變電站自動化巡檢機器人應用分析

朱思河， 李康宇

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

0 引言

國民經濟的高速發展離不開可靠、安全、靈活運轉的電力系統。 變電站是電力系統中變換電壓、接收和分配電能的管理節點。 為保障變電站的正常運轉，日常巡視、維護和監盤意義重大。 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，通過人工抄表的方式記錄各項儀表的讀數。 傳統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。 隨著我國電力系統的不斷發展，呈現出規模愈發龐大、管理節點越來越多、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，機器人巡檢逐漸發展成熟，成為變電站巡檢的主流發展方向。 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。 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境信息， 其定位精度與環境地圖構建的精度密切相關。 通過建立機器人路徑規劃環境中道路、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系，從而幫助巡檢機器人規劃出合理的路徑。變電站環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。室外環境光下的視覺導航系統穩定性較差，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實時獲取自身的位置信息，定位誤差一般小于0.05m。

路徑規劃：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，巡檢廠區內的全部位置。 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系統便捷地增加、刪除和修改巡檢點，下發巡檢任務，因此需要合理地分配巡檢路線。 路徑規劃功能用于生成派發任務中巡檢點之間的路線，尋找從起點到終點的最優路線。

自主避障：機器人的自主避障和防撞系統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檢測到障礙物時，機器人可以實現自動停止或降速，然后利用相關的路徑規劃和避障算法重新規劃出避開障礙物的路徑。

1.2 智能監測

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%。能夠識別開關執行機構和指示燈的狀態，當出現異常狀態時將報警信息上傳至中控系統。 能夠使用紅外熱成像相機對視野范圍內的任意區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。拾音診斷系統通過上傳報警信息，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、低延時的網絡環境，將巡檢數據和機器人狀態實時傳輸至中控系統中。

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，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，可根據派發任務中的巡檢點位置規劃出合理路徑， 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、創建巡檢任務、機器人狀態監控、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， 系統自動分析出變電站當前的運行狀態。

3 巡檢機器人應用現狀及發展趨勢

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，其中國網智能、國自機器人等企業占據了較大的市場份額。

巡檢機器人的大規模推廣，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，其發展趨勢有：

（1）組合作業機器人的協作算法。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。 組合作業機器人的路徑規劃及相互間的數據交互是多臺機器人協作的基礎， 如何協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來采集最佳的表計圖像。通過優化定位精度，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展， 具備智能導航和智能監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的軟硬件系統構成， 最后闡述了我國的巡檢機器人應用現狀并總結了多機協作、 高精度導航和深度學習賦能三個方面的發展趨勢。