電力巡檢機器人的研究綜述

李衛(wèi)麗 邢曉紅 高勝南 殷英

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，中國·江蘇 南京 211100

1 引言

在綠色節(jié)能意識的驅(qū)動下，智能電網(wǎng)（即電網(wǎng)2.0）成為世界各國競相發(fā)展的一個重點領(lǐng)域，并隨著人工智能、通信技術(shù)、傳感與測試技術(shù)等多學(xué)科的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，智能電網(wǎng)也在不斷向前發(fā)展。電力巡檢機器人是智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要組成部分。當前電力公司仍采用的是人工巡檢即看、聽、聞等方式，查驗和記錄電力設(shè)備的運行狀態(tài)。這種傳統(tǒng)的巡檢方式，人力成本高、巡檢手段單一且強依賴巡檢人員的熟練程度和經(jīng)驗，此外受天氣影響較大，數(shù)據(jù)管理也不統(tǒng)一，給管理和維護也帶來了不小的負擔(dān)，逐漸無法滿足準確、實時及高頻次的巡檢需求[1]。

2 國際上的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著各國老齡化問題的日益嚴峻，各行各業(yè)都在研究通過機器人來代替人們執(zhí)行繁重、工作環(huán)境惡劣等情況下的相關(guān)工作，電力巡檢行業(yè)也不例外。近些年，世界各國在電力巡檢機器人行業(yè)不斷增加投入，現(xiàn)在已有越來越多的無人值守變電站投入使用[2]。

電力機器人技術(shù)是一個相對較新的技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)合了應(yīng)用工程、制造工程以及知識工程，隨著巡檢機器人在電力系統(tǒng)中的不斷應(yīng)用，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行得到提高。

電力巡檢機器人的早期研究主要集中在日本、美國等國家[3]。早在1980年，日本就開始將移動機器人應(yīng)用于變電站中，采用磁導(dǎo)航方式，搭載紅外熱像儀，對154～275kV 變電站的設(shè)備致熱缺陷進行檢測。在20 世紀80年代末，日本研制出了地下管道監(jiān)控機器人，以監(jiān)測275kV 地下管網(wǎng)內(nèi)的溫濕度、水位、甲烷、聲音、超聲、彩色視頻圖像等。到90年代，日本又研制出渦輪葉片巡檢機器人、配電線路檢修機器人等應(yīng)用于不同場景的巡檢機器人。2008年，巴西學(xué)者設(shè)計了一種配備Wi-Fi 和紅外熱像儀的高空滑行變電站巡檢機器人，對變電站電力設(shè)備的致熱點進行檢測；美國研發(fā)的變電站檢測機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)電力設(shè)備自動紅外檢測，并使用檢測天線定位局部放電位置。2013年，加拿大研制出了一種檢測及操作機器人，采用GPS 定位方式，在735kV 變電站實現(xiàn)視覺和紅外檢測，并能遠程執(zhí)行開關(guān)分合操作。新西蘭研制的電力巡檢機器人，采用GPS 定位，具備雙向語音交互及激光臂章功能[4]。

中國對電力巡檢機器人的研究開始于20 世紀90年代，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、武漢大學(xué)和中國科學(xué)院自動化研究所等單位率先開展了巡檢機器人的研究工作，并取得了一系列技術(shù)成果，一些關(guān)鍵技術(shù)有了突破，證明了機器人巡檢的可行性，并為后續(xù)研究打下了良好的基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所面向電力部分的實際需求，在中華人民共和國國家科學(xué)技術(shù)部“十五”“十一五”863計劃、國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)等重點項目支持下，研制了“AApe”系列電力檢測與作業(yè)機器人系統(tǒng)；解決了500kV 超高壓環(huán)境下機器人機構(gòu)、自主控制、數(shù)據(jù)和圖像傳輸、電磁兼容等多項關(guān)鍵技術(shù)，該系列機器人也在中國錦州、沈陽、長春、哈爾濱等超高壓局及四川省電力公司等用戶單位進行了推廣應(yīng)用。該系統(tǒng)由巡檢機器人本體和地面基站組成，采用遙控加局部自主相結(jié)合的控制方式。該機器人能在500kV 輸電線路上沿線自主行走并跨越防震錘、懸垂金具、壓接管等障礙物，其上攜帶的設(shè)備可實現(xiàn)對輸電線路、桿塔、線路通道及交叉跨越等設(shè)施帶電巡檢[5]。

武漢大學(xué)研制的兩臂巡線機器人可以在輸電導(dǎo)線上行走，并跨越防震錘、線夾、壓線管等障礙物。

近十年來，電力巡檢機器人行業(yè)主要由中國引導(dǎo)，其專利、產(chǎn)品數(shù)量及應(yīng)用規(guī)模遠遠超過了其他大洲的數(shù)量[6]。經(jīng)過多年的市場應(yīng)用和推廣，目前中國電力巡檢機器人行業(yè)的發(fā)展得如火如荼，參與研制電力機器人的企業(yè)也越來越多。根據(jù)電力巡檢機器人的應(yīng)用場景，目前中國的電力巡檢機器人可分為室外巡檢機器人、室內(nèi)巡檢機器人、電纜隧道巡檢機器人和巡檢無人機四大類。圖1為中國某公司研制的室外巡檢機器人；圖2為中國某公司研制的室內(nèi)巡檢機器人；圖3是中國某公司研制的電纜隧道巡檢機器人；圖4是中國某公司研制的巡檢無人機在進行輸電線路巡檢。

圖1 室外巡檢機器人

圖2 室內(nèi)巡檢機器人

圖3 電纜隧道巡檢機器人

圖4 巡檢無人機

3 電力巡檢機器人的主要技術(shù)

3.1 定位導(dǎo)航

目前電力巡檢機器人采用的定位導(dǎo)航技術(shù)主要有磁導(dǎo)航技術(shù)、軌道導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、GPS 導(dǎo)航技術(shù)及SLAM 導(dǎo)航技術(shù)。磁導(dǎo)航和軌道導(dǎo)航技術(shù)都需要預(yù)裝軌道，前期基建工作量大，此外還受制于服役環(huán)境，不具有普適性，并且維護成本較高。慣性導(dǎo)航通過獲取機器人的位姿和速度信息進行導(dǎo)航，會受到測量裝置本身測量誤差及打滑、顛簸等因素，會逐漸產(chǎn)生較大的累計誤差而造成導(dǎo)航偏移。GPS導(dǎo)航受限于定位精度和電磁干擾，嚴重制約了其導(dǎo)航的可靠性。目前大多數(shù)廠家采用基于激光雷達的即時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization And Mapping,SLAM）技術(shù)，獲取現(xiàn)場激光點云地圖，并利用幀間匹配、回環(huán)檢測等手段，實現(xiàn)機器人的精確定位和自主運行。此技術(shù)無需前期鋪設(shè)工作，降低了基建成本；同時該技術(shù)定位精度較高，且可基于激光地圖實現(xiàn)全局最優(yōu)路徑規(guī)劃，提高巡檢效率[7]。

3.2 圖像識別

電力巡檢機器人搭載高清可見光相機，利用圖像識別技術(shù)對拍攝的圖像完成設(shè)備運行狀態(tài)的識別與判斷。其中用到的主要技術(shù)有：基于局部特征匹配的數(shù)字表自動定位識別技術(shù)和基于虛擬線判定的閥門分合指示識別技術(shù)。在識別準確度方面，由于電力設(shè)備種類、型號繁多，各廠家通常會針對特殊設(shè)備進行識別研究。在數(shù)據(jù)可靠性方面，部分廠家采用的后臺識別方式，這種方式實時性較差，且存在圖片丟幀、損壞等風(fēng)險?，F(xiàn)在部分廠家研制的巡檢機器人，自主搭載了工控機，可實時識別、處理采集到的圖像[8]。

3.3 紅外熱成像

電力巡檢機器人使用該技術(shù)拍攝電力設(shè)備的紅外圖像及實時溫度。該技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，各廠家采用的識別技術(shù)基本一致。

4 總結(jié)和展望

4.1 優(yōu)勢

電力巡檢機器人能克服傳統(tǒng)人工巡檢不能適應(yīng)復(fù)雜場景及多場景操作的要求，同時能7×24h 不間斷巡檢，大大提高了巡檢效率，進而為電力系統(tǒng)設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運行提供不斷的支持。相對于傳統(tǒng)的人工巡檢，電力巡檢機器人的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在下面幾個方面：

①不受環(huán)境因素影響。當前大多變電站處于城市偏遠的地方，并且在室外，有些條件及其艱苦，地形崎嶇。傳統(tǒng)的人工巡檢在遇上刮風(fēng)下雨的情況，巡檢人員的安全性極低。電力巡檢機器人有較強的防風(fēng)、防水、防滑等功能，即便在惡劣的天氣、地理環(huán)境下也能繼續(xù)巡檢的工作。

②能進行高危作業(yè)。電力系統(tǒng)中有較多高危的巡檢作業(yè)，尤其是對高壓輸電線路的巡檢。電力巡檢機器人可替代巡檢人員進行此類工作，既能有效保障工作人員的安全，又能減少人力、物資的投入，同時保障巡檢工作的精確度，進而維護了電力設(shè)備的正常運行。

③多功能。電力巡檢機器人結(jié)合了圖像、拾音、紅外檢測、可見光檢測、有毒氣體檢測等多種功能，通過巡檢，可將巡檢結(jié)果回傳至后臺管理系統(tǒng)，并綜合分析得出檢測報告。這不僅提高了巡檢的效率及質(zhì)量，同時還有效解決了巡檢結(jié)果受到巡檢人員經(jīng)驗等影響的問題。

4.2 存在的問題

當前電力巡檢機器人存在的主要問題：①智能化程度不高；②基建和維護工作量較大；③成本較高。綜合上述，目前在電力巡檢的實際工作中，巡檢機器人只能取代工人完成部分工作，普及率還有待繼續(xù)提高。

4.3 發(fā)展趨勢

電力巡檢機器人未來發(fā)展的主要趨勢如下：

①導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)化：隨著視覺導(dǎo)航技術(shù)、SLAM 技術(shù)等的不斷優(yōu)化以及工控機性能的提升，實現(xiàn)高精準定位將是未來巡檢機器人的重要發(fā)展方向。利用此項技術(shù)優(yōu)化巡檢線路，提高巡檢效率。

②多傳感器融合：隨著線路故障探測方法的不斷發(fā)展成熟，未來巡檢機器人會融合更多傳感器，提高線路故障的診斷率，提升巡檢效率。

③帶電操作自動化：隨著自動化、智能化的發(fā)展，巡檢機器人可以執(zhí)行越來越多的任務(wù)，尤其對于危險系數(shù)較高的帶電作業(yè)，巡檢機器人將會凸顯其價值。

5 結(jié)語

電力巡檢機器人可以代替人工執(zhí)行各種電力設(shè)備的巡檢，極大地降低了人力成本及巡檢人員的風(fēng)險。此外，借助于其上搭載的各種傳感器、先進設(shè)備，電力巡檢機器人可以完成越來越多的巡檢工作，極大地提升了巡檢效率與巡檢質(zhì)量，為維護電力設(shè)備的正常穩(wěn)定運行將發(fā)揮越來越重要的作用。論文主要對電力巡檢機器人的現(xiàn)狀進行了研究并進行概述，同時針對當前存在的問題及發(fā)展趨勢做了分析。未來得益于智能電力巡檢機器人，越來越多的無人值守變電站將投入使用，進而推動智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展。