朱思河， 李康宇

（1.江蘇安全技術職業(yè)學院， 江蘇 徐州 221000； 2.機科發(fā)展科技股份有限公司， 北京 100044）

0 引言

國民經濟的高速發(fā)展離不開可靠、安全、靈活運轉的電力系統(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。 為保障變電站的正常運轉，日常巡視、維護和監(jiān)盤意義重大。 我國變電站主要采用人工巡檢的方式，巡檢人員利用視覺、聽覺和觸覺等感官判斷設備是否存在異常狀態(tài)，通過人工抄表的方式記錄各項儀表的讀數。 傳統(tǒng)的人工巡檢法存在勞動強度大、巡檢效率低、標準不一致、巡檢不到位等問題。 隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出規(guī)模愈發(fā)龐大、管理節(jié)點越來越多、運檢體量不斷攀升的趨勢，人工巡檢模式已難以滿足變電站安全運轉的要求[1]，迫切需要自動化、智能化的巡檢方案。

隨著機器人、圖像識別和導航等技術水平的提升，機器人巡檢逐漸發(fā)展成熟，成為變電站巡檢的主流發(fā)展方向。 變電站巡檢機器人是移動機器人在固定場景下的應用類型，機體一般搭載高清可見光攝像頭、 紅外攝像頭和拾音裝置等傳感設備，用于輔助或代替工人完成設備的巡檢。使用機器人能夠完成高效率、大范圍、標準統(tǒng)一的巡檢內容，有效降低勞動強度、提高變電站的智能化、自動化運營水平。

1 巡檢機器人的功能需求

為適應復雜的巡檢環(huán)境，保障較好的巡檢質量，巡檢機器人需要集成多個智能化系統(tǒng)。 根據行走方式的不同，巡檢機器人又可分為地面自主移動式[2]和懸掛固定導軌式[3]。自主移動式巡檢機器人依靠大量的光電傳感器進行導軌、 避障和檢測，移動線路可靈活配置，無需鋪設軌道平臺，廣泛應用于國內外110kV～1000kV 變電站[4]。 本文主要分析自主移動式巡檢機器人，其功能需求主要為智能導航和智能監(jiān)測。

1.1 智能導航

巡檢機器人的智能導航功能包括定位導航、 路徑規(guī)劃和自主避障等內容。

定位導航： 定位導航功能是變電站巡檢機器人自主行走的基礎。 機器人通過訪問數據庫中的高精度三維地圖來獲取環(huán)境信息， 其定位精度與環(huán)境地圖構建的精度密切相關。 通過建立機器人路徑規(guī)劃環(huán)境中道路、檢測設備和障礙物的空間位置描述， 形成建圖范圍內每一個巡檢點之間的路徑聯(lián)系，從而幫助巡檢機器人規(guī)劃出合理的路徑。變電站環(huán)境中的巡檢機器人定位導航有磁點導航、固定軌道、激光導航和視覺導航等方式， 其中磁點導航和固定軌道的導航軌跡固定，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。室外環(huán)境光下的視覺導航系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，一般用于輔助。 激光導航的定位精度高，抗干擾能力強，是目前最常用的定位導航方式。巡檢過程中，機器人通過導航系統(tǒng)實時獲取自身的位置信息，定位誤差一般小于0.05m。

路徑規(guī)劃：變電站的巡檢任務可分為全位置巡檢和指定位置巡檢兩種。全位置巡檢指機器人由起始位置出發(fā)，巡檢廠區(qū)內的全部位置。 指定位置巡檢需要機器人到達指定的任意位置，完成某些關鍵設備的檢查。操作人員通過任務派發(fā)系統(tǒng)便捷地增加、刪除和修改巡檢點，下發(fā)巡檢任務，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)任務中巡檢點之間的路線，尋找從起點到終點的最優(yōu)路線。

自主避障：機器人的自主避障和防撞系統(tǒng)能夠確保機器人在開展巡檢工作時的安全。當機器人的視覺或超聲波系統(tǒng)檢測到障礙物時，機器人可以實現(xiàn)自動停止或降速，然后利用相關的路徑規(guī)劃和避障算法重新規(guī)劃出避開障礙物的路徑。

1.2 智能監(jiān)測

巡檢機器人的智能檢測功能包括視覺識別和拾音診斷等內容。

視覺識別： 機器人的視覺系統(tǒng)首先能夠準確識別出表計的位置，然后根據位置信息調整機器人云臺的角度，使得表計處于畫面的居中位置，并調整焦距放大表計，最后自動讀取指針、數顯、油位等表計的數值，讀數誤差需小于±5%。能夠識別開關執(zhí)行機構和指示燈的狀態(tài)，當出現(xiàn)異常狀態(tài)時將報警信息上傳至中控系統(tǒng)。 能夠使用紅外熱成像相機對視野范圍內的任意區(qū)域進行實時溫度測量，判斷站內各類設備是否存在溫度異常。

圖1 視覺識別目標Fig1. The object of visual recognition

拾音診斷： 巡檢機器人通過拾音診斷功能采集變電站設備的噪聲信息，并與噪音庫中的波形進行對比，從而判斷設備的運行狀態(tài)。拾音診斷系統(tǒng)通過上傳報警信息，提醒運維人員及時消除設備故障， 保證變電站設備更加安全可靠的運行。

2 巡檢機器人的系統(tǒng)構成

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

硬件平臺的關鍵部件由機器人本體、感知模塊、運動模塊、供電模塊、通訊模塊組成。機器人本體由機器人底盤和車身組成，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°，最大轉彎半徑為1.5m。 感知模塊包括高清可見光攝像頭、紅外熱成像攝像頭、激光雷達和拾音器等，用于實現(xiàn)機器人的導航、定位和檢測，表計讀取等操作在機器人本地完成，由工控機提供算力。運動模塊用于控制機器人的各運動部件，主要為底盤車輪和視覺云臺。機器人的運動方式有四輪驅動差速轉向和履帶式驅動兩種， 適用于多種地面環(huán)境。供電模塊是機器人的動力來源，車身中有動力電池和電池管理模塊，電池容量為48V 30AH。為保證續(xù)航時間，一般配置自主充電房。 通訊模塊依托5G 大寬帶、低延時的網絡環(huán)境，將巡檢數據和機器人狀態(tài)實時傳輸至中控系統(tǒng)中。

軟件平臺是變電站巡檢機器人的后臺控制和信息管理系統(tǒng)，可分為自主定位導航模塊和機器人管控模塊兩部分。自動定位導航模塊中存儲了預先建立的變電站地圖， 可顯示機器人實時位置、巡檢點位置和巡檢路線，可根據派發(fā)任務中的巡檢點位置規(guī)劃出合理路徑， 并在巡檢過程中控制機器人避開障礙物。操作員可通過自動定位導航模塊，設置機器人為自主巡檢或手動遠程控制， 以解決戶外情況下的未知問題。 機器人管理模塊用于設置與巡檢任務相關的內容，包括機器人數量和參數的管理、巡檢點和充電點位置信息管理、創(chuàng)建巡檢任務、機器人狀態(tài)監(jiān)控、影像數據實時顯示、表計讀取和異常報警等，通過人機交互界面將機器人電量及信號等運行狀態(tài)數據和圖像及聲音等巡檢數據實時提供給操作員。為保證監(jiān)測的實時性，表計識別和讀數在機器人本地完成， 數據由通信模塊上傳至機器人管控模塊的數據庫中，可實現(xiàn)數據的存儲、查詢和導出功能。 多組巡檢機器人將數據匯集至軟件平臺， 系統(tǒng)自動分析出變電站當前的運行狀態(tài)。

3 巡檢機器人應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在國家“863”計劃的支持下，2002 年國網山東省電力科學研究院首先開始了變電站巡檢機器人的研究， 并于2005 年成功研制出首臺樣機[5]。2005 年，國內首臺巡檢機器人應用于500kV 長清變電站。國家電網根據《2015-2020 年電網智能化規(guī)劃指南》，于2018 年開展小型化、工具化機器人應用試點，建成變電站智能機器人巡檢信息管理平臺，于2020 年全面推廣小型化、工具化機器人，在公司系統(tǒng)變電運維班組內進行全面配置。 目前， 巡檢機器人已廣泛覆蓋110kV～1000 kV 變電站，主要需求來自浙江、江蘇、山東、廣州等地區(qū)，其中國網智能、國自機器人等企業(yè)占據了較大的市場份額。

巡檢機器人的大規(guī)模推廣，大大提升了變電站巡檢的智能化和自動化水平，已成為移動機器人領域的研究熱點，其發(fā)展趨勢有：

（1）組合作業(yè)機器人的協(xié)作算法。隨著巡檢機器人的不斷普及和無人值守變電站的推進， 復雜巡檢任務將由多個機器人配合完成。 組合作業(yè)機器人的路徑規(guī)劃及相互間的數據交互是多臺機器人協(xié)作的基礎， 如何協(xié)調多臺機器人更加有序、高效的完成巡檢任務值得深入研究，

（2）高精度自主導航定位控制。當前巡檢機器人的定位誤差控制在0.05m 范圍內。 由于導航精度的不足，機器人到達巡檢點后需首先識別表計位置， 然后不斷調整云臺姿態(tài)來采集最佳的表計圖像。通過優(yōu)化定位精度，將導航誤差控制在更小范圍內，將有效提升巡檢效率，縮短巡檢時間。

（3）深度學習技術賦能巡檢。傳統(tǒng)的表計匹配通過人工特征工程進行，特征表達能力較弱。 在戶外條件下，受光照條件變化的影響，表計匹配的準確率低、讀數的估算偏差大。電力巡檢領域的規(guī)模化裝備應用收集了海量樣本，深度學習技術可通過海量數據學習自動學習樣本特征，可有效提升表計讀取的準確率，提升變電站巡檢機器人的實用化水平。

4 結語

隨著機器人技術、 導航技術和計算機視覺技術的不斷發(fā)展， 具備智能導航和智能監(jiān)測功能的機器人逐漸代替人工完成巡檢任務，大大提高巡檢效率和巡檢質量。本文首先從分析了巡檢機器人的功能需求， 介紹了定位導航、路徑規(guī)劃、自主避障、視覺識別和拾音診斷等功能。然后介紹了機器人系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)構成， 最后闡述了我國的巡檢機器人應用現(xiàn)狀并總結了多機協(xié)作、 高精度導航和深度學習賦能三個方面的發(fā)展趨勢。