基于機(jī)器人技術(shù)遠(yuǎn)程輸電巡視的研究與實踐

馬叢淦，王 闖，杜覺曉，吳淼喆，鄭 娜，張藝凡，李 煒

(國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

0 引言

目前專業(yè)巡檢人員老齡化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，人員承載力整體下降。而面對線路運維管理工作日趨精細(xì)化趨勢，加上工作經(jīng)驗豐富的職工較少，完成線路運維工作壓力變大，未來靠人工完成日常的巡視工作已不現(xiàn)實。隨著科技的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)器人代替人類完成工作成為趨勢，現(xiàn)就機(jī)器人代替人來進(jìn)行輸電線路巡檢技術(shù)進(jìn)行分析。

目前輸電線路巡檢包括：例行巡視(包括本體巡視和通道巡視)、帶電登檢、紅外測溫、弧垂測量、交叉跨越測量等工作。統(tǒng)計顯示某檢修分公司例行巡檢的年度工作量是125 301工日，相當(dāng)于100名專業(yè)巡檢人員、275名通道巡視人員全年不休地開展各項例行巡檢工作，并且?guī)щ姷菣z、紅外測溫等工作均無法實現(xiàn)1次/年的工作標(biāo)準(zhǔn)，實際完成工作量在60 %—70 %。部分巡檢項目未按公司標(biāo)準(zhǔn)開展巡檢工作，不利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。而機(jī)器人依據(jù)設(shè)定好的程序，可實現(xiàn)線路的自動巡檢，解決了輸電線路人工巡檢的漏查漏報問題，通過機(jī)器人的程序化操作，將輸電巡檢工作固化，使巡檢質(zhì)量可控能控。

1 技術(shù)原理

巡檢機(jī)器人是在架空輸電線路地線上行走，通過搭載可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光雷達(dá)等巡檢設(shè)備，對輸電線路及其附屬金具、桿塔、線路走廊進(jìn)行巡視的智能巡檢設(shè)備。通過對地線進(jìn)行局部改造，機(jī)器人可跨越桿塔實現(xiàn)全線路巡檢；還可自主完成巡檢任務(wù)規(guī)劃、越障、線路巡檢工作。巡檢結(jié)果既可在線實時查看，也能導(dǎo)入后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行整理、歸類與分析。

在安裝過程中需2人操作，一人上塔進(jìn)行安裝，另一人于地面進(jìn)行牽引操作。在巡視過程中，機(jī)器人可自動實現(xiàn)桿塔間的跨越，攝像頭(探頭等)可根據(jù)需要調(diào)整角度，對地線、導(dǎo)線、連接部位以及周邊環(huán)境等進(jìn)行檢測。

1.1 可實現(xiàn)的巡檢項目

(1) 通過搭載可見光攝像機(jī)可實現(xiàn)本體巡視和通道環(huán)境巡視，2項工作可同步進(jìn)行。

(2) 通過搭載紅外熱像儀可實現(xiàn)線路接頭的紅外測溫。

(3) 通過搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)，機(jī)器人可獲取線路走廊圖片及三維點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理與分析，可形成線路走廊三維立體模型，并計算導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線與導(dǎo)線及導(dǎo)線與其他物體的距離，實現(xiàn)弧垂測量及交跨測量。

(4) 通過搭載高清照像機(jī)可實現(xiàn)線路的帶電登桿檢查作業(yè)。

(5) 通過搭載除冰鉆頭可實現(xiàn)架空地線除冰和導(dǎo)線觀冰。

1.2 機(jī)器人巡檢技術(shù)條件

(1) 工作環(huán)境：機(jī)器人工作溫度范圍為-25—60 ℃，外殼防護(hù)等級IP65，允許工作風(fēng)力12級，可在低溫雨雪或高溫天氣工作。

(2) 電源及續(xù)航：機(jī)器人可通過安裝在桿塔上的太陽能充電基站實現(xiàn)在線充電，滿足遠(yuǎn)距離、長時間續(xù)航能力要求，每次充電時間6 h，可保障巡檢8 km；也可以通過人工更換電池的方式實現(xiàn)不間斷巡檢。

(3) 巡檢能力：機(jī)器人搭載可見光照像機(jī)，每秒可拍30張分辨率為1 920×1 080的高清圖片，夜間可搭載星光像頭實現(xiàn)微光夜視能力。

(4) 越障能力：可以穿越懸垂線夾、防震錘、接續(xù)管，并通過塔頭局部改造，加裝過橋?qū)崿F(xiàn)耐張桿塔的穿越。

(5) 數(shù)據(jù)傳輸：通過4G無線傳輸，實現(xiàn)危急、嚴(yán)重缺陷實時回傳。

2 技術(shù)比較

同人力相比，機(jī)器人巡檢具有如下優(yōu)勢：

(1) 比人工巡檢質(zhì)量高：機(jī)器人依據(jù)設(shè)定好的程序，可實現(xiàn)線路的自動巡檢，解決了輸電線路人工巡檢的漏查漏報問題；通過機(jī)器人的程序化操作，將輸電巡檢工作固化，巡檢質(zhì)量可控能控；

(2) 比人工巡檢效率高：真正實現(xiàn)了運檢一體化，將本體巡視、通道巡視、帶電登檢、紅外測溫同步完成。

各項巡檢工作標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)工時如表1所示。與人工巡檢相比，機(jī)器人巡檢效率明顯提升，其中本體巡檢(含紅外測溫)較人工巡檢提升471.8 %，通道巡檢較人工巡檢提升111.5 %。

表1 巡檢工作標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)工時

(3) 比人工巡檢視野好：機(jī)器人從高空巡視，可以實現(xiàn)輸電線路的無死角巡視，有益于發(fā)現(xiàn)密封院落內(nèi)的潛在隱患；同時三維描述可以精確測量隱患與帶電體、帶電體與帶電體之間的距離，解決了帶電測量操作難度大、風(fēng)險高的問題；

(4) 比人工巡檢更經(jīng)濟(jì)：機(jī)器人可以同步開展各項例行巡檢工作，相對人工巡檢更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，也比直升機(jī)巡檢更靈活、更便宜、更有效。

3 應(yīng)用實例

3.1 110 kV退運線路試驗

目前，該檢修分公司對某耐張桿塔塔頭進(jìn)行了改造(為機(jī)器人過耐張地線定制了“過橋”)，并在某110 kV退運線路8—10號塔間對機(jī)器人巡視功能進(jìn)行試驗，巡檢效果如下：

(1) 機(jī)器人重量適當(dāng)，操作人員提升安裝方便；

(2) 機(jī)器人結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，在架空地線上行走平穩(wěn)，可安全穩(wěn)定運行；

(3) 機(jī)器人可以順利通過10號耐張桿塔，通過時間為11 min。

3.2 220 kV在建線路試驗

某220 kV在建測試線路全線29.782 km，共95基。其中，直線桿64基，全部為鐵塔；耐張桿31基包括鐵塔28基，鋼管桿3基；全線30個耐張段。巡檢方案如下：

(1) 機(jī)器人平均巡檢效率為8 km/天，在220 kV全線共設(shè)3個充電點，分別在線路起點和終點搭設(shè)上下線裝置；除每次充電6 h外，機(jī)器人可不間斷巡檢；

(2) 在線路金具安裝完畢后立即開展機(jī)器人巡檢工作，并完成應(yīng)用機(jī)器人搭載三維激光掃描成像儀和紅外熱成像儀的第1次全掃描工作；第1次全掃描工作完成后2日內(nèi)將機(jī)器人巡檢報告提供給輸電運檢單位，輸電運檢單位負(fù)責(zé)開展影像資料價值評估工作，并上報檢修公司的指揮中心、運維檢修部進(jìn)行下一步的分析處理。

3.3 實際線路巡檢情況

開展巡檢前，在桿塔塔身搭設(shè)上下軌道，將機(jī)器人放置在軌道下端的平臺上，機(jī)器人可自動上下塔，在多條線路上轉(zhuǎn)場作業(yè)，充分發(fā)揮其最大效用。

巡檢前對機(jī)器人行為完整定義，機(jī)器人上線后根據(jù)預(yù)設(shè)程序自主執(zhí)行巡檢，依次對設(shè)備進(jìn)行拍照、檢測，如圖1所示。發(fā)現(xiàn)線路異常自動告警，提醒控制中心進(jìn)一步核查和確認(rèn)。這樣，就可實現(xiàn)對帶電線路的巡檢檢查。

圖1 機(jī)器人巡檢過程示意

4 巡檢報告要求

4.1 巡檢報告周期

依據(jù)巡檢周期制定巡檢報告的周期(見表2)，如遇到危急隱患或缺陷，應(yīng)及時上報。

表2 針對不同巡視工作的巡檢報告周期

4.2 巡檢報告內(nèi)容

巡檢報告應(yīng)包括巡檢日期、設(shè)備名稱及段落、工作量(里程數(shù)、基數(shù))、工作時段、工作類型(通道巡視、本體巡視、弧垂與交叉測量)，以及發(fā)現(xiàn)問題、歷史數(shù)據(jù)對比分析，機(jī)器人巡檢性能分析；并在報告后形成交叉跨越臺賬、環(huán)境隱患臺賬、設(shè)備缺陷臺賬等。

5 下一步研究方向

5.1 覆冰觀測業(yè)務(wù)需求

針對線路覆冰精確觀測覆冰厚度問題，建議研究在導(dǎo)線上加裝“覆冰觀測標(biāo)尺”。為應(yīng)對導(dǎo)線不均勻覆冰，觀測標(biāo)尺應(yīng)360°有刻度；同時機(jī)器人應(yīng)具備多角度精確觀測的能力，從而通過機(jī)器人的高清攝像機(jī)實現(xiàn)刻度的精準(zhǔn)觀測。

5.2 巡檢系統(tǒng)實時回傳現(xiàn)場危重缺陷

為應(yīng)對巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的危急缺陷或隱患，機(jī)器人巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備危重隱患、缺陷的自動識別能力，并通過APP等方式實時回傳畫面，以便業(yè)務(wù)人員及時處理問題，從而避免危重隱患、缺陷影響線路安全運行。

5.3 機(jī)器人巡視后期技術(shù)研發(fā)

解決現(xiàn)場人員的人員緊缺問題，同時增加現(xiàn)有技術(shù)圖像標(biāo)準(zhǔn)的宣貫，增強(qiáng)使用人員對于遠(yuǎn)程設(shè)備的掌控力度，與現(xiàn)有圖像識別、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的成果相結(jié)合，在無人狀態(tài)下由電腦自動識別報警，減輕監(jiān)視人員的工作壓力。

6 結(jié)束語

機(jī)器人巡檢系統(tǒng)融合移動互聯(lián)的開發(fā)理念，應(yīng)用了現(xiàn)有主流巡檢機(jī)器人技術(shù)，在應(yīng)用過程中融合了生產(chǎn)經(jīng)驗和機(jī)器人特有圖像采集識別技術(shù)，實現(xiàn)技術(shù)與現(xiàn)場的協(xié)調(diào)配合，可為現(xiàn)代化電網(wǎng)運維檢修管理和實施提供支撐，緩解輸電人員壓力。