智能巡檢機器人應用現狀及問題探析

梁永強

（國網冀北秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

變電站作為電網的核心組成部分，其安全穩定運行關系到電網對全社會的可靠供電。隨著特高壓變電站及無人值守變電站數量的增多，現有的運維人員要保質保量完成對所轄變電站的人工巡視已日趨困難。近年來，隨著國家電網公司的大力推廣，智能巡檢機器人在變電站中的應用日益增多，其主要作用是替代人工完成無人值守變電站的日常巡視，實現測溫、讀取表計數據、攝像、智能分析、缺陷管理、開關狀態判別等功能［1］。相比于傳統的人工巡視，憑借其靈活的控制運行方式、不受天氣因素影響等優點，智能巡檢機器人正在電網快速發展中發揮著越來越多、越來越大的作用。

在綜合分析當前智能巡檢機器人應用現狀的基礎上，結合實際工程應用案例，驗證了其功能的可靠性、優越性，探討了其存在的問題，提出了對應的優化解決策略。

1 巡檢機器人簡介

智能巡檢機器人是一種基于可移動感知執行平臺，搭載多種傳感器，用于特定設備狀態監測、操作及行業業務處理等定制服務的可編程多功能操作機。智能巡檢機器人類型主要有變電站巡檢機器人、廊道巡檢機器人、開關室巡檢機器人等，其適用范圍覆蓋發電、輸電、變電、用電等各電力相關環節，應用領域包括發電廠升壓站、輸電廊道、電網變電所、企業變電站、冶金整流室及解壓槽等［2］。

變電站智能巡檢機器人可以替代人工完成巡檢中遇到的繁、難、險和重復性的工作。現階段廣泛應用于工程實際的變電站巡檢機器人主要基于無軌化導航技術和四驅底盤，并集安全防護單元、底盤及驅動單元、供電單元、主控單元、通訊單元、導航單元、拾音對講單元等模塊于一體。巡檢機器人具備無軌化、可調配、智能化、集群化、耐高寒與高溫、運行時間長的優勢，可以自主或遙控的方式，在無人值守的環境中替代人工執行巡檢任務，實現例行巡檢、定點巡檢、遙控巡檢、高清可見光與紅外實時視頻監控、變壓器和電抗器噪聲監測、SF6泄露檢測、紅外測溫與故障報警、可見光圖像智能判別、巡檢報表分析與歷史數據分析等功能。

巡檢機器人主體一般由激光傳感器、云臺，高清攝像頭、紅外熱像儀、超聲傳感器、控制機箱、安全停障模塊、底盤模塊等核心設備和其他輔助設備組成。幾乎所有的智能巡檢機器人都配備四輪獨立驅動的底盤，以便實現直行和轉彎等功能，具備較強的路況適應能力，在特殊復雜環境中也能實現無死角檢測。激光傳感器用于機器人掃描周圍環境，實現機器人的定位。云臺用于控制高清攝像頭與紅外熱像儀在巡檢過程中的拍攝角度［3］。可見光攝像儀可實現快速、準確地拍攝被巡視或檢測設備圖像或視頻。紅外熱像儀則可獲取設備精確的紅外熱像圖，用于提前發現異常情況，避免故障擴大和加重。超聲傳感器可實現對高位以及低矮障礙物的識別［4］，遠距離超聲停障和近距離碰撞停障感應裝置，用于確保機器人在巡檢過程中，不因撞擊障礙物而受到傷害。自主充電裝置用于機器人自主充電，可實現出庫巡檢，進庫充電全程無需人工參與。基于本地監控平臺通過網絡實現與微氣象站的數據交互，實時獲取變電站戶外環境數據，包括溫度、濕度、風速及降水等信息，通過系統針對不同天氣環境對巡檢機器人的外部輔助硬件進行配置，提高巡檢機器人的任務適應性能。

2 變電站巡檢機器人應用現狀

從國網山東省電力公司電力科學研究院 （以下簡稱“山東電科院”）和山東魯能智能技術有限公司1999年最早開始研究變電站巡檢機器人到2004年第一臺功能樣機實現［5］，國內巡檢機器人開始了艱難的起步階段，此后十余年間，巡檢機器人從技術到應用，得到了迅猛的發展。現在，國內應用的變電站巡檢機器人主要有無軌機器人和有軌機器人兩種類型，其中無軌機器人占據應用總量的一半以上，主要用于室外。山東電科院和山東魯能智能技術有限公司自主研發的變電站智能機器人巡檢系統在1 000 kV電壓等級變電站實現了穩定運行，解決了續航問題對超大規模變電站巡視的制約、特高壓下惡劣的電磁環境對機器人通信的影響等關鍵技術問題。中科院沈陽自動化研究所研制的軌道式變電站巡檢機器人，實現了冬季下雪、冰掛等情況下的全天候巡檢，彌補了基于四驅底盤的無軌機器人無法在冰雪天氣正常運行的巡視情況［2］。國網寧夏電力公司聯合研發的戶內多維軌道式電力智能巡檢機器人，解決了變電站設備立體化空間不規則布局限制和強電磁干擾環境下的巡檢技術難題［6］。變電站巡檢機器人已在山東、河南、江蘇等9個省近百座變電站及5座換流站推廣應用。

3 巡檢機器人在實際應用中的不足

3.1 表計數據讀取

圖1 表計污穢

圖2 對焦失敗

巡檢機器人都裝備有可變焦的高清攝像頭，按照設計設想，其在表計數據讀取過程中的優勢要遠大于人工巡視時的運維人員目視。在站內一些表計安裝位置高度過高，人工目視已無法看清表計中的指針、數字等內容，傳統巡視遇到此種情況時則是借助望遠鏡觀察，而智能巡檢機器人的變焦攝像頭不僅可幾倍距離的拉近表計界面，省時省力，且可以保存表計界面為圖片形式供事后分析。然而，實際應用中卻發現這種優勢并不能完全發揮出來，主要表現在當站內高壓表計表面或者巡檢機器人本身攝像頭因空氣中的污穢雜質積累而變臟時，攝像頭則根本無法獲取到清楚的表計圖像如圖1所示，另外攝像頭也存在對焦失敗的情況，如圖2所示。對于巡檢機器人本身攝像頭表面污染的問題，可在后續改進中加裝類似汽車雨刮的自清潔裝置以妥善解決。而對于表記污穢的現象，非巡檢機器人本身問題，目前只有借助電網設備每次停電檢修期間通過人工清掃得以解決。對焦失敗則是攝像頭本身算法或所采用的自動對焦技術所致，建議配置為主動式自動對焦方式的攝像頭，結合紅外測距和超聲測距對焦方法及基于圖像處理對焦方式的優點，可大幅減少對焦失敗情況的發生。當前巡檢機器人的研發應用在巡檢系統的智能化及巡檢功能的多樣化方面研究探索較多，但是在硬件方面疏于使用更為先進的前沿技術。高性能的硬件設備更有利于巡檢機器人先進功能的發揮。

3.2 紅外測溫

在紅外測溫過程中，站內設備布置復雜交錯，巡檢機器人受制于系統中設計好的固定的巡視路徑、定位點及實際場地中可行進通道的限制，無法像人工巡視那樣靈活的從360°各個方向對比測溫發現設備的最高溫度及制熱點，且存在對位不準確的情況，因此獲取的溫度信息與實際偏差過大，甚至錯誤，如圖3~5所示。對于對位失準的問題可以通過系統的優化及增加距離監測單元解決，距離監測單元的作用是確定被測設備與巡檢機器人的合理距離，在系統中設定某一合理距離內的設備才被紅外攝像頭所選定，從而有效避免類似案例中錯誤選定太陽等非正常范圍內的物體來進行測溫的情況發生。但是要實現像人工巡視時的全角度對比測溫，因涉及變電站內道路分布、巡檢機器人自身高度、電池續航時間等因素，顯然在機器人巡檢監控系統軟件層面是無法實現的。因此紅外測溫功能在現有技術階段無法代替精確測溫。只能作為大面積普遍測溫的一種途徑。

圖3 復雜背景紅外圖

圖4 對位錯誤可見光圖

圖5 對位錯誤紅外圖

3.3 自主充電及巡視路徑

借助于遠距離超聲停障和近距離碰撞停障障礙物感應裝置，可以確保機器人在巡檢過程中，不因撞擊障礙物而受到損壞。這項本為保護巡檢機器人本身安全的設置卻在實際應用中也會出現水土不服的情況。變電站站內有硬化地面和草坪覆蓋兩種情況，在草坪覆蓋的變電站區域內巡視時，巡檢通道兩側伸展出的個別雜草也會讓巡檢機器人裝備的障礙物感應裝置探測到從而導致機器人停止行進，當運維人員無法及時發現并采取措施時，機器人將會停在原有位置直至電池電量耗盡，待運維人員發現時則還需將其人工運往充電處，費時費力，增加工作量。另外，巡檢機器人在行進過程中會出現定位偏差從而使其偏離正常巡檢通道運行，造成撞擊站內設施，如圖6所示。當機器人因定位誤差偏離預先設定的運行路線后，其將無法實現對當前位置和運行路線的正確計算與修正，此種情況出現時機器人將非常容易撞擊站內設施并導致其停止運行，結果同樣是電力耗盡需人工處理。自主充電裝置用于實現機器人自主充電，可實現出庫巡檢，進庫充電全程無需人工參與，但當上述機器人因定位誤差偏離預先設定的運行軌跡的問題出現時則同步引起自主充電的失敗，常見的兩種情況是機器人到達充電樁位置時不能準確停止，仍然繼續前進直至越過充電樁碰撞至墻面或者未到達充電樁便已停止行進，這兩種現象均將導致無法完成自主充電。對于上述問題可在障礙物感應裝置、自主充電裝置、無線通信、激光定位的基礎上增加可見光攝像頭智能識別周圍實際環境，將巡檢機器人運行范圍內高度低于2 m的實際物體拍攝成像，借助圖像識別技術通過與預先內置的周圍環境信息進行比對，從而準確地判別當前位置及行進方向。

圖6 定位偏差圖

4 結語

智能巡檢機器人在功能設計上已比較全面，但在實際應用中還存在較多不足和制約。依托工程實際應用案例，主要分析了基于無軌化運行類巡檢機器人在表計讀取、紅外測溫、路徑安全、自主充電等方面的現狀，在對比優越性的同時發現了存在的不足或者缺陷。基于電網公司內巡檢機器人應用的現狀，所發現的問題具有普適性和針對性，同時也為科研及制造單位后續的改進完善提供建議。

［1］王東輝，張玉亮，宋彥軍.變電站智能巡檢機器人的應用研究［J］.電工技術：（理論與實踐），2015 （6）：128-129.

［2］周立輝，張永生，孫勇，等.智能變電站巡檢機器人研制及應用［J］.電力系統自動化，2011，35（19）：85-88，96.

［3］肖娟.變電站巡檢機器人的路徑規劃研究［D］.濟南：山東建筑大學，2015.

［4］李向東，魯守銀，王宏，等，一種智能巡檢機器人的體系結構分析和設計［J］.機器人，2005，27（6）：502-506.

［5］楊旭東，黃玉柱，李繼剛，等.變電站巡檢機器人研究現狀綜述［J］.山東電力技術，2015，42（1）：30-34.

［6］謝超，秦亮.淺談智能巡檢機器人在750千伏變電站的應用［J］.工程技術（全文版），2016，15（11）：201.