變電站巡檢機器人路徑規劃策略

張永濤，徐 瀟，于倩倩

（國網河南省電力公司周口供電公司, 河南 周口466000）

變電站巡檢機器人作為信息獲取和運維的重要手段，逐漸走向變電站巡檢行業的多種應用場合，實現更加復雜、多樣的巡檢任務。根據變電站巡檢機器人運行工況的不同，有針對性地規劃巡檢路線，將有效提高巡檢機器人的工作效率，有助于運維人員快速掌握設備的運行情況。

1 巡檢路線規劃

1.1 協助應急處理

機器人巡檢模式下，當無人值守變電站設備狀態發生改變時，或獲得系統告警信息后，運維人員可以在后臺調用巡檢機器人，快速到達指定設備間隔，及時查看設備狀態并核實告警信息；當無人值守變電站發生事故時，運維人員可在后臺指揮機器人深入事故現場，快速定位故障區域，實時讀取現場數據[2]。

巡檢路線規劃時，以環境電子地圖的中心點為坐標原點，建立主直角坐標系，借助巡檢機器人在地圖上的起點和終點，確定輔助坐標系的原點，建立輔助直角坐標系，最后，根據巡檢機器人起點和終點的位置分布，判斷它們在兩個坐標系中的象限位置，獲取交集作為搜索區域[3]。

在限定的搜索區域內，采用Dijkstra算法尋找起點到終點的最短路線。設起點為u0，終點為v0，已求出最短路徑節點的集合用S表示，其余未確定最短路徑節點的集合用T表示。Dijkstra算法的基本思想是：按照距離u0由近及遠的順序，依次求得u0到圖中的各節點的最短路線和距離，直至終點v0，算法結束[4]。算法步驟如下：

初始條件下，集合S中只包含起點u0，集合T中包含除起點外的其他節點，且T中節點距離的定義為起點u0到該節點的長度；

從集合T中選出距離最短的節點k，并將節點k加入到集合S中，從集合T中移除節點k；

利用節點k來更新T中各個節點到起點u0的距離。節點k作為中間節點，若T中各節點距離縮短，則采用新的距離值，否則各節點保持原來的距離；

重復步驟（2）、步驟（3），直到終點v0。

協助應急處理時，變電站巡檢機器人路線優化流程如圖1所示。

圖1 基于Dijkstra算法的巡檢路線優化流程圖

1.2 缺陷定點跟蹤

對于受環境、電網負荷等影響，工作狀態變化較大的動態缺陷，可以充分利用機器人屬地化以及巡檢頻率高的優勢，對缺陷進行跟蹤記錄[2]。

當變電站內存在缺陷的設備數量較多時，機器人巡檢路線規劃屬于圖論中的旅行商問題，研究人員通常采用遺傳算法、模擬退火算法等對上述問題進行求解[3,5]。

畫出變電站巡檢機器人巡檢道路拓撲圖，采用圖論中Dijkstra算法，求解任意兩節點之間的最短距離矩陣；

對缺陷設備進行編號，并求解任意兩個缺陷設備之間的最短距離，構造最短距離矩陣。假設巡檢道路上存在缺陷設備A和B，其位置如圖2所示，缺陷A 鄰近的節點為A1 和A2，缺陷B 鄰近的節點為B1 和B2，不同缺陷設備的鄰近節點兩兩組合，共有4 種方案，綜合考慮各缺陷設備到鄰近節點之間的距離，最終得到兩個缺陷設備之間的最短距離。

圖2 兩個缺陷設備之間最短距離計算示意圖

采用智能算法對缺陷設備的巡檢順序進行優化排序，得到近似最優巡檢路線。

變電站巡檢機器人缺陷定點跟蹤路徑規劃流程如圖3所示。

圖3 缺陷定點跟蹤路徑規劃流程

1.2 全站全巡

變電站巡檢機器人攜帶可見光相機、紅外熱成像儀對變電站開展例行巡視和全站紅外測溫。國家電網有限公司對變電站巡檢周期的要求如下：一類變電站每2天至少巡檢1次，二類變電站每3天至少巡檢1次，三類變電站每周不少于1次[2]。

為了提高巡檢機器人的作業效率，運維人員需要對機器人的巡檢路線進行規劃。畫出變電站巡檢機器人巡檢道路拓撲圖，對斷頭路進行簡化處理。連通圖中各節點關聯邊的個數稱為該節點的度，度為奇數的節點稱為奇點，度為偶數的節點稱為偶點。當奇點的個數為0 個時，機器人巡檢路線可以“一筆畫”，否則，需要對奇點進行配對，構造歐拉圖。采用枚舉法或奇偶點圖上作業法對奇點進行配對優化，降低機器人重復行走距離[6,7]。

巡檢道路拓撲圖中各節點均為偶點時，采用Fleury 算法對變電站巡檢機器人全站全巡路線進行規劃設計。Fleury 算法的基本思路是：依次描畫一條邊，在描畫過程的每一步，除非別無選擇，否則不走回頭路，不過獨木橋。算法步驟如下[4]：

（1）設G為無向歐拉圖，v代表點，e代表線，任取G中一頂點v0，令P0=v0；

（2）假設沿Pi=v0e1v1e2v2...eivi走到頂點vi，按下述方法從E(G)-{e1,e2,...,ei}中選ei+1：

（a）ei+1與vi相關聯；

（b）除非無別的邊可供選擇，否則ei+1不應該是Gi=G-{e1,e2,...,ei}中的橋。

（3）當步驟（2）不能再進行時，算法停止。

2 機器人避障

在機器人巡檢過程中，需要對外界不確定性環境進行感知，其中包括躲避站內人員、設備及其他障礙物。

機器人避障行為可分為停障和繞障兩種方式[1]。停障是指當機器人探測到行進路線上一定距離內有障礙物阻擋時，機器人發出并執行減速制動指令，待障礙物清除后繼續行進；繞障是指巡檢機器人嘗試直接繞過障礙物而繼續行進的避障方式。

障礙物通?？煞譃殪o止障礙和移動障礙兩種。躲避靜止障礙可通過人工場勢法來實現[8]，在勢場中障礙物對機器人產生斥力，距離越近，斥力越大；目標點對機器人產生引力，引力與斥力相反，距離越近，引力越小，當機器人到達目標點時引力為零。通過設置最小安全距離來計算斥力、引力和合力，從而實現機器人的自主避障。

在移動情況下，常見的障礙物與機器人存在相遇和穿越行為。相遇行為是面對面的運動，即障礙物與機器人前進方向相反；穿越行為是垂直運動，即機器人前進的方向有障礙從面前穿越。躲避移動障礙可采用基于模糊邏輯理論的避障方法[9]，該避障方法是用Mandani 推理法得到一個精確的速度變化量，當障礙物與機器人之間存在一定距離時，機器人按照一定速率逐步減速到最低速度，待障礙消失或者距離大于安全距離時，機器人再逐步加速到正常值，繼續完成巡檢任務。

3 無線充電技術

現有變電站巡檢機器人通常采用接觸式方式進行充電，該充電方式對充電接口質量、機器人導航能力要求較高，需要建造單獨的充電室[10]。變電站巡檢機器人目前配置電池的充電時間為8 h，滿電狀態下只能連續工作6 h。在500 kV 變電站，巡檢機器人對全站設備完成1次巡檢需要3天，滿足不了實際要求[11]。電池容量不足、充電速度慢制約著變電站巡檢機器人巡檢作業效率的提升。

應用于機器人領域的中功率無線充電技術為電磁感應式，利用初級線圈和次級線圈在空氣中的耦合進行能量傳輸，充電功率為50～1000 W[1]。機器人無線充電裝置由發射端和接收端兩大部分組成，發射端位于充電基座內，接收端安裝在機器人底部，充電基座埋設于機器人巡檢道路下，如圖4所示。

當系統檢測到巡檢機器人電量不足時，就近選擇無線充電基座，當機器人靠近充電基座時，開啟充電模式，充電完成后繼續開展巡檢作業。

4 結束語

本文主要研究了變電站巡檢機器人在協助應急處理、缺陷定點跟蹤、全站全巡時的巡檢路線規劃方法，并對巡檢機器人避障策略進行了總結。巡檢機器人續航能力不足制約著機器人路線規劃以及作業效率的提升，無線充電技術的發展將對變電站巡檢機器人的應用產生深遠影響。

圖4 巡檢機器人無線充電示意圖