，从根本上保障了电力工程区域地貌形态空间的准确性，为电力工程的整体测量精确度和准确度的提升提供了技术支持，实现了电力工程测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤等多方面的测量，对电力工程的发展意义重大。

5.3.2 DSM，数字表面模型，其主要是对低保建筑物、桥梁和数目等高度的地面高程模型法。无人机搭载DSM设备在电力工程中的应用能够实现对地标高程信息的测量，针对电力工程所在森林生长情况和山体高度等进行数据搜集整理。在实际电力工程应用的过程中无人机搭载DSM技术能够实现对整体电力工程系统的森林生长情况进行测量，进而降低人工对森林生长的监控，在最大限度上降低制备自然生长对电网系统的带来的影响。无人机搭载SDM设备在电力工程中的应用进一步增加了电力工程的整体安全性，对电力工程的建设和维护具有重要的应用价值和意义。

5.3.3 DOM，文档对象模型，其主要是指利用数字高程模型（DEM）对航空航天影像进行正射纠正、接边、色彩调整、镶嵌，并按照一定范围裁切生成的数字正射影像数据集。在实际应用的过程中建立影响文件，利用相机参数设定和审核，完成影响代号的设置，根据影响资料所提供的坐标、焦距、像素、影像数据标签等实施参数代码的处理，进而完成影响文件校验，进一步实现无人机在哦电力系统中实践活动的电力线路架设工作，为电力工程系统的整体改进和优化奠定了基础。此外，利用无人搭载DOM设备能够实现对电力线路规划和数码影像资料的文档校验，进一步提高整个电力工程测量的精确度和完整性，为我国电力工程的发展奠定基础。

综上所述，随着无人机及其相关技术的逐渐发展，利用无人机搭载不同设备能够完成电力工程规划、地形区域测绘、常规电力巡检、自然灾害应急处理、电力线路架设等工程任务的勘测，进而为电力工程的整体优化提供技术保障，从根本上促进我国电力工程的建设和发展。

6.结束语

各水库要结合防洪备汛工作的实际情况和气候特点，积极引进符合实际情况的无人机系统，确保灾情得到有效的收集，对洪水灾情影响进行精准的评估，保证抢险救援工作顺利进行，降低救援人员所面临的风险。要积极探索无人机与防洪备汛工作的结合点，制定属于本区域的无人机灾情搜集与抢险救援体系，在降低本钱的同时，还可以进一步提高防洪备汛质量。要不断扩大无人机队伍，选择多个无人机类型，设置不同档次的防洪备汛无人机梯队，加大推广和应用力度，对防洪备汛工作模式进行创新。要将无人机技术与山洪灾害防治等工作相结合，确保本地区水利行业信息化水平不断提升，使防洪备汛指挥工作更加智能。

参考文献：

【1】朱春刚.浅谈无人机技术在防洪备汛工作中的探索与应用[J].科技风，2021〔03〕：86.

【2】赵普.无人机技术在防洪备汛工作中的探索与应用[J].中国高新区，2021〔24〕：37.

作者简介：

王哲辉（1977-#），男，厦门，本科，工业工程师，数字产品应用;

郑思口（1974-#），男，南平，本科，电力工程师，行政管理;

福建水口发电集团有限公司，福建省福州市台江区白马南路333号水口大夏，13705915045，200810907@qq.com。