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摘 要：近年来，随着无人机在电力巡检中应用的越来越广泛，无人机的安全问题越来越突出。分析了电力巡检中无人机存在的安全问题，对其风险因素进行了分析，对电力巡检无人机安全技术的原理、构思及实现方式进行讨论，并针对其风险因素的应对方式进行了浅析。
关键词：无人机；电力巡检；安全防护
中图分类号：V243.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）36-0248-02
1 引 言
无人机电力巡检是无人机行业的重要应用领域，随着无人机技术的成熟和发展，无人机电力巡检逐渐成为现实。如今无人机巡检的工作效率是原来人工巡检的8～10倍，电力巡检工每天的工作效率有了质的提升，也大大降低了巡检人员的作业风险。尽管无人机代替人工执行电力巡检有诸多优越性，但电力行业关系国家经济民生安全，电网属于国家战略资源，无人机在巡检信息传输的过程中，就很容易导致电力信息的泄露或者无人机被劫持诱骗，所以如何保证国家战略资源的安全，引起了国家有关部门的高度重视[1]。
2 无人机使用中存在的安全问题
近年来越来越多的无人机安全事件出现，不仅会泄露公司敏感数据，也会对电网财产造成重大的安全隐患。电力巡检专用无人机在其控制流程中的每一部分都可能出现安全隐患，如：传感器GPS数据欺骗风险，数据链路和身份认证风险，线路碰撞风险，无人机安全管控风险。我们将无人机系统安全主要分为信息安全和物理安全两大方面：①信息安全防护包括无人机传感器、GPS安全、无人机终端安全、无人机链路安全和无人机地面站安全。②物理安全防护包括防碰撞、防雷电、无人机与电线、无人机与鸟类的碰撞等。
3 安全问题原因分析
电力无人机的安全问题可以分为无人机终端安全和设备碰撞安全两部分。前者主要指无人机在正常操作过程中各个环节可能出现的信息安全隐患，而线路设备安全主要是指无人机可能对电力设备产生的碰撞安全。图1给出了无人机系统的组成。无人机信息传输过程中，不透明不可控可能导致信息泄露、导航系统和传感器欺骗导致无人机被劫持诱骗[2]。
4 无人机巡检安全防护的风险分析
（1）对无人机夺取无线电控制的风险
伴随着消费级无人机的逐渐普及，政府不得不采取一些强硬手段，来保障低空领域安全。政府通常采用一个接收器来追踪并确定无人机，使用足够强大的电子信号照射无人机，夺取其无线电控制。
同时，政府为了避免自我的无人机被对方操纵，科研部门希望借助阻截无人机使用的传输代码，进而控制这台无人机，而将其引导返航，回归到操作者手中[3]。
（2）对无人机进行声波干扰的风险
陀螺仪是无人机中的关键组件，功能是提供机体倾斜、旋转及方向角度等信息，以保持机体平衡。通过对陀螺仪进行共振测试，发现可利用声波使陀螺仪发生共振，从而扰乱无人机的平稳飞行，输出错误信息，从而导致无人机坠落。
（3）无人机信号干扰的风险
无人机无法获得足够精确的自身坐标数据。因此，各国无人机的飞行控制均采用GPS卫星导航系统与惯性导航系统相结合的方式。无人机在照相时还需要知道自己的精确位置，因此无人机上安装了GPS信号接收机。
正是如此，无人机的GPS信号接收机容易遭受电子干扰，导致无人机只能依靠基于陀螺仪的惯性导航系统，无法获得足够精确的自身坐标数据。如果没有精确的地形连测，借助于照相机和摄像机获得的情报将没有任何价值，此时的无人机顶多是一台会飞的相机，无论是从军事角度，还是从民用的测绘角度，都意味着损失。
（4）黑客渗透攻击的风险
黑客们通过无人机内置的Wi-Fi网络和开放的远程端口，向无人机的实时操作系统发起的攻击。通过Wi-Fi网络，攻击者可以断开无人机拥有者的FreeFlight控制应用并使之与自己配对，然后获得完整的控制权限。甚至，黑客们还能通过Bebop模型，将正在天上飞的无人机“一键拿下”。连接到目标无人机之后，获得了访问控制器的root权限，随后自然是可以肆意地进行破坏，甚至让无人机直接掉到地上。
5 无人机系统组成与安全防护的关系
无人机系统包括终端安全、反GPS欺骗、基于激光雷达和毫米波雷达的无人机高压线路、杆塔探测、电力专用无人机安全标准、基于全国产“龙芯”、“申威”等通用CPU的无人机飞行控制与任务等。实际上这些内容都是围绕无人机展开的。下面主要介绍无人机的相关组成，从中可以看到以上研究内容和无人机的关系[4]。
旋翼无人机的系统组成如图3所示，包括无人机自主飞行控制系统，其中含有飞控系统、电机、电调、遥控接收机、姿态参考系统、导航定位系统、通信系统和任务执行系统，同时，还需要地面控制台、图传地面显示系统、遥控装置。
下面介绍每部分的功能和作用：
飞控系统：无人机的控制中心，接收各个传感器的信息并运算，连接其他各模块的为一个整体；（基于国产通用CPU的无人机飞行控制与任务）。
电机：无人机执行机构，为无人机提供动力；（电力专用无人机安全标准）。
电调：驱动控制设备，为无人机提供能量转换，接收飞控系统的直接命令；（电力专用无人机安全标准）。
遥控接收机：接收遥控装置的命令并发送给飞控系统；（终端安全）。
姿态参考系统：给飞控系统反馈当前无人机的准确实时姿态，为飞控系统提供动力反馈提供支持；（电力专用无人机安全标准）。
导航定位系统：如GPS、RTK等定位设备，可以给飞控系统提供当前无人机的实时位置；（反GPS欺骗）。
通信系统：飞控系统与地面站控制臺之间相互通信的设备及通信协议，飞控系统可以发送无人机当前的实时状态同时也可以接受地面控制台的控制指令，而通信系统就是两者之间的桥梁；（终端安全、电力专用无人机安全标准）。 图传地面显示系统：接收无人机机载摄像机当前所拍摄图像，并在地面端实时显示；（高压线路、杆塔探测）。
遥控装置：给接收机发送控制信号，飞控系统解算后执行相应命令。（终端安全）。
6 无人机系统安全防护的方式浅析
（1）无人机航迹规划与避撞
由于无人机领域的发展，各类避撞、航迹规划算法层出不穷。动态航迹规划的目的是根据飞行器的位置、任务要求和周围环境的情况实时设定每架飞机的飞行路径，确保飞机可以躲避飞行区域中的障碍物并且完成指定任务[5]。
我们基于A*搜索、遗传、模拟退火、蚁群、粒子群、势能函数等通用优化算法进行研究，可以提出一套完备的适用于低空复杂空域的动态避撞算法。在实际应用中，考虑到计算复杂度和实用性的关系，本项目拟采用结合势能函数和增强学习的方法来做无人机航迹规划。
基于势能函数的算法主要借鉴物理势场的原理，将飞行器在环境中的运动视为一种在虚拟人工受力场中的運动。势场中存在引力极和斥力极，其中目标点对飞行器产生的是引力，障碍物对飞行器产生的是斥力，最后通过求合力来控制飞行器的运动。该方法的优点是相对于空间法更适合于动态环境，缺点是缺乏全局信息，不能处理局部极小值，如图4所示。
（2）基于TPM的可信计算
可信计算的核心是称为TPM（TrustedPlatformModule）（可信平台模块）的安全芯片，作为可信计算技术的核心，TPM被业内喻为安全PC产业链的“信任原点”，旨在将PC变成一个安全可信的计算平台。在实际应用中，TPM安全芯片被嵌入到PC主板之上。
7 结束语
随着经济社会的发展，发电量与用电量逐年上升，国家能源局等对电力安全可靠性提出新要求，电力巡检关系电力安全可靠性与国计民生，战略地位与实际刚性需求突出。随着无人机巡检应用的广泛深入，保护战略资源的安全，开展各种防干扰手段对其的影响研究以及干扰监测设备的研究都变得越来越紧迫。
参考文献
[1]陆 璐.国家电网无人机电力线路安全巡检系统及关键技术研究[J].科技尚品，2016（10）.
[2]刘 勇，陈海滨，刘 方.基建现场巡检无人机智能感知系统的研究与应用[J].电力系统保护与控制，2018（15）.
[3]李 栋.基于无人机视觉的输电线路安全距离巡检系统研究[D].广西大学，2016.
[4]张昌赛，刘正军，杨树文，等.大型无人机输电线路巡检数据采集与处理关键技术[J].测绘通报，2017（s1）：136～139.
[5]张泽浩.基于动态贝叶斯网络的无人机巡检输电线路故障诊断研究[D].华北电力大学（北京），2016.
收稿日期：2018-11-13
作者简介：朱 敏（1992-），男，助理工程师，本科，主要从事信息安全工作。
罗 晨（1990-），男，助理工程师，研究生，主要从事信息运维工作。
毛幼军（1970-），男，高级工程师，本科，主要从事信息系统管理工作。
关键词：无人机；电力巡检；安全防护
中图分类号：V243.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）36-0248-02
1 引 言
无人机电力巡检是无人机行业的重要应用领域，随着无人机技术的成熟和发展，无人机电力巡检逐渐成为现实。如今无人机巡检的工作效率是原来人工巡检的8～10倍，电力巡检工每天的工作效率有了质的提升，也大大降低了巡检人员的作业风险。尽管无人机代替人工执行电力巡检有诸多优越性，但电力行业关系国家经济民生安全，电网属于国家战略资源，无人机在巡检信息传输的过程中，就很容易导致电力信息的泄露或者无人机被劫持诱骗，所以如何保证国家战略资源的安全，引起了国家有关部门的高度重视[1]。
2 无人机使用中存在的安全问题
近年来越来越多的无人机安全事件出现，不仅会泄露公司敏感数据，也会对电网财产造成重大的安全隐患。电力巡检专用无人机在其控制流程中的每一部分都可能出现安全隐患，如：传感器GPS数据欺骗风险，数据链路和身份认证风险，线路碰撞风险，无人机安全管控风险。我们将无人机系统安全主要分为信息安全和物理安全两大方面：①信息安全防护包括无人机传感器、GPS安全、无人机终端安全、无人机链路安全和无人机地面站安全。②物理安全防护包括防碰撞、防雷电、无人机与电线、无人机与鸟类的碰撞等。
3 安全问题原因分析
电力无人机的安全问题可以分为无人机终端安全和设备碰撞安全两部分。前者主要指无人机在正常操作过程中各个环节可能出现的信息安全隐患，而线路设备安全主要是指无人机可能对电力设备产生的碰撞安全。图1给出了无人机系统的组成。无人机信息传输过程中，不透明不可控可能导致信息泄露、导航系统和传感器欺骗导致无人机被劫持诱骗[2]。
4 无人机巡检安全防护的风险分析
（1）对无人机夺取无线电控制的风险
伴随着消费级无人机的逐渐普及，政府不得不采取一些强硬手段，来保障低空领域安全。政府通常采用一个接收器来追踪并确定无人机，使用足够强大的电子信号照射无人机，夺取其无线电控制。
同时，政府为了避免自我的无人机被对方操纵，科研部门希望借助阻截无人机使用的传输代码，进而控制这台无人机，而将其引导返航，回归到操作者手中[3]。
（2）对无人机进行声波干扰的风险
陀螺仪是无人机中的关键组件，功能是提供机体倾斜、旋转及方向角度等信息，以保持机体平衡。通过对陀螺仪进行共振测试，发现可利用声波使陀螺仪发生共振，从而扰乱无人机的平稳飞行，输出错误信息，从而导致无人机坠落。
（3）无人机信号干扰的风险
无人机无法获得足够精确的自身坐标数据。因此，各国无人机的飞行控制均采用GPS卫星导航系统与惯性导航系统相结合的方式。无人机在照相时还需要知道自己的精确位置，因此无人机上安装了GPS信号接收机。
正是如此，无人机的GPS信号接收机容易遭受电子干扰，导致无人机只能依靠基于陀螺仪的惯性导航系统，无法获得足够精确的自身坐标数据。如果没有精确的地形连测，借助于照相机和摄像机获得的情报将没有任何价值，此时的无人机顶多是一台会飞的相机，无论是从军事角度，还是从民用的测绘角度，都意味着损失。
（4）黑客渗透攻击的风险
黑客们通过无人机内置的Wi-Fi网络和开放的远程端口，向无人机的实时操作系统发起的攻击。通过Wi-Fi网络，攻击者可以断开无人机拥有者的FreeFlight控制应用并使之与自己配对，然后获得完整的控制权限。甚至，黑客们还能通过Bebop模型，将正在天上飞的无人机“一键拿下”。连接到目标无人机之后，获得了访问控制器的root权限，随后自然是可以肆意地进行破坏，甚至让无人机直接掉到地上。
5 无人机系统组成与安全防护的关系
无人机系统包括终端安全、反GPS欺骗、基于激光雷达和毫米波雷达的无人机高压线路、杆塔探测、电力专用无人机安全标准、基于全国产“龙芯”、“申威”等通用CPU的无人机飞行控制与任务等。实际上这些内容都是围绕无人机展开的。下面主要介绍无人机的相关组成，从中可以看到以上研究内容和无人机的关系[4]。
旋翼无人机的系统组成如图3所示，包括无人机自主飞行控制系统，其中含有飞控系统、电机、电调、遥控接收机、姿态参考系统、导航定位系统、通信系统和任务执行系统，同时，还需要地面控制台、图传地面显示系统、遥控装置。
下面介绍每部分的功能和作用：
飞控系统：无人机的控制中心，接收各个传感器的信息并运算，连接其他各模块的为一个整体；（基于国产通用CPU的无人机飞行控制与任务）。
电机：无人机执行机构，为无人机提供动力；（电力专用无人机安全标准）。
电调：驱动控制设备，为无人机提供能量转换，接收飞控系统的直接命令；（电力专用无人机安全标准）。
遥控接收机：接收遥控装置的命令并发送给飞控系统；（终端安全）。
姿态参考系统：给飞控系统反馈当前无人机的准确实时姿态，为飞控系统提供动力反馈提供支持；（电力专用无人机安全标准）。
导航定位系统：如GPS、RTK等定位设备，可以给飞控系统提供当前无人机的实时位置；（反GPS欺骗）。
通信系统：飞控系统与地面站控制臺之间相互通信的设备及通信协议，飞控系统可以发送无人机当前的实时状态同时也可以接受地面控制台的控制指令，而通信系统就是两者之间的桥梁；（终端安全、电力专用无人机安全标准）。 图传地面显示系统：接收无人机机载摄像机当前所拍摄图像，并在地面端实时显示；（高压线路、杆塔探测）。
遥控装置：给接收机发送控制信号，飞控系统解算后执行相应命令。（终端安全）。
6 无人机系统安全防护的方式浅析
（1）无人机航迹规划与避撞
由于无人机领域的发展，各类避撞、航迹规划算法层出不穷。动态航迹规划的目的是根据飞行器的位置、任务要求和周围环境的情况实时设定每架飞机的飞行路径，确保飞机可以躲避飞行区域中的障碍物并且完成指定任务[5]。
我们基于A*搜索、遗传、模拟退火、蚁群、粒子群、势能函数等通用优化算法进行研究，可以提出一套完备的适用于低空复杂空域的动态避撞算法。在实际应用中，考虑到计算复杂度和实用性的关系，本项目拟采用结合势能函数和增强学习的方法来做无人机航迹规划。
基于势能函数的算法主要借鉴物理势场的原理，将飞行器在环境中的运动视为一种在虚拟人工受力场中的運动。势场中存在引力极和斥力极，其中目标点对飞行器产生的是引力，障碍物对飞行器产生的是斥力，最后通过求合力来控制飞行器的运动。该方法的优点是相对于空间法更适合于动态环境，缺点是缺乏全局信息，不能处理局部极小值，如图4所示。
（2）基于TPM的可信计算
可信计算的核心是称为TPM（TrustedPlatformModule）（可信平台模块）的安全芯片，作为可信计算技术的核心，TPM被业内喻为安全PC产业链的“信任原点”，旨在将PC变成一个安全可信的计算平台。在实际应用中，TPM安全芯片被嵌入到PC主板之上。
7 结束语
随着经济社会的发展，发电量与用电量逐年上升，国家能源局等对电力安全可靠性提出新要求，电力巡检关系电力安全可靠性与国计民生，战略地位与实际刚性需求突出。随着无人机巡检应用的广泛深入，保护战略资源的安全，开展各种防干扰手段对其的影响研究以及干扰监测设备的研究都变得越来越紧迫。
参考文献
[1]陆 璐.国家电网无人机电力线路安全巡检系统及关键技术研究[J].科技尚品，2016（10）.
[2]刘 勇，陈海滨，刘 方.基建现场巡检无人机智能感知系统的研究与应用[J].电力系统保护与控制，2018（15）.
[3]李 栋.基于无人机视觉的输电线路安全距离巡检系统研究[D].广西大学，2016.
[4]张昌赛，刘正军，杨树文，等.大型无人机输电线路巡检数据采集与处理关键技术[J].测绘通报，2017（s1）：136～139.
[5]张泽浩.基于动态贝叶斯网络的无人机巡检输电线路故障诊断研究[D].华北电力大学（北京），2016.
收稿日期：2018-11-13
作者简介：朱 敏（1992-），男，助理工程师，本科，主要从事信息安全工作。
罗 晨（1990-），男，助理工程师，研究生，主要从事信息运维工作。
毛幼军（1970-），男，高级工程师，本科，主要从事信息系统管理工作。