變電站自動(dòng)化巡檢機(jī)器人應(yīng)用分析

朱思河， 李康宇

（1.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 江蘇 徐州 221000； 2.機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司， 北京 100044）

0 引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展離不開(kāi)可靠、安全、靈活運(yùn)轉(zhuǎn)的電力系統(tǒng)。 變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接收和分配電能的管理節(jié)點(diǎn)。 為保障變電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，日常巡視、維護(hù)和監(jiān)盤(pán)意義重大。 我國(guó)變電站主要采用人工巡檢的方式，巡檢人員利用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感官判斷設(shè)備是否存在異常狀態(tài)，通過(guò)人工抄表的方式記錄各項(xiàng)儀表的讀數(shù)。 傳統(tǒng)的人工巡檢法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡檢效率低、標(biāo)準(zhǔn)不一致、巡檢不到位等問(wèn)題。 隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出規(guī)模愈發(fā)龐大、管理節(jié)點(diǎn)越來(lái)越多、運(yùn)檢體量不斷攀升的趨勢(shì)，人工巡檢模式已難以滿足變電站安全運(yùn)轉(zhuǎn)的要求[1]，迫切需要自動(dòng)化、智能化的巡檢方案。

隨著機(jī)器人、圖像識(shí)別和導(dǎo)航等技術(shù)水平的提升，機(jī)器人巡檢逐漸發(fā)展成熟，成為變電站巡檢的主流發(fā)展方向。 變電站巡檢機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人在固定場(chǎng)景下的應(yīng)用類型，機(jī)體一般搭載高清可見(jiàn)光攝像頭、 紅外攝像頭和拾音裝置等傳感設(shè)備，用于輔助或代替工人完成設(shè)備的巡檢。使用機(jī)器人能夠完成高效率、大范圍、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的巡檢內(nèi)容，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高變電站的智能化、自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)水平。

1 巡檢機(jī)器人的功能需求

為適應(yīng)復(fù)雜的巡檢環(huán)境，保障較好的巡檢質(zhì)量，巡檢機(jī)器人需要集成多個(gè)智能化系統(tǒng)。 根據(jù)行走方式的不同，巡檢機(jī)器人又可分為地面自主移動(dòng)式[2]和懸掛固定導(dǎo)軌式[3]。自主移動(dòng)式巡檢機(jī)器人依靠大量的光電傳感器進(jìn)行導(dǎo)軌、 避障和檢測(cè)，移動(dòng)線路可靈活配置，無(wú)需鋪設(shè)軌道平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外110kV～1000kV 變電站[4]。 本文主要分析自主移動(dòng)式巡檢機(jī)器人，其功能需求主要為智能導(dǎo)航和智能監(jiān)測(cè)。

1.1 智能導(dǎo)航

巡檢機(jī)器人的智能導(dǎo)航功能包括定位導(dǎo)航、 路徑規(guī)劃和自主避障等內(nèi)容。

定位導(dǎo)航： 定位導(dǎo)航功能是變電站巡檢機(jī)器人自主行走的基礎(chǔ)。 機(jī)器人通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的高精度三維地圖來(lái)獲取環(huán)境信息， 其定位精度與環(huán)境地圖構(gòu)建的精度密切相關(guān)。 通過(guò)建立機(jī)器人路徑規(guī)劃環(huán)境中道路、檢測(cè)設(shè)備和障礙物的空間位置描述， 形成建圖范圍內(nèi)每一個(gè)巡檢點(diǎn)之間的路徑聯(lián)系，從而幫助巡檢機(jī)器人規(guī)劃出合理的路徑。變電站環(huán)境中的巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航有磁點(diǎn)導(dǎo)航、固定軌道、激光導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航等方式， 其中磁點(diǎn)導(dǎo)航和固定軌道的導(dǎo)航軌跡固定，精度最高，但需大量的前期改造，存在成本高、靈活性差等缺點(diǎn)。室外環(huán)境光下的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，一般用于輔助。 激光導(dǎo)航的定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)，是目前最常用的定位導(dǎo)航方式。巡檢過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取自身的位置信息，定位誤差一般小于0.05m。

路徑規(guī)劃：變電站的巡檢任務(wù)可分為全位置巡檢和指定位置巡檢兩種。全位置巡檢指機(jī)器人由起始位置出發(fā)，巡檢廠區(qū)內(nèi)的全部位置。 指定位置巡檢需要機(jī)器人到達(dá)指定的任意位置，完成某些關(guān)鍵設(shè)備的檢查。操作人員通過(guò)任務(wù)派發(fā)系統(tǒng)便捷地增加、刪除和修改巡檢點(diǎn)，下發(fā)巡檢任務(wù)，因此需要合理地分配巡檢路線。 路徑規(guī)劃功能用于生成派發(fā)任務(wù)中巡檢點(diǎn)之間的路線，尋找從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)路線。

自主避障：機(jī)器人的自主避障和防撞系統(tǒng)能夠確保機(jī)器人在開(kāi)展巡檢工作時(shí)的安全。當(dāng)機(jī)器人的視覺(jué)或超聲波系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止或降速，然后利用相關(guān)的路徑規(guī)劃和避障算法重新規(guī)劃出避開(kāi)障礙物的路徑。

1.2 智能監(jiān)測(cè)

巡檢機(jī)器人的智能檢測(cè)功能包括視覺(jué)識(shí)別和拾音診斷等內(nèi)容。

視覺(jué)識(shí)別： 機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)首先能夠準(zhǔn)確識(shí)別出表計(jì)的位置，然后根據(jù)位置信息調(diào)整機(jī)器人云臺(tái)的角度，使得表計(jì)處于畫(huà)面的居中位置，并調(diào)整焦距放大表計(jì)，最后自動(dòng)讀取指針、數(shù)顯、油位等表計(jì)的數(shù)值，讀數(shù)誤差需小于±5%。能夠識(shí)別開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和指示燈的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)將報(bào)警信息上傳至中控系統(tǒng)。 能夠使用紅外熱成像相機(jī)對(duì)視野范圍內(nèi)的任意區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，判斷站內(nèi)各類設(shè)備是否存在溫度異常。

圖1 視覺(jué)識(shí)別目標(biāo)Fig1. The object of visual recognition

拾音診斷： 巡檢機(jī)器人通過(guò)拾音診斷功能采集變電站設(shè)備的噪聲信息，并與噪音庫(kù)中的波形進(jìn)行對(duì)比，從而判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。拾音診斷系統(tǒng)通過(guò)上傳報(bào)警信息，提醒運(yùn)維人員及時(shí)消除設(shè)備故障， 保證變電站設(shè)備更加安全可靠的運(yùn)行。

2 巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成

本文以南方某變電站所使用的巡檢機(jī)器人為例， 該機(jī)器人主要由硬件系統(tǒng)和軟件平臺(tái)構(gòu)成。

硬件平臺(tái)的關(guān)鍵部件由機(jī)器人本體、感知模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、供電模塊、通訊模塊組成。機(jī)器人本體由機(jī)器人底盤(pán)和車身組成，是安裝巡檢所需的各功能模塊的載體。整體外形尺寸為（750×500mm×900mm）mm，行駛速度：0.5～1.5m/s，爬坡能力小于15°，最大轉(zhuǎn)彎半徑為1.5m。 感知模塊包括高清可見(jiàn)光攝像頭、紅外熱成像攝像頭、激光雷達(dá)和拾音器等，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航、定位和檢測(cè)，表計(jì)讀取等操作在機(jī)器人本地完成，由工控機(jī)提供算力。運(yùn)動(dòng)模塊用于控制機(jī)器人的各運(yùn)動(dòng)部件，主要為底盤(pán)車輪和視覺(jué)云臺(tái)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式有四輪驅(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向和履帶式驅(qū)動(dòng)兩種， 適用于多種地面環(huán)境。供電模塊是機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源，車身中有動(dòng)力電池和電池管理模塊，電池容量為48V 30AH。為保證續(xù)航時(shí)間，一般配置自主充電房。 通訊模塊依托5G 大寬帶、低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將巡檢數(shù)據(jù)和機(jī)器人狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸至中控系統(tǒng)中。

軟件平臺(tái)是變電站巡檢機(jī)器人的后臺(tái)控制和信息管理系統(tǒng)，可分為自主定位導(dǎo)航模塊和機(jī)器人管控模塊兩部分。自動(dòng)定位導(dǎo)航模塊中存儲(chǔ)了預(yù)先建立的變電站地圖， 可顯示機(jī)器人實(shí)時(shí)位置、巡檢點(diǎn)位置和巡檢路線，可根據(jù)派發(fā)任務(wù)中的巡檢點(diǎn)位置規(guī)劃出合理路徑， 并在巡檢過(guò)程中控制機(jī)器人避開(kāi)障礙物。操作員可通過(guò)自動(dòng)定位導(dǎo)航模塊，設(shè)置機(jī)器人為自主巡檢或手動(dòng)遠(yuǎn)程控制， 以解決戶外情況下的未知問(wèn)題。 機(jī)器人管理模塊用于設(shè)置與巡檢任務(wù)相關(guān)的內(nèi)容，包括機(jī)器人數(shù)量和參數(shù)的管理、巡檢點(diǎn)和充電點(diǎn)位置信息管理、創(chuàng)建巡檢任務(wù)、機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控、影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、表計(jì)讀取和異常報(bào)警等，通過(guò)人機(jī)交互界面將機(jī)器人電量及信號(hào)等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和圖像及聲音等巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提供給操作員。為保證監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，表計(jì)識(shí)別和讀數(shù)在機(jī)器人本地完成， 數(shù)據(jù)由通信模塊上傳至機(jī)器人管控模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和導(dǎo)出功能。 多組巡檢機(jī)器人將數(shù)據(jù)匯集至軟件平臺(tái)， 系統(tǒng)自動(dòng)分析出變電站當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

3 巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下，2002 年國(guó)網(wǎng)山東省電力科學(xué)研究院首先開(kāi)始了變電站巡檢機(jī)器人的研究， 并于2005 年成功研制出首臺(tái)樣機(jī)[5]。2005 年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)巡檢機(jī)器人應(yīng)用于500kV 長(zhǎng)清變電站。國(guó)家電網(wǎng)根據(jù)《2015-2020 年電網(wǎng)智能化規(guī)劃指南》，于2018 年開(kāi)展小型化、工具化機(jī)器人應(yīng)用試點(diǎn)，建成變電站智能機(jī)器人巡檢信息管理平臺(tái)，于2020 年全面推廣小型化、工具化機(jī)器人，在公司系統(tǒng)變電運(yùn)維班組內(nèi)進(jìn)行全面配置。 目前， 巡檢機(jī)器人已廣泛覆蓋110kV～1000 kV 變電站，主要需求來(lái)自浙江、江蘇、山東、廣州等地區(qū)，其中國(guó)網(wǎng)智能、國(guó)自機(jī)器人等企業(yè)占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額。

巡檢機(jī)器人的大規(guī)模推廣，大大提升了變電站巡檢的智能化和自動(dòng)化水平，已成為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其發(fā)展趨勢(shì)有：

（1）組合作業(yè)機(jī)器人的協(xié)作算法。隨著巡檢機(jī)器人的不斷普及和無(wú)人值守變電站的推進(jìn)， 復(fù)雜巡檢任務(wù)將由多個(gè)機(jī)器人配合完成。 組合作業(yè)機(jī)器人的路徑規(guī)劃及相互間的數(shù)據(jù)交互是多臺(tái)機(jī)器人協(xié)作的基礎(chǔ)， 如何協(xié)調(diào)多臺(tái)機(jī)器人更加有序、高效的完成巡檢任務(wù)值得深入研究，

（2）高精度自主導(dǎo)航定位控制。當(dāng)前巡檢機(jī)器人的定位誤差控制在0.05m 范圍內(nèi)。 由于導(dǎo)航精度的不足，機(jī)器人到達(dá)巡檢點(diǎn)后需首先識(shí)別表計(jì)位置， 然后不斷調(diào)整云臺(tái)姿態(tài)來(lái)采集最佳的表計(jì)圖像。通過(guò)優(yōu)化定位精度，將導(dǎo)航誤差控制在更小范圍內(nèi)，將有效提升巡檢效率，縮短巡檢時(shí)間。

（3）深度學(xué)習(xí)技術(shù)賦能巡檢。傳統(tǒng)的表計(jì)匹配通過(guò)人工特征工程進(jìn)行，特征表達(dá)能力較弱。 在戶外條件下，受光照條件變化的影響，表計(jì)匹配的準(zhǔn)確率低、讀數(shù)的估算偏差大。電力巡檢領(lǐng)域的規(guī)?；b備應(yīng)用收集了海量樣本，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可通過(guò)海量數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)自動(dòng)學(xué)習(xí)樣本特征，可有效提升表計(jì)讀取的準(zhǔn)確率，提升變電站巡檢機(jī)器人的實(shí)用化水平。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著機(jī)器人技術(shù)、 導(dǎo)航技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 具備智能導(dǎo)航和智能監(jiān)測(cè)功能的機(jī)器人逐漸代替人工完成巡檢任務(wù)，大大提高巡檢效率和巡檢質(zhì)量。本文首先從分析了巡檢機(jī)器人的功能需求， 介紹了定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、自主避障、視覺(jué)識(shí)別和拾音診斷等功能。然后介紹了機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成， 最后闡述了我國(guó)的巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀并總結(jié)了多機(jī)協(xié)作、 高精度導(dǎo)航和深度學(xué)習(xí)賦能三個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)。