Lentorobotit sähköverkon tarkastuksissa Sähkötutkimuspoolin seminaari
Sisältö 1. Työn lähtökohdat 2. Selvityksen tavoitteet 3. Verkoston lentotarkastukset 4. Lentorobotit 5. Johtopäätöksiä
1 Työn lähtökohdat Sähköyhtiöiden ilma-alusten käyttö ja toimintaympäristö Sähköyhtiöt käyttävät runsaasti ilma-aluksia, lähinnä helikoptereita sähköverkon erilaisissa tarkastus-, kunnossapitosekä rakennustöissä. Syynä on mm. uuden sähkömarkkinalain myötä tiukentuneet sähkön toimitusvarmuuden tavoitteet ja ilma-alusten käyttö nopeuttaa häiriöselvitystyötä Erityisesti suurhäiriötilanteissa ilma-alusten, lähinnä helikopterien avulla tehdyt tarkastuslennot ovat usein välttämättömiä tilannekuvan välittömässä muodostamisessa Helikoptereita hyödynnetään kasvavassa määrin myös verkoston säännönmukaiseen kunnossapitoon liittyvissä tarkastustehtävissä. Tärkeimpiä näistä ovat keskijänniteverkon ilmakuvauslennot, joissa havaintovälineinä käytetään tehokkaita digitaalikameroita ja laserkeilaimia
1 Työn lähtökohdat Nykyisessä ilmailun lainsäädännössä, ilmatilamme rakenteessa ja varauskäytännössä ei ole huomioitu nopeasti kehittyviä, kauko-ohjattavia tai automaattisesti lentäviä miehittämättömiä ilma-aluksia. Määräysmielessä verkostotarkastustehtävät kuuluvat ns. lentotyön piiriin Työssä haluttiin tarkemmin selvittää miehittämättömien alusten eli lentorobottien potentiaali. Erityisesti miehittämättömien ilmaalusten käytöllä odotettiin saatavan parannuksia sähkön toimitusvarmuuteen kohtuullisilla kustannuksilla Työssä perehdyttiin tarkastuslentojen vaatimuksiin sekä ilmahavainnoinnin tekniikkaan ja rajoituksiin erityisesti miehittämättömien ilma-alusten näkökulmasta Työn selvitysosa tehtiin helmi-kesäkuussa kuluvana vuonna menetelminä tietohaut, asiantuntijoiden haastattelut ja vierailukäynnit alan yrityksiin
2 Selvityksen tavoitteet Selvitykselle asetetut tärkeimmät tavoitteet: 1. Koota sähköverkkoyhtiöiden tarpeita ja vaatimuksia sähköverkon lentotarkastuksille sekä normaalioloissa että suurhäiriötilanteiden selvittämisessä 2. Arvioida lentorobottien teknistaloudellinen soveltuvuus sähköverkkojen lentotarkastuksiin painopisteen ollessa keski- ja pienjänniteverkoissa. Lentorobottien teknisiä ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia verrataan perinteisiin miehitettyihin helikoptereihin ja lentokoneisiin 3. Selvittää lentorobottien avulla tehtävissä ilmakuvauksissa käytettävissä olevaa havaintovälineistöä ja havaintoaineiston jälkikäsittelytyökaluja sekä arvioida niillä saatavan havaintoaineiston käyttökelpoisuus sähköverkoston tarkastuksissa 4. Perehtyä alan teollisuuteen ja kehitysnäkymiin 5. Koota tietoa lentorobottien käyttöä koskevasta lainsäädännöstä ja määräyksistä sekä tehdä ehdotus määräyksiin mahdollisesti tarvittavista muutoksista ja/tai lisäyksistä
2 Selvityksen tavoitteet 6. Arvioida lentorobottien käytön kustannuksia ja saatavia kustannussäästöjä perinteisten ilma-alusten käyttöön verrattuna 7. Hahmottaa palvelutarjonnan erilaisia (liike)toimintamalleja ja organisointia 8. Laatia kokonaisarvio lentorobottijärjestelmien toimivuudesta, käyttökelpoisuudesta ja kannattavuudesta sekä nykylainsäädännön (nopea hyödyntäminen) että tulevan säädösympäristön puitteissa 9. Asettaa tavoitteet ja laatia alustava tutkimussuunnitelma selvitystyön jatkotyöksi ehdotettavalle lentorobottijärjestelmän/-järjestelmien pilotoinnille verkostotarkastuksissa sekä selvittää pilotoinnista kiinnostuneet tahot 10. Laatia kirjallinen raportti lentorobottien käytön mahdollisuuksista sähköverkkojen lentotarkastuksissa
3 Verkoston lentotarkastukset 1 Lentotarkastukset suurhäiriötilanteessa Suurhäiriötilanteissa miehitettyjä helikoptereita on käytetty pitkään tilannekuvan muodostamiseen ja tilanneselvityksen edetessä myös lähinnä KJ-verkon vikojen tai vika-alueiden paikantamiseen. Lentoreitit ovat yleensä pitkiä (jopa kymmeniä kilometrejä) Lennoilla asiantuntijat arvioivat silmämääräisesti tuhojen laajuutta ja suuruutta, eikä havaintolaitteita (kamerat yms.) käytetä systemaattisesti tarve jatkuu ennallaan eivätkä lentorobotit voi lähitulevaisuudessa (n. 5 vuotta) korvata miehitettyjä helikoptereita suurhäiriötilanteissa useasta eri syystä Ei käytetä tällä hetkellä PJ-verkon vikojen paikantamiseen
3 Verkoston lentotarkastukset 2 Verkon kunnossapidon määräaikaistarkastukset Kunnossapidon lentotarkastukset ovat sangen tuore tapa kerätä tietoa verkoston kunnossapidon tarpeita varten Menetelmä on käytössä muutamassa suuressa verkkoyhtiössä, joilla on runsaasti ilmajohtoihin perustuvaa keskijänniteverkkoa Tarkastussykli on 4-6 vuotta yhtiöstä riippuen Ei voi täysin korvata perinteisiä jalan tehtäviä tarkastuksia (mm. ei voida havaita pylväiden lahovaurioita) Lentokalustona lähinnä vain perinteiset helikopterit Kunnossapitotarkastusten lentoreitit ovat pitkiä (vähintään yleensä useita kilometrejä)
3 Verkoston lentotarkastukset 3 Lentotarkastuksien tarjonta ja tekniikka Sähköverkolle soveltuvia, havaintolaitteiden avulla tehtäviä määräaikaistarkastuslentoja tarjoaa maassamme tällä hetkellä kattavasti kaksi yritystä: Visimind Ab sekä Sharper Shape Oy Kattavassa tarkastuksessa helikopterit varustetaan monipuolisella havaintolaitteistolla: näkyvän alueen viistokuvauksiin 1-3 digitaalikameraa, joista yksi korkean resoluution kamera (usein kuvaus meno- ja tulosuuntiin), laserkeilain ja toisinaan lämpökamera tai muita erikoiskameroita. Saatua havaintoaineistoa jälkikäsitellään tarkoitukseen räätälöidyillä erikoisohjelmilla Hyvä erotuskyky (alle 1 cm) edellyttää matalaa lentokorkeutta (30 70 m johdosta), mikäli lennetään tehokkaasti välillä pysähtymättä 60 100 km/h nopeudella
3 Verkoston lentotarkastukset Heliwest Oy:n helikopteri verkoston tarkastuskuvausvarustuksessa
3 Verkoston lentotarkastukset 3 Lentotarkastuksien tarjonta ja tekniikka, jatkoa Ilmakuvauksessa käytettävien digitaalikameroiden ominaisuudet määräytyvät kuvien käyttökohteen mukaisesti. Modernit kompaktit kamerat soveltuvat painonsa puolesta myös keveiden lentorobottien kannettaviksi. Ne eivät normaalisti vaadi ulkoista massamuistia eikä erittäin tarkkaa, painavaa ja kallista hyrräkompassia eli IMU-yksikköä toisin kuin laserkeilaimet (IMU = Inertial Measurement Unit) Verkoston (valo)kuvauksessa tavoite on alle 1 cm:n erotuskyky, jotta verkon pienetkin eriste- ja johdinviat voidaan erottaa Erotuskyvyn kannalta tärkeitä ominaisuuksia ovat kameran kennon koko, pikselimäärä (15 20 Mpix) sekä objektiivin valovoima. Tavoitteena on lyhyt valotusaika(~1/500s 1/1000s), koska kameran nopea liike aiheuttaa kuvaan epätarkkuutta Keveillä lentoroboteilla kuvauksessa tarvittava vakaus saavutetaan lentoa stabilisoivalla lentorobotin omalla IMU-yksiköllä (kevyt ja edullinen), kameran optisella vakaimella sekä haitallisia liikkeitä kompensoivalla kameratelineellä
3 Verkoston lentotarkastukset Verkoston tarkastuskuva n. 35 metrin korkeudelta robottikopterista kuvattuna (lähde Sharpe Shape Oy)
3 Verkoston lentotarkastukset 3 Lentotarkastuksien tarjonta ja tekniikka, jatkoa Laserkeilaimet ovat ilmakuvauksissa käytettäviä tarkkuusmittalaitteita ja vaativat toimivassa kokoonpanossa tehokkaan IMU-yksikön ja erillisen ohjaus- ja tallennuslaitteen Havaintoaineistona kerätään pistepilvi, joka on normaalisti jatkokäsiteltävä ennen käyttökelpoisten tulosten saamista. Tuloksien avulla laaditaan mm. johtokatujen raivaussuunnitelmia Laserkeilaimen havaintoaineisto on kiinnitettävissä IMU-yksikön ja tarkan satelliittipaikannuksen avulla kolmiulotteiseen koordinaatistoon lähes maanmittaritarkkuudella Massaa laadukkaalle lasermittauslaitteistolle kertyy keveimmilläänkin helposti 5 10 kiloa, eikä keveimpien lentorobottien kuljetuskapasiteetti riitä nykyisiä laitekokoonpanoja kantamaan
3 Verkoston lentotarkastukset Itävaltalaisen Rieglin VUX-1 laserkeilain. Pieni laite soveltuu myös lentorobottikeilauksiin, massa 4 kg 20 kv-johdon laserkeilausaineistoon perustuva poikkileikkauskuva johtokadusta sekä johdon pituusprofiili (lähde Elenia)
1 Lentorobotit tulevat 1) 4 Lentorobotit Helikopterien avulla suoritettavat ilmatarkastukset ovat toiminnallisesti erittäin tehokas, mutta kallis verkoston kunnossapito- ja korjaustoimintaa tukeva tarkastusmenetelmä Lentorobotit ovat kehittyneet erittäin nopeasti viime vuosina. Erityisesti markkinoille ovat tulleet uudet moniroottoriset robottihelikopterit sekä niiden avulla lentopalveluja tarjoavia yrityksiä Lähtöoletus: Lentoroboteilla tarkastusten kustannuksia voidaan alentaa selvästi sekä lisätä samalla ilmajohtojen tarkastusten käyttöä mm. sähköverkon häiriötilanteissa. Tämä nopeuttaisi tuntuvasti viankorjausta ja lyhentäisi sähkökatkoksia 1) käytetään myös lyhenteitä UAV (Unmanned Aerial Vehicle) tai RPAS (Remotely Piloted Aircraft)
1 Lentorobotit tulevat jatkoa 4 Lentorobotit Lentorobotteja on globaalisti tarjolla jo sadoilta eri valmistajilta Laitteiden kaksi pääluokkaa: kiinteäsiipiset ja pyöriväsiipiset Laitteet poikkeavat mm. teknisen ratkaisun, koon, moottorin, suorituskyvyn ja hinnan osalta paljon toisistaan: Enimmäislentokorkeus vaihtelee metreistä 30 kilometriin Toiminta-aika minuutista vuorokausiin Toimintasäde kymmenistä metreistä tuhansiin kilometreihin Kuormankantokyky gramman osista kymmeneen tonnin Rakenteita: kiinteäsiipiset, multiroottorikopterit, perinteinen helikopterirakenne, hybridiversio Voimanlähteinä tällä hetkellä: sähkö- tai polttomoottori tai turbiini Sähkö voidaan ottaa akusta ja/tai tuottaa aurinkopaneelilla tai polttokennolla
1 Lentorobotit tulevat jatkoa 4 Lentorobotit Kiinteäsiipiset ilma-alukset ovat suorituskyvyltään (suorituskyky = kuorma x toimintasäde) ylivoimaisia pyöriväsiipisiin verrattuna. Kiinteäsiipisten alusten nousu ja lasku vaatii riittävän tilan (kenttä) tai erityislaitteita (mm. katapultti, laskuvarjo yms.) Rakenteeltaan perinteisen malliset polttomoottorikäyttöiset helikopterit ovat vastaavasti nopeudeltaan ja suorituskyvyltään sekä aerodynaamiselta hyötysuhteeltaan parempia kuin sähkökäyttöiset moniroottoriset quadro-, hexa- tai oktokopterit Multiroottorikopterit ovat toisaalta ketteryydeltään ja ohjausominaisuuksiltaan ylivoimaisia muihin verrattuna Kaikilla koptereilla on kyky nousta ja laskeutua pystysuoraan (VTOL) -> voi operoida lähes mistä tahansa Vain kiinteäsiipiset laitteet tai polttomoottori-/turbiinikäyttöiset robottikopterit kykenevät käytännössä pitkiin (>10 km) lentoihin
4 Lentorobotit Itävaltalaisen Schiebelin näkemys polttomoottorikäyttöisestä robottihelikopterista
2 Navigointitekniikka 4 Lentorobotit Miehittämättömien ilma-alusten navigointi ja ohjaus voidaan jakaa pelkistetysti näköyhteydellä tapahtuviin VLOS-lentoihin ja suoran näköyhteyden ulkopuolelle ulottuviin BVLOS-lentoihin 1). Lentorobottien automaattiohjaus ja navigointi toteutetaan autopilotin avulla. Laite hyödyntää erilaisia apulaitteita, mm. IMU-yksikköä ja satelliittipaikanninta, tulevaisuudessa myös uusia turvalaitteita Lentorobottien VLOS-lentoihin on varattu ohjaustaajuudet 5 GHz:n taajuusalueelta. Verkoston tarkastuslennot ovat usein BVLOSlentoja, joita varten ei vielä ole pysyviä taajuusvarauksia, joten taajuudet täytyy ratkaista viranomaisten kanssa tapauskohtaisesti Lentoreittisuunnitteluun on tulossa edistyksellisiä työkaluja, joissa voidaan hyödyntää digitaalista kartta-aineistoa sekä maan kattavaa digitaalista korkeusmallia. Lisäksi lentorobottien tunnistamiseen ja navigointiin voidaan tulevaisuudessa käyttää keveitä tutkavastaajia tai esteentunnistamis- ja törmäyksenestolaitteita 1) BVLOS = Beyond Visual Line Of Site
4 Lentorobotit 3 Lainsäädäntö ja ilmailumääräykset Nykyisen ilmailulainsäädännön todettiin olevan lentorobottien käytön kannalta sangen rajoittavaa ja kaipaavan ripeästi muutoksia alusten tehokaan käytön mahdollistamiseksi Erityisesti tulisi mahdollistaa riittävän pitkät yhtäjaksoisesti lennettävät, suoran näköyhteyden ulkopuolelle ulottuvat lennot, joissa navigointi on toteutettu pitkälle automaattisin navigointijärjestelmien avulla. Näitä ovat mm. verkoston tarkastuslennot VLOS-lentojen regulointi on ollut tähän saakka minimaalista, mutta muuttuu selvästi ohjatummaksi ja määrämuotoisemmaksi uuden ilmailulain voimaan tulon myötä marraskuussa Uudet, lain nojalla annettavat määräykset tulevat rajoittamaan mm. RPAS-ilma-alusten massoja ja sallittuja lentoalueita Lisäksi asetetaan vaatimuksia alusten turvalaitteille ja lentotoimintaa harjoittaville yrityksille, joilta vaaditaan mm. pätevyyksiä ja lupia
4 Lentorobotit 4 RPAS-lentotarkastuspalvelujen tarjonta Lentorobottien avulla ilmakuvauspalveluja tuottavia yrityksiä toimii maassamme tällä hetkellä noin puolen kymmentä Kaikki ne harjoittavat ainoastaan näköyhteyslentoja (VLOS) Verkkoyhtiöt kaipaavat lentoroboteilla toteutettaville tarkastuspalveluille ulkopuolisia toimittajia. Luonnollisia palvelutuottajia olisivat lentoliiketoiminnan harjoittajat tai ilmakuvauksiin erikoistuneet yritykset. Myös perinteiset verkkoyhtiöiden kunnossapitopalvelujen tuottajat voivat laajentaa palvelutarjontaansa lentorobottien avulla tehtäviin tarkastuslentoihin Toimialan ammattimainen osaaminen on maassamme harvoissa käsissä ja alan tutkimusta ja koulutusta ei ole käytännössä ollenkaan. Vähäinen teollinen piensarjatuotantomme perustuu vakiokomponentteihin tai laukaisulaitteiden rakentamiseen
5 Selvityksen johtopäätöksiä Selvityksen keskeinen tulos: lentorobotit soveltuvat teknisesti sähköverkoston sekä myös yhteiskunnan muun huoltovarmuuskriittisen infrastruktuurin tarkastuksiin jo nykyisellä suorituskyvyllä. Lennot voidaan tehdä pääosin matalalla, alle 120 metrin korkeudella niin sanotussa valvomattomassa ilmatilassa ja turvallisesti häiritsemättä muuta ilmaliikennettä Näköyhteydellä tehtävissä tarkastus- ja kuvauslennoissa miehittämättömät ilma-alukset ovat taloudellisesti ja teknisesti erittäin kilpailukykyisiä jo tänä päivänä. Pitkissä verkoston määräaikaistarkastuksissa, miehitetyt helikopterit ovat pääasiallinen valinta vielä muutamia vuosia Miehittämättömien ilma-alusten käytön laajuuteen vaikuttaa suuresti tuleva määräysympäristö säädäntötyön laatuun tulee panostaa, sillä viranomaiset ottavat huomioon myös käyttäjätahojen näkemyksiä. Valvomattoman ilmatilan (alle 150 m) käyttöä reguloidaan toistaiseksi kansallisesti
5 Selvityksen johtopäätöksiä Yhteiskunnan on panostettava alan tutkimukseen ja koulutusohjelmien luomiseen sekä tuettava aloittavia yrityksiä RPAS-toimintaa harjoittavien yritysten suositellaan hakeutuvan yhteistyöhön keskenään (mm. edunvalvonta). Hyvin toimiva yhteistyö viranomaisten ja oppilaitosten kanssa on myös tärkeää Tarkastuspalveluja hankkivien tahojen toivotaan ennakkoluulottomasti ottavan käyttöön uusia palveluja ja tekniikoita, jotta ne kehittyisivät varteenotettavaksi vaihtoehdoksi nykyisille palveluille Käytännön kokemuksien saamiseksi työn raportissa esitetään erillisen pilotoinnin järjestämistä. Jatkotyöstä vastaavat Sharper Shape Oy ja Next Eagle Oy yhdessä mm. ST-poolin tukemana Koko raportti ladattavissa linkistä: http://energia.fi/sites/default/files/lentorobotit_sahkoverkon_tarkastuksissa_2014.pdf
Reneco - Kun asioita pitää saada tehtyä. jouko.tervo@reneco.fi www.reneco.fi