李衛(wèi)麗 邢曉紅 高勝南 殷英

南京航空航天大學金城學院，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，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，中國科學院沈陽自動化研究所、武漢大學和中國科學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、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。