智能巡检机器人应用现状及问题探析

梁永强

（国网冀北秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

变电站作为电网的核心组成部分，其安全稳定运行关系到电网对全社会的可靠供电。随着特高压变电站及无人值守变电站数量的增多，现有的运维人员要保质保量完成对所辖变电站的人工巡视已日趋困难。近年来，随着国家电网公司的大力推广，智能巡检机器人在变电站中的应用日益增多，其主要作用是替代人工完成无人值守变电站的日常巡视，实现测温、读取表计数据、摄像、智能分析、缺陷管理、开关状态判别等功能［1］。相比于传统的人工巡视，凭借其灵活的控制运行方式、不受天气因素影响等优点，智能巡检机器人正在电网快速发展中发挥着越来越多、越来越大的作用。

在综合分析当前智能巡检机器人应用现状的基础上，结合实际工程应用案例，验证了其功能的可靠性、优越性，探讨了其存在的问题，提出了对应的优化解决策略。

1 巡检机器人简介

智能巡检机器人是一种基于可移动感知执行平台，搭载多种传感器，用于特定设备状态监测、操作及行业业务处理等定制服务的可编程多功能操作机。智能巡检机器人类型主要有变电站巡检机器人、廊道巡检机器人、开关室巡检机器人等，其适用范围覆盖发电、输电、变电、用电等各电力相关环节，应用领域包括发电厂升压站、输电廊道、电网变电所、企业变电站、冶金整流室及解压槽等［2］。

变电站智能巡检机器人可以替代人工完成巡检中遇到的繁、难、险和重复性的工作。现阶段广泛应用于工程实际的变电站巡检机器人主要基于无轨化导航技术和四驱底盘，并集安全防护单元、底盘及驱动单元、供电单元、主控单元、通讯单元、导航单元、拾音对讲单元等模块于一体。巡检机器人具备无轨化、可调配、智能化、集群化、耐高寒与高温、运行时间长的优势，可以自主或遥控的方式，在无人值守的环境中替代人工执行巡检任务，实现例行巡检、定点巡检、遥控巡检、高清可见光与红外实时视频监控、变压器和电抗器噪声监测、SF6泄露检测、红外测温与故障报警、可见光图像智能判别、巡检报表分析与历史数据分析等功能。

巡检机器人主体一般由激光传感器、云台，高清摄像头、红外热像仪、超声传感器、控制机箱、安全停障模块、底盘模块等核心设备和其他辅助设备组成。几乎所有的智能巡检机器人都配备四轮独立驱动的底盘，以便实现直行和转弯等功能，具备较强的路况适应能力，在特殊复杂环境中也能实现无死角检测。激光传感器用于机器人扫描周围环境，实现机器人的定位。云台用于控制高清摄像头与红外热像仪在巡检过程中的拍摄角度［3］。可见光摄像仪可实现快速、准确地拍摄被巡视或检测设备图像或视频。红外热像仪则可获取设备精确的红外热像图，用于提前发现异常情况，避免故障扩大和加重。超声传感器可实现对高位以及低矮障碍物的识别［4］，远距离超声停障和近距离碰撞停障感应装置，用于确保机器人在巡检过程中，不因撞击障碍物而受到伤害。自主充电装置用于机器人自主充电，可实现出库巡检，进库充电全程无需人工参与。基于本地监控平台通过网络实现与微气象站的数据交互，实时获取变电站户外环境数据，包括温度、湿度、风速及降水等信息，通过系统针对不同天气环境对巡检机器人的外部辅助硬件进行配置，提高巡检机器人的任务适应性能。

2 变电站巡检机器人应用现状

从国网山东省电力公司电力科学研究院 （以下简称“山东电科院”）和山东鲁能智能技术有限公司1999年最早开始研究变电站巡检机器人到2004年第一台功能样机实现［5］，国内巡检机器人开始了艰难的起步阶段，此后十余年间，巡检机器人从技术到应用，得到了迅猛的发展。现在，国内应用的变电站巡检机器人主要有无轨机器人和有轨机器人两种类型，其中无轨机器人占据应用总量的一半以上，主要用于室外。山东电科院和山东鲁能智能技术有限公司自主研发的变电站智能机器人巡检系统在1 000 kV电压等级变电站实现了稳定运行，解决了续航问题对超大规模变电站巡视的制约、特高压下恶劣的电磁环境对机器人通信的影响等关键技术问题。中科院沈阳自动化研究所研制的轨道式变电站巡检机器人，实现了冬季下雪、冰挂等情况下的全天候巡检，弥补了基于四驱底盘的无轨机器人无法在冰雪天气正常运行的巡视情况［2］。国网宁夏电力公司联合研发的户内多维轨道式电力智能巡检机器人，解决了变电站设备立体化空间不规则布局限制和强电磁干扰环境下的巡检技术难题［6］。变电站巡检机器人已在山东、河南、江苏等9个省近百座变电站及5座换流站推广应用。

3 巡检机器人在实际应用中的不足

3.1 表计数据读取

图1 表计污秽

图2 对焦失败

巡检机器人都装备有可变焦的高清摄像头，按照设计设想，其在表计数据读取过程中的优势要远大于人工巡视时的运维人员目视。在站内一些表计安装位置高度过高，人工目视已无法看清表计中的指针、数字等内容，传统巡视遇到此种情况时则是借助望远镜观察，而智能巡检机器人的变焦摄像头不仅可几倍距离的拉近表计界面，省时省力，且可以保存表计界面为图片形式供事后分析。然而，实际应用中却发现这种优势并不能完全发挥出来，主要表现在当站内高压表计表面或者巡检机器人本身摄像头因空气中的污秽杂质积累而变脏时，摄像头则根本无法获取到清楚的表计图像如图1所示，另外摄像头也存在对焦失败的情况，如图2所示。对于巡检机器人本身摄像头表面污染的问题，可在后续改进中加装类似汽车雨刮的自清洁装置以妥善解决。而对于表记污秽的现象，非巡检机器人本身问题，目前只有借助电网设备每次停电检修期间通过人工清扫得以解决。对焦失败则是摄像头本身算法或所采用的自动对焦技术所致，建议配置为主动式自动对焦方式的摄像头，结合红外测距和超声测距对焦方法及基于图像处理对焦方式的优点，可大幅减少对焦失败情况的发生。当前巡检机器人的研发应用在巡检系统的智能化及巡检功能的多样化方面研究探索较多，但是在硬件方面疏于使用更为先进的前沿技术。高性能的硬件设备更有利于巡检机器人先进功能的发挥。

3.2 红外测温

在红外测温过程中，站内设备布置复杂交错，巡检机器人受制于系统中设计好的固定的巡视路径、定位点及实际场地中可行进通道的限制，无法像人工巡视那样灵活的从360°各个方向对比测温发现设备的最高温度及制热点，且存在对位不准确的情况，因此获取的温度信息与实际偏差过大，甚至错误，如图3~5所示。对于对位失准的问题可以通过系统的优化及增加距离监测单元解决，距离监测单元的作用是确定被测设备与巡检机器人的合理距离，在系统中设定某一合理距离内的设备才被红外摄像头所选定，从而有效避免类似案例中错误选定太阳等非正常范围内的物体来进行测温的情况发生。但是要实现像人工巡视时的全角度对比测温，因涉及变电站内道路分布、巡检机器人自身高度、电池续航时间等因素，显然在机器人巡检监控系统软件层面是无法实现的。因此红外测温功能在现有技术阶段无法代替精确测温。只能作为大面积普遍测温的一种途径。

图3 复杂背景红外图

图4 对位错误可见光图

图5 对位错误红外图

3.3 自主充电及巡视路径

借助于远距离超声停障和近距离碰撞停障障碍物感应装置，可以确保机器人在巡检过程中，不因撞击障碍物而受到损坏。这项本为保护巡检机器人本身安全的设置却在实际应用中也会出现水土不服的情况。变电站站内有硬化地面和草坪覆盖两种情况，在草坪覆盖的变电站区域内巡视时，巡检通道两侧伸展出的个别杂草也会让巡检机器人装备的障碍物感应装置探测到从而导致机器人停止行进，当运维人员无法及时发现并采取措施时，机器人将会停在原有位置直至电池电量耗尽，待运维人员发现时则还需将其人工运往充电处，费时费力，增加工作量。另外，巡检机器人在行进过程中会出现定位偏差从而使其偏离正常巡检通道运行，造成撞击站内设施，如图6所示。当机器人因定位误差偏离预先设定的运行路线后，其将无法实现对当前位置和运行路线的正确计算与修正，此种情况出现时机器人将非常容易撞击站内设施并导致其停止运行，结果同样是电力耗尽需人工处理。自主充电装置用于实现机器人自主充电，可实现出库巡检，进库充电全程无需人工参与，但当上述机器人因定位误差偏离预先设定的运行轨迹的问题出现时则同步引起自主充电的失败，常见的两种情况是机器人到达充电桩位置时不能准确停止，仍然继续前进直至越过充电桩碰撞至墙面或者未到达充电桩便已停止行进，这两种现象均将导致无法完成自主充电。对于上述问题可在障碍物感应装置、自主充电装置、无线通信、激光定位的基础上增加可见光摄像头智能识别周围实际环境，将巡检机器人运行范围内高度低于2 m的实际物体拍摄成像，借助图像识别技术通过与预先内置的周围环境信息进行比对，从而准确地判别当前位置及行进方向。

图6 定位偏差图

4 结语

智能巡检机器人在功能设计上已比较全面，但在实际应用中还存在较多不足和制约。依托工程实际应用案例，主要分析了基于无轨化运行类巡检机器人在表计读取、红外测温、路径安全、自主充电等方面的现状，在对比优越性的同时发现了存在的不足或者缺陷。基于电网公司内巡检机器人应用的现状，所发现的问题具有普适性和针对性，同时也为科研及制造单位后续的改进完善提供建议。

［1］王东辉，张玉亮，宋彦军.变电站智能巡检机器人的应用研究［J］.电工技术：（理论与实践），2015 （6）：128-129.

［2］周立辉，张永生，孙勇，等.智能变电站巡检机器人研制及应用［J］.电力系统自动化，2011，35（19）：85-88，96.

［3］肖娟.变电站巡检机器人的路径规划研究［D］.济南：山东建筑大学，2015.

［4］李向东，鲁守银，王宏，等，一种智能巡检机器人的体系结构分析和设计［J］.机器人，2005，27（6）：502-506.

［5］杨旭东，黄玉柱，李继刚，等.变电站巡检机器人研究现状综述［J］.山东电力技术，2015，42（1）：30-34.

［6］谢超，秦亮.浅谈智能巡检机器人在750千伏变电站的应用［J］.工程技术（全文版），2016，15（11）：201.