巡检机器人应用综述及在机场应用前景展望

严正罡，甄军平

（中国民用航空总局第二研究所，成都 610041）

0 引言

近年来，得益于人工智能、大数据、5G、云计算等新一代信息技术的快速发展，全球机器人市场增长迅速，根据中国电子学会发布的《中国机器人产业发展报告2021》统计，2021年全球机器人市场规模预计将达到335.8亿美元，2016—2021年平均增长率为11.5%。根据学会划分的工业机器人、服务机器人、特种机器人三类机器人来看，随着全球地区局势复杂、极端天气频发等问题日益凸显，在军事应用、治安维护、抢险救灾、水下勘探、高空作业等场景中，特种机器人可以部分、甚至全部替代人工作业，在安全性、时效性、质量性等方面有效满足需求。此外，随着激光传感器、无人驾驶、卫星遥感、5G通信技术的大规模应用，显著提升了机器人的灵活性与鲁棒性。预计到2023年，服务型机器人市场规模将达99亿美元以上，如图1所示。

图1 2021?年全球机器人市场结构

我国目前正从劳动密集型向现代化制造业方向发展，振兴制造业、实现工业化是我国经济发展的重要任务，伴随国民经济的快速发展以及生产技术的不断进步、劳动力成本的不断上升，国家在生产手段机械化、自动化、智能化、信息化方面的政策不断倾斜。中央印发的《巡检机器人行业发展“十三五”规划》明确要求到2020年巡检机器人行业将增加30%，各地相继出台了地方政策提高行业渗透率，巡检机器人行业因此成为政策红利市场，得到快速发展的保障。

1 巡检机器人概述

特种机器人最早是专门为特殊领域的工作环境设计的专业服务机器人，这些领域往往因为人工作业环境恶劣且具有危险性，因此对机器人具有刚性需求。随着新技术的不断发展，特种机器人范围不断扩充，巡检机器人就属于特种机器人范畴。传统巡检主要依赖人工作业的方式，具备比较明显的痛点：①对工作人员专业水平要求高，巡检数据主观性强。②巡检手段单一，效率较低。③受环境天气影响，很难做到应检尽检。④人力成本高。

这些问题导致传统巡检手段逐渐无法满足准确、实时、高频的巡检需求。巡检机器人既具有较好的机动性与准确性，也能克服人工巡检中存在的缺陷与不足，因此具有广阔的市场前景。

巡检机器人基于部署的传感器对周围环境进行感知和信息采集，再将采集到信息进行融合、处理实现决策，最后执行相应动作，如图2所示。

图2 巡检机器人工作模式

根据工作环境的不同，巡检机器人可以可以分为地面、空中、水下三种类型。不同类型之间搭载的设备、工作的方式和续航时间都各不相同，从而满足不同行业的细分需求。

地面巡检机器人可以分为无轨类与有轨类，如图3所示。无轨巡检机器人预先对复杂环境地图进行了搭建，实现高精度实时定位与导航。通过搭载的声、光传感器对划定区域进行巡检，一般用于室外设备巡检和室内复杂环境巡检，如电力配电室、机房等。

图3 地面巡检机器人

有轨巡检机器人采用轨道移动的方式，搭载摄像机、红外成像仪等设备，一般主要是对地上铁路、轨道交通和地下通道资源等内部环境封闭、人工难以全天候实时监控的环境进行巡检。

空中巡检一般采用无人机设备，通过无线电远程遥控无人机进行作业，如图4所示。无人机一般载有云台相机、可见光相机和图传系统，可以完成复杂的空中任务，对指定区域做到大范围、无遮蔽、无盲区巡检，实现高空间利用率、高安全系数，主要应用在电力输电线巡检、城市治安巡检等场景。

图4 无人机设备

水下巡检机器人主要解决人体无法长时间在水下作业的问题，降低人工巡查难度，提高检测效率和监测范围。机器人一般搭载有声纳、摄像机、机械臂和定位装置，如图5所示，应用在水电站巡检、科考探索等领域。

图5 水下巡检机器人

2 巡检机器人应用场景

当前阶段，巡检机器人业务得到规模性推广研究和应用的主要是电力巡检与铁路巡检，机场作为巡检业务刚需场景，是巡检机器人的潜在市场。其他包括安防巡检、交通巡检、校园巡检等，但规模相对较小。

2.1 电力巡检机器人

智能电网建设与增强供电可靠性已经上升为国家战略，电力系统是对巡检机器人刚性需求最强的行业，也是支撑巡检机器人技术发展的最大市场，潜在规模在千亿元级别。

国外对电力巡检机器人的研究开展得较早，1980年日本就开始将移动机器人应用于变电站中，通过采用磁导航方式和搭载红外热像仪，对154 kV—275 kV变电站的设备致热缺陷进行检测；1988年，Sawada教授团队研制出的架空地线巡线机器人，能够在巡检电线过程中跨越障碍物，遇到杆塔时也能通过机械臂构成导轨，将主体滑动到杆塔另一侧，不需要人工变向；1989年，美国TRC研发的巡线机器人样机，可以通过视觉设备检测绝缘子、电晕损耗及接头、结合点等，当检测到线路故障时，机器人会先进行预处理，再将数据发送给工作人员；2008年，美国电力研究院设计了一种面向实际应用场景的巡检机器人“TI”，通过采用新型设计的轮爪机构，机器人能够快速通过多种障碍物，搭载的可见光摄像头和红外成像仪能够进行故障检测。2013年，加拿大研制出了一种采用GPS定位得可操作的检测机器人，可以在735 kV变电站实现视觉和红外检测，并能远程控制开关；新西兰研制的电力巡检机器人还具备双向语音交互以及激光避障功能。

国内对电力巡检机器人的研究始于20世纪90年代，主要由中科院、武汉大学等单位牵头开展研究。中科院沈阳自动化研究所研制开发的“AApe”机器人系统，能够解决500 kV超高电压环境下的机器人自主控制、数据图像传输等关键技术，目前以及再多地电力公司单位推广应用；国家电网公司于2002年成立了电力机器人实验室，主要开展电力机器人领域的技术研究，2004年研制成功了第一台功能样机。在国家项目与多方支持下，我国电力机器人技术研发后来居上，已经成为行业主要引导，在市场应用和推广规模上都远远超过其他国家。目前电力巡检机器人主要包含输电线巡检、变电站巡检、配电所巡检和隧道巡检四项业务，国内电力智能化水平较高的省份主要集中在江浙、上海、湖北等经济发达地区，行业技术厂商也相对集中在这些省份。

国内电力巡检机器人行业的蓬勃发展离不开国家政策与方针的支持。2019年国家电网提出“三型两网”战略，强调电网智能化、物联化，其中无人化运维作为智能电网的重要部分，使巡检机器人行业持续收益。未来电力巡检机器人的发展方向将是在已有业务基础上做到自动化、信息化与数字化水平的提升，通过5G通信的网络建设做到实时数据的同步获取，同时借助人工智能、大数据等前沿技术提高机器人自主分析能力，真正实现智能化。

2.2 铁路轨道巡检机器人

铁路轨道长期被列车摩擦、冲击，这种环境下会导致轨道功能的退化和损坏，如尺寸变化、钢轨磨损、断裂、固件松动等。此外，列车也会对经过的隧道产生结构侵蚀危害，导致隧道表层裂缝、脱落、变形等病害，如果不能及时发现处置，会严重影响行车安全。传统铁道巡检运维单位一般采用的手段包括专用检测车辆、固定传感器和人工检查。专用检测车检查效率高，漏检点少，但整车成本较高，而且不能行驶一些特殊地形，一般用于轨道平整度检查；固定传感器需要提前在检查区域布设，可以满足对局部高风险、高复杂区域，如桥梁、站点、隧道口等进行全天监测，但覆盖整条轨道的难度和成本很高；人工检查依赖工作人员手持设备进行巡检，效率较低、漏检误检压力大，而且工作风险高。

伴随铁路事业迅速发展，机器人作为一种新的铁路轨道巡检方式，有效弥补了传统巡检手段的不足。轨道铁路巡检机器人一般搭载有光学摄像头、红外成像仪、雷达、温度、湿度、气体传感器和中控机等，具有图像采集、环境感知和信息传输等功能。

国际上，德国AUTENCH AG公司研制了能够在钢轨上自主行驶的机器人，通过对钢轨间距、平整度进行测量，反馈轨道安全信息；意大利LOCCIONI公司研制的巡检机器人可以以5 km/h速度对轨道尺寸进行测量。日本和韩国目前在隧道裂缝光学检测方面居于领先地位，日本研制的基于图像处理的隧道检测车，可以检测到最小宽度为0.2 mm的裂缝，并已成功投入应用；韩国研究者设计的移动平台机器人，优化了相机取景范围与测量精度，在移动巡检过程中可以始终保证画面的清晰度并测量裂缝长度、宽度与角度等。

我国20世纪90年代末期才开始对轨道巡检机器人开展系统研究，2010年后国内一些企业在相继推出了商用级产品。浙江国自机器人开发的挂轨式机器人，采用悬挂式轨道移动方式，可以在空中取得小遮挡、宽角度视场，适合狭小工作环境；合肥信同公司研制的轨道式巡检机器人，可以监控物体温度变化并动态分析预警，通过电力载波技术可以免去为机器人充电的过程；深圳朗驰欣创公司研制的管廊轨道式巡检机器人配备了高精度陀螺仪，能够绘制三维运行轨迹，搭载的传感器可以对管道表面进行检测；上海同岩科技研发的隧道检查车结合了相机和激光传感器，可以以60 km/h速度进行隧道表面缺陷检测。国内其他大学对光学手段检测隧道裂缝进行的研究也已经取得了一定突破。

铁路轨道巡检环境相对复杂，巡检设备需要具备极高的安全性和可靠性保障，完全避免机器人对线路运营安全的影响是推广应用的关键前提。模块化、高适应性的机器人是目前铁路轨道巡检机器人研究的一个方向，一方面，通过传感器模块化设计增加灵活性，实现不同的检测功能，适应不同的线路检测环境，避免搭载传感器冗余导致的续航问题。另一方面，高强度、高质量的底盘设计有助于提升机器人的鲁棒性和对恶劣工作环境的容忍性，保证运行的稳定。除此以外，基于自主驾驶、边缘计算、机器学习和车联网等技术的、更智能化的铁路轨道巡检机器人也是未来的发展趋势，随着关键技术的不断发展、应用和融合，现有产品不断的更迭和改进，铁路巡检机器人将拥有更广阔的应用前景。

2.3 机场跑道巡检机器人

机场跑道异物（foreign object debris，FOD）指的是在机场跑道区域内影响飞行器正常起降的异物，小到一颗螺钉，一粒碎石都可能对机场安全运行造成严重影响。目前国内FOD巡检主要依赖人工作业的方式，这种方式需要在夜间机场关闭的时候才能进行，容易出现跑道巡检不完整、漏检等问题，可靠性较差。国外部分机场采用了雷达监测系统，但需要预先布设雷达装置，同时雷达主动辐射的电磁信号也会有影响飞行器电磁环境的风险。

目前机场对巡检机器人的应用率还较低，主要是巡检性能与整体成本之间、续航性能与巡检效率之间的矛盾制约了大规模推广。重庆交通大学的郑浪提出了具备异物识别功能的跑道除障机器人设计，能够通过算法训练对常见道面异物进行识别和收集，但是受限于机器人功率和单一传感器功能，除障效率较低，移动精确度也有待提升；天津工业大学的张亮等人提出的模块化跑道巡检机器人，加装了通信系统和机械臂控制系统，通过WiFi与远程PC实现连接，机器人将实时巡检画面发送回PC机，PC机再发送指令实现机器人控制和异物收集。这种面向商用的机器人结构，提升了机器人的续航能力，但要求巡检区域完全覆盖WiFi信号，而且仍然依赖人工干预，智能化水平较低；南京理工大学郭健等人提出的巡检系统，包含一组三个功能不同的机器人和巡检轨道，不仅能够检测跑道异物和常见病害，同时还具有巡界功能，搭载的激光发射仪、驱鸟器能够击落无人机、热气球和驱赶鸟类，机器人采用视觉定位和GPS定位相结合的方式确定异物与机器人的相对位置。巡检系统能够覆盖机场对跑道、周界的简单巡检需求，但依然需要布设AP基站实现网络覆盖，同时机器人加载的传感器大多依靠视觉，难以深度分析跑道病害。

相比铁路、隧道、电力巡检环境，机场跑道较为平整空旷，环境复杂度较低，因此对巡检机器人底盘要求相对不高，需求主要集中在功能指标上。总结来看，机场跑道机器人应该具备：

（1）能够搭建高精度传感器工作环境，机场跑道除了可见的异物，还有很多病害是隐藏于跑道之下的，因此搭载探地雷达、线阵相机等设备十分必要。

（2）能够在多种天气环境下工作，跑道巡检工作一般集中在夜晚，仅依靠光学传感器无法获得较好的巡检效果。基于红外、雷达和超声等多种传感器的综合解决方案是保证巡检质量的前提。

（3）具备通过通信基站实现控制的能力，特别是随着5G技术的规模性推广商用，布设通信基站的经济性和实用性比布设AP基站的更高，机器人平台通过公网传输到后端PC机并实现交互是未来的趋势。

（4）具备更高的高续航能力，机场一次巡检的区域一般较大，因此对机器人续航能力是很大的考验。大容量电池电源会占据更大的空间体积，压缩传感器搭载环境。基于太阳能电池板的无线能量获取方法使机器人可以实现边工作边充电，是业界正在研究的高续航技术之一，但目前太阳能电池发电效率还太低，而且受天气影响较大。

综上，目前的巡检机器人很难完全满足机场跑道巡检的实际需求，但随着民航“十四五”规划对建设“智慧机场”的布局，相关政策的扶持和倾斜将可能让机场成为下一个巡检机器人规模性推广应用的市场。

3 巡检机器人关键技术

虽然不同应用领域对巡检机器人功能、性能上有不同侧重和要求，但差异性中也存在业界对新技术、新体制巡检机器人的普遍性关注。总结来看，巡检机器人有待突破的关键技术也是目前特种机器人研究领域的热点：

3.1 轻量化、高强度结构研究

当前巡航机器人大部分结构以结构钢、铝为主，存在体积大、笨重等问题，一定程度上影响了机器人负载能力和续航时间。伴随材料科学的蓬勃发展，复合材料已经成为替代传统结构材料的理想之选。以飞行器为例，空客A350上的复合材料占比高达53%，已经从最初的非承力构件变成了次承力甚至主承力构件，实现了减重增强的目的。轻量化机器人结构设计，有利于降低驱动负担，提高机器人负载能力与续航能力。

3.2 人工智能技术

当前巡检机器人仍然以远程人工操作为主，需要操作员发送指令协助机器人完成相关动作。人工智能技术的融合是机器人行业发展的趋势，也是巡检机器人智能化的关键指标。通过大量障碍物、异物、环境图片的训练，巡检机器人可以在工作过程中智能识别到障碍物并完成避障，识别到异物进行取样拍照上传，识别到入侵进行预警处理等功能，做到完全自主控制，实现巡检业务少人化、无人化。

3.3 多传感器融合技术

单一传感器很难适应所有巡检环境，因此巡检机器人搭载的传感器一般包括光学相机、毫米波雷达和超声波设备，其中光学设备容易受环境影响，尤其是在夜间或在能见度较低的情况下很难完成巡检任务，而雷达设备对异物监测不够直观，无法有效区分异物类型。基于多传感器融合技术的巡检机器人可以利用不同传感器数据互补对照，做到巡检常态化、全天化与可视化，是提高巡检性能和准确率的有效手段。

3.4 综合导航定位技术

目前部分巡检机器人已经具备按划分区域、划分路径巡检的能力，这需要机器人在巡检过程中能够实时得到自己的定位数据才能规划导航路线。常见的导航定位技术包括GPS定位导航、视觉导航等，对于电力巡检机器人来说，其工作环境分布有强电磁场，会对定位造成严重干扰，一般定位传感器不能正常工作，因此电力巡检机器人通过加装电磁传感器感应输电线路进行导航，但是需要安装的传感器数目较多，造成成本高等问题；视觉导航依靠灰度图像与热成像感知环境，对环境变换较为敏感。基于多种导航定位技术融合的综合导航定位技术是巡检机器人稳定正常工作的保证，也是实现无人巡检的基础。

3.5 续航技术

巡检机器人一般采用电池载荷供电，考虑到搭载的传感器设备与电池大小，续航时间都普遍短，无法满足长时间、高效率的工作需求。如何提升续航能力是业界普遍关注和迫切需要解决的问题，也是巡检机器人大规模推广应用的关键因素。无线能量获取是可行的途径之一，通过在机器人底盘布置线圈，在巡检道路上铺设充电装置，可以让机器人在巡检过程中补充电能，实现续航提升，但这种技术还不完全成熟，一方面是感应获取的充电功率较小，另一方面需要对地面进行改造，增加了推广成本，还需要进一步深入研究。

4 结语

随着新兴应用领域持续涌现，应用场景不断下沉，特种机器人市场规模增速稳定。巡检机器人作为其中一个重要组成部分，行业不再局限于本体的灵活度和自动化，而是对智能化、互联化提出了更高要求，技术创新也围绕人工智能、物联网等方向展开。随着我国特种机器人自主研发能力不断突破，电力巡检与铁路轨道巡检两大领域将有力支撑巡检机器人在其他行业的推广应用，通过共性需求研制标准化通用产品。机场作为下一个潜在的巡检机器人市场，目前还缺少系统性、整体性的产品出现，但相信随着“民航强国”战略的提出，不久的将来，机场也将出现巡检机器人的身影。