吳 昊，王 東，羅 濤，王淋漓，程亞萍

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司安慶供電公司信通公司，安徽安慶 246000）

1 國內(nèi)外研究情況

1.1 國外研究情況分析

20世紀(jì)80年代，國際上逐漸開始重視架空線路的巡線機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展工作。包括日本以及北美一些國家均逐漸嘗試研究新型更為可靠有效的巡線機(jī)器人，且取得了一定的研究成果。20世紀(jì)80年代末期，日本企業(yè)率先研發(fā)了可以自動化越過障礙的光纖復(fù)合架空線路巡線機(jī)器人。其主要包含驅(qū)動組件以及夾持組織間等構(gòu)成，可以很好地運(yùn)行于帶有防震錘以及螺旋減震器的線路中。如若需要越過桿塔，則巡線機(jī)器人會依據(jù)擬人的方式，打開其弧形手臂，隨后本體越過桿塔抵達(dá)另一側(cè)，最后收起另一端的手臂，由此完成整個(gè)工作。而該設(shè)備在外部環(huán)境感應(yīng)方面的建設(shè)并不完善。由此可使用性并不高，另外該設(shè)備體積、質(zhì)量均比較高，能源供給問題時(shí)期主要面臨的問題。而美國企業(yè)在此后一年研制出了第一個(gè)懸臂自治巡線機(jī)器人，其可以順著架空線路等實(shí)現(xiàn)長距離地運(yùn)行，可以同時(shí)開展電暈損耗檢測、結(jié)合點(diǎn)分析、絕緣子檢測以及壓接頭檢測等多項(xiàng)任務(wù)，此外基于設(shè)備的多功能性，可以自主地將檢測到的信息傳遞至地面工作人員。如若遇到桿塔情況，則其也會依據(jù)擬人攀援的方式，越過桿塔，但無法跨過防震錘以及絕緣子等常規(guī)障礙。2001年，泰國企業(yè)也設(shè)計(jì)了自己的自給電巡線機(jī)器人，其主要依靠電流互感器的作用從而在架空線路中爬行，并就獲得的感應(yīng)電流作為工作電源，進(jìn)而有效處理了巡線機(jī)器人長時(shí)間的供電需要。

1.2 國內(nèi)研究情況分析

20世紀(jì)90年代末期，意識到科技發(fā)展的重要性，包括武漢大學(xué)以及中科院學(xué)校等均被賦予研發(fā)巡線機(jī)器人的重任。在863計(jì)劃的推動下，當(dāng)時(shí)武漢大學(xué)率先研制出了第一臺巡線機(jī)器人，其主要面向220 kV 供電線路，能夠靈活地應(yīng)對越障、智能化管控以及供電等多方面問題。此后，中科院也開展了面向500 kV 的地線巡線機(jī)器人研發(fā)工作，并成功地實(shí)現(xiàn)了綜合巡線機(jī)器人與地面移動基站的綜合系統(tǒng)，且很好地應(yīng)用于實(shí)際工作中。該設(shè)備的研發(fā)也為巡線機(jī)器人供電電源、控制單元以及通訊設(shè)計(jì)等多個(gè)方面提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，近些年中科院自動化所逐漸將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至面向110 kV 的架空線路巡線機(jī)器人二臂回轉(zhuǎn)式懸掛機(jī)構(gòu)研究中。新型機(jī)器人增加了臂距調(diào)解以及夾持輪抱線等組件，能夠完成旋轉(zhuǎn)、俯仰等一系列動作，在爬坡方面也有著出色的性能。

綜合國內(nèi)外當(dāng)前架空線路的巡線機(jī)器人研究現(xiàn)狀而言，國外在該方面的起步相對早一些，技術(shù)也比較完善，部分機(jī)器人已然處于實(shí)際應(yīng)用階段。目前國外的機(jī)器人在無障礙環(huán)境下的應(yīng)用技術(shù)較為成熟，但監(jiān)測范圍也十分有限，只可以簡單地完成桿塔之間的線路排查工作。而國內(nèi)巡線機(jī)器人的研究則更多地強(qiáng)調(diào)越過桿塔實(shí)施大面積、長時(shí)間的巡線作業(yè)，目前國內(nèi)已然在巡線機(jī)器人自主越障等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟。

2 巡線機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

巡線機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，其覆蓋了包含機(jī)械部分、傳感器部分以及信息交互、電源、通訊等多項(xiàng)技術(shù)形式。

2.1 機(jī)械架構(gòu)

機(jī)械架構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的根本，不僅重量要盡可能小，同時(shí)結(jié)構(gòu)還應(yīng)當(dāng)盡可能簡單。此外還需要支持在架空線路運(yùn)行期間涉及的一系列機(jī)械運(yùn)動基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證后期機(jī)器人能夠穩(wěn)定高度是在線路中運(yùn)行，更為穩(wěn)當(dāng)以及靈活地越過障礙，并支撐各個(gè)感應(yīng)監(jiān)控設(shè)備等的運(yùn)行。

2.2 控制模塊

該模塊主要包含各個(gè)傳感器組件以及傳感器位置以及反饋組件、導(dǎo)航組件、運(yùn)動組件等等構(gòu)成。基于該模塊可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)巡線機(jī)器人的多元化自主管控，即便發(fā)生意外事件，在控制單元的分析作用下也可以實(shí)現(xiàn)對自我的保護(hù)，避免受到機(jī)器人跌落以及事故的影響而損壞。

2.3 導(dǎo)航定位模塊

導(dǎo)航單元主要負(fù)責(zé)對巡線機(jī)器人運(yùn)行軌跡的規(guī)劃設(shè)計(jì)，主要包含路徑規(guī)劃以及越障規(guī)劃等幾個(gè)部分。機(jī)器人順著架空線路運(yùn)行，需要越過包括線夾以及防震錘等障礙，運(yùn)行環(huán)境包括結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化環(huán)境等特點(diǎn)，故而對導(dǎo)航提出了一定的要求，尤其強(qiáng)調(diào)其在局部越障方面的應(yīng)用。而機(jī)器人在越障期間，因?yàn)橄嚓P(guān)障礙物的反射面并不大，借助CCD 攝像頭視覺組件即可完成對環(huán)境的探測工作。此外，懸掛于導(dǎo)線中的機(jī)器人往往會在大風(fēng)以及外力等的作用下不斷變化，導(dǎo)致重心不斷偏移，大大提升了越障的難度。

2.4 電源與抗干擾模塊

為了盡可能地降低巡線機(jī)器人的自身重量，往往不會選擇自帶供電模塊的技術(shù)方案，而是選擇可充電的小容量供電形式。機(jī)器人在工作期間，各個(gè)機(jī)械運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)主要基于自帶的取電組件將架空線路中存在的磁場轉(zhuǎn)化為電能，并將其存儲于蓄電模塊中來實(shí)現(xiàn)供能。由于電源模塊的特殊性，往往需要對其采取一定的防雨、方城以及抗干擾等保護(hù)措施。為了更好地順應(yīng)全天候的電力巡檢工作需要，主控單元與各個(gè)檢測組件需要放置于密閉的空間環(huán)境中。此外，為了提升屏蔽電磁場的效果，還應(yīng)確保密閉機(jī)箱同機(jī)械單元以及導(dǎo)線單元等始終處于等電位狀態(tài)。

2.5 通信模塊

通信是巡線機(jī)器人的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)巡線機(jī)器人與上位機(jī)之間的聯(lián)系，如若溝通不暢則有可能會導(dǎo)致架空線路存在的隱患無法得到及時(shí)的反饋，相關(guān)運(yùn)維管理工作無法及時(shí)落實(shí)，從而埋下重大隱患。由此確保通信可靠、有效十分必要。一般而言，巡線機(jī)器人的通訊單元主要包含信息收發(fā)單元以及圖像無線傳輸單元等構(gòu)成，此外還支持與地面遙控基站等的數(shù)據(jù)傳輸以及圖像傳輸?shù)葢?yīng)用需要。

2.6 巡檢掃描模塊

包括科學(xué)合理的機(jī)械架構(gòu)、有效的控制單元以及準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位模塊等均是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完成精準(zhǔn)掃描檢測任務(wù)的前提。為了能夠可靠的面向桿塔、導(dǎo)線以及絕緣子等相關(guān)電氣設(shè)備的巡檢排查工作，需要為巡線機(jī)器人搭載必要的掃描檢測模塊，包括紅外檢測模塊以及可見光相機(jī)、掃描云臺等等，從而實(shí)現(xiàn)對架空線路外觀、內(nèi)在故障等的全方位掃描檢測。

2.7 電源與屏蔽封閉機(jī)箱

為了進(jìn)一步降低巡線機(jī)器人的重量，因此無法攜帶重量過高的電源模塊，一般采用蓄電池的方案。在機(jī)器人處于靜止以及運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，可能利用機(jī)械開合的方式完成取電作業(yè)，將高壓線路周邊的磁場進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可用的電能形式，并為蓄電池供電。對此，需要采取必要的防雨以及防塵等措施。為更好地適應(yīng)各種惡劣天氣的使用需要，主控制模塊以及各個(gè)檢測單元大多安置于密閉的機(jī)箱環(huán)境中。此外，為了能夠在電氣中達(dá)到電磁場的有效屏蔽，機(jī)箱內(nèi)和機(jī)械系統(tǒng)以及導(dǎo)線均做成等電位方式。

3 巡線機(jī)器人的發(fā)展趨勢

3.1 智能化電網(wǎng)技術(shù)

在新型材料技術(shù)、電子科技技術(shù)以及人們環(huán)保理念的不斷提升大環(huán)境下，智能電網(wǎng)理念逐漸進(jìn)入公眾視野，且毫無疑問是未來全球電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。2003年美國率先對其國內(nèi)電力行業(yè)提出了重大改革，要求在現(xiàn)代電力系統(tǒng)建設(shè)中融入更多的信息化技術(shù)，改革傳統(tǒng)老舊的電力設(shè)施基礎(chǔ)，推動智能化電網(wǎng)的全面發(fā)展。國內(nèi)也于2009年正式提出了加強(qiáng)智能化電網(wǎng)建設(shè)的要求與發(fā)展目標(biāo)。新一輪的電改強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)運(yùn)行安全、可靠以及數(shù)字化發(fā)展，尤其強(qiáng)調(diào)有關(guān)電力設(shè)備等的數(shù)字化建設(shè)，利用更為前沿可靠的數(shù)字化技術(shù)提升對電網(wǎng)運(yùn)維管控力度，切實(shí)保障現(xiàn)代化電網(wǎng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)。

3.2 巡線機(jī)器人發(fā)展趨勢

智能化電網(wǎng)背景下，會有更多的數(shù)字化技術(shù)參與電網(wǎng)運(yùn)維管理過程，相對應(yīng)的對于巡線機(jī)器人的智能化要求也就更高。

（1）小型化、模塊化；架構(gòu)的小型化包含整個(gè)機(jī)械組成的小型化以及驅(qū)動組件的輕量化等，基于更為前沿先進(jìn)的傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的更為小型化設(shè)計(jì)。此外，針對架空線路電壓等的不同，需要進(jìn)一步拓展巡線機(jī)器人的功能組成，以利于其可以結(jié)合不同的使用環(huán)境發(fā)揮不同的功用。

（2）導(dǎo)航、定位、控制更為先進(jìn)，架空線路的巡線機(jī)器人應(yīng)當(dāng)可以更好地結(jié)合不同的使用場景靈活地行走應(yīng)對，自如地跨越各個(gè)障礙，同時(shí)在抵御電磁干擾以及風(fēng)力、外力等因素方面也有一定的作用效果。對此，需要巡線機(jī)器人兼具更為精準(zhǔn)以及可靠的導(dǎo)航定位技術(shù)以及強(qiáng)魯棒性的行走姿態(tài)控制機(jī)制。通過更為科學(xué)有效的算法，不斷加強(qiáng)導(dǎo)航定位等方面的性能。

（3）多感應(yīng)系統(tǒng)探傷檢測技術(shù)，未來對于巡線機(jī)器人可以同時(shí)搭載多樣化傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電力線路的全方位掃描篩查。利用高可靠的信息融合技術(shù)提升各個(gè)傳感器彼此的配合，從而更為及時(shí)地發(fā)現(xiàn)當(dāng)前線路運(yùn)行存在的問題，并進(jìn)行科學(xué)客觀的評估，為運(yùn)維管理人員等提供客觀的評估結(jié)果。

（4）分布式巡線機(jī)器人，雖然多感應(yīng)系統(tǒng)機(jī)器人有著多方面的優(yōu)勢性，但不可避免地需要更大的體積以及容積作為支持，復(fù)雜程度可想而知。微型獨(dú)立傳感器機(jī)器人的設(shè)計(jì)，面對不同線路的故障感應(yīng)模塊可以彼此配合，同樣可以完成功能拓展應(yīng)用。諸如此類單傳感巡線機(jī)器人其功能相對單一，由此可以大大降低機(jī)器人的體積以及架構(gòu)，同時(shí)也降低了整個(gè)研發(fā)的投入。另外，加強(qiáng)各個(gè)微型機(jī)器人之間的協(xié)同配合，可以使得整個(gè)機(jī)器人群體實(shí)現(xiàn)高流暢性的智能化配合，同時(shí)信息交互與共享，提升線路檢測的靈敏度以及可靠性。

4 結(jié)束語

綜上所述，巡線機(jī)器人的出現(xiàn)與應(yīng)用，很好的取代了傳統(tǒng)人工的作業(yè)形式。無論是檢測的效率層面還是精度方面均有了顯著的提升?？梢哉f巡線機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用時(shí)未來電力行業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容之一。隨著智能化電網(wǎng)理念的不斷成熟，巡線機(jī)器人的需求勢必也會進(jìn)一步增加，對其技術(shù)要求也會更高。相比于西方一些發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)在巡線機(jī)器人方面的發(fā)展仍有差距?；诖耍瑢τ趶臉I(yè)人員應(yīng)當(dāng)始終保持艱苦奮斗的精神，不斷的學(xué)習(xí)借鑒成功技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，綜合國內(nèi)電力行業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，創(chuàng)新發(fā)展，不斷完善巡線機(jī)器人技術(shù)，推動智能化電網(wǎng)建設(shè)總目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。