智能巡检机器人应用现状及问题探析

李 密，林 旭，陈佳期，曾远强，卢雨畋

（福建省海峡智汇科技有限公司，福建 厦门 361000）

随着经济的发展与科学技术的不断进步，现在已经是一个智能化的大数据时代。人工智能技术就是顺应时代的发展所产生的技术，并在当前的环境背景之下得到了良好的发展。与此同时，人工智能也成了人们倍加关注的行业，这项技术已经不像十几年前那样只是存在于电影中的技术了，其已经变为了现实，可能还达不到电影中那么智能，但已经是实实在在地影响到了大众的生活，改善了大众的生活。尤其在变电站的检查与维护方面更是得到了极大的发展，为了保障整个电网的正常运行需要对电路进行日常的巡检与维护，而电网的巡检工作所包含的工作强度是非常大的，对此国家电网开始研发智能巡检机器人来用于电网的巡检维护工作中，保障电网的正常运行。

1 智能巡检机器人概述

随着国家电网的不断发展，我国的电力建设已经基本覆盖了所有用电需求的地区，为了满足人民的基本用电需求，国家电网可以说是一直在不计成本地进行电路的铺设，虽然基本的电网结构已经铺设完成，可是电网后期的巡检维护工作依旧是一项艰巨的任务。尤其是一些电路铺设的地区较为偏僻，这就提高了电网巡检与维修的难度，而从事电力巡检工作的人员无法满足现在的电网巡检的各种需求，并且电网的巡检对于工作人员的专业素养要求较高，这就使得电网巡检工作难以开展。国家电网为了解决这一问题开始了对智能巡检机器人的研发与探索，现在已经初具成效。用通俗的语言来讲，智能巡检机器人其实就是一个搭载着多种传感设备，能够通过遥控或是自主进行移动的机器。智能巡检机器人就是用来巡视检测特定的设备运行状态及对行业业务进行处理等所制定的可以编程遥控的机器。国家电网为了满足不同工作的需求，设计研发了多种智能巡检机器人，其中有变电站巡检机器人、地面巡检机器人和线路巡检机器人等，这些机器人的工作职能就是协助或代替电力工作人员进行发电、输电、验电和维修等一系列相关的电力工作，具体的应用领域有变电站、发电厂、输电廊道、工厂变电站及解压槽等用电或发电场所。其中，变电站智能巡检机器人的主要作用就是代替工作人员完成并解决巡检工作过程中所遇到的困难、危险、烦琐及重复性的工作。该技术已经得到了较好的发展，在实际的工作过程中已经得到了广泛应用，而用于变电站中进行巡检工作的智能机器人，所运用的技术包括卫星导航定位技术等，同时智能巡视机器人还具有安全防护单元、导航定位单元、控制单元、动力单元和通信单元等一系列的机器模块。国家电网研发的智能巡检机器人具有极高的智能化，同时还兼具对恶劣环境的适应能力及长时间工作续航的能力，这些都是为了使得智能巡检机器人可以代替电网工作人员对电路进行巡检工作，降低电网工作人员的工作强度，同时保障电网的正常运行，满足人民日常生活对用电的需求。智能巡检机器人的机身搭载了各种传感设备，其中包括高清摄像头、红外热像仪和超声传感器等一系列核心传感设备及其他的一些具有辅助功能的模块。大多数的智能巡检机器人都采用的是四轮驱动模式，这是为了方便机器人的快速移动，同时巡检机器人还具有较强的环境适应能力，可以在较为崎岖的地方开展巡检，还可以对周围的环境进行360°无死角的检测，保证了巡检工作的质量。智能巡检机器人还可以对外界的环境进行扫描分析，并将分析得出的结果上传到主机中，巡检机器人可以对周围的天气情况、温度和湿度等环境情况进行分析，同时其还具有自主充电的能力，这是为防止机器人出现因没有充足的电源而无法长距离的电流巡检工作的情况。

2 变电站巡检机器人应用现状

我国对于智能巡检机器人的研发最早是在1999年，由国网山东省电力公司电力科学研究院及山东鲁能智能技术有限公司联合研发，从研究到第1台变电站智能巡检机器人的问世花费了5年的时间，这主要是因为国内对于相关技术的研究比较缺乏，才使得这项工作进行得如此艰难。经过这5年对该技术的研发与投入，为这项技术的发展打下了坚实的基础，在后来的发展过程中，变电站智能巡检机器人的研发技术一路突破，使得该技术逐渐走向了成熟，同时对于智能巡检机器人种类的研发也多了起来，极大地促进了智能巡检机器人技术的发展。现如今，我国常用的变电站智能巡检机器人主要分为2种：一种是无轨运行机器人，另一种则是有轨运行机器人。其中无轨运行机器人的应用更为广泛，对于此类机器人的应用大约占了全部机器人应用的一半以上，主要的原因是无轨运行的机器人对于野外的环境适应能力更强，且变电站的巡检工作大多都位于野外。随着对于变电站智能巡检机器人技术研发的深入，山东电科院和山东鲁能智能技术有限公司开始尝试对智能巡检机器人的巡检系统在1 000 kV的电压下实现稳定的工作进行自主研究，经过刻苦努力的研究最终研发成功。对于这一技术的研究与使用是为了满足智能巡检机器人对于超大规模的变电站的巡检及解决高压环境下电压对于智能巡检机器人工作的影响等一系列的问题，逐渐地满足了变电站的基本巡检需求。除此之外，由中科院沈阳自动化研究所研制的轨道型变电站智能巡检机器人，能够在一些极端恶劣的环境下进行巡检工作，比如在严寒、狂风和冰霜等极端恶劣的天气环境下进行外出作业，填补了变电站智能巡检机器人无法在冰雪天在外进行巡检工作的空白。还有其他的电力企业研发了新型的智能巡检机器人，解决了巡检工作中对变电站设备立体化空间不规则布局的限制及强电磁干扰环境下的巡检技术难题。目前变电站智能巡检机器人已经在我国辽宁、宁夏和河北等9个省（自治区）及近百座的变电站中投入使用，并且这一技术还在不断推广的过程中。

3 巡航机器人在使用中存在的问题和不足

3.1 测温技术与计数表数据读取

虽然变电站智能巡检机器人得到了良好的发展，可是现阶段还存在着一些问题。在变电站智能巡检机器人对变电站进行巡检时，需要在变电站的内部进行温度测量，而由于变电站内部的设备较多且线路连接较为复杂，这就给智能巡检机器人测温工作的开展增加了难度。智能巡检机器人需要在变电站复杂的设备布置中进行温度的检测，而复杂的布置就需要智能巡检机器人对路径作出判断，进而导致智能巡检机器人无法像工作人员那样对变电站中各个方向的设备进行测温。这就使得智能巡检机器人所测得的变电站温度数据与实际的温度相差过大。对于智能巡检机器人在巡检过程中所遇到的问题能够找到解决的方法，例如可以对测量时对距离检测单元进行优化，简单来讲就是控制好智能巡检机器人与需要检测的设备的距离，这是因为智能巡检机器人上所搭载的红外摄像头只能在一定的范围内对检测目标进行选定，在选定后再对这一设备进行测温。因此，智能巡检机器人在对设备测温过程中会因为对位问题出现测温不准确的情况，针对这一情况就可以通过距离检测单元进行解决，这样就能够避免巡检机器人出现设备测温不准的问题。但是对于智能巡检机器人在对设备进行测温时存在的问题仍然没有全部解决，由于技术上的限制，智能巡检机器人依然无法做到像电力工作人员那样对于设备进行360°无死角的温度检测，此外变电站中除了拥有大量的设备外，其中的线路分布也是错综复杂，同时气候的变化及智能巡检机器人自身的巡检问题都会对测温工作产生影响。因此，现阶段我国应用的智能巡检机器人上搭载的红外测温技术只能对设备进行简单的温度测量，目前还无法达到对设备的温度进行精确的测量。当然除了测温问题外还具有其他的问题，如计数表数据读取。在前面的文章中提到了巡检机器人还搭载着高清摄像头，而搭载高清摄像头作业就是为了方便对计数表中的数据进行读取，因为不同的地区电力设备的建设情况不同，而工作人员对于一些处在高处的计数表进行读数是比较困难的，但是利用搭载着高清摄像头的智能巡检机器人进行数据的读取就简单得多，智能巡检机器人可以通过摄像头的对焦从而清楚地观测数据，然后再将计数表内所记录的数据读取出来，最后再将读取的数据上传回主机进行储存。这是智能巡检机器人研发时研发人员所预计的效果，可在智能巡检机器人进行实际的计数表数据读取时，就会发现由于大量的高压电表都是位于室外，高压电表被大量的灰尘所遮挡，这就使得智能巡检机器人虽然能够清楚地看到高压电表，但由于灰尘的遮挡无法对计数表中的数据进行读取。再有就是智能巡检机器人在野外进行巡检工作时身上所搭载的高清摄像头难免会粘到一些灰尘，这就会影响到智能巡检机器人对于计数表数据的读取，对于这种情况相关人员进行了一定程度上的改进，在高清摄像头前加上一个镜头清洁装置，外形和汽车上所使用的雨刮器相差无几，这样就解决了智能巡检机器人自身受到灰尘影响的问题，但是对于野外高处的电表的灰尘问题，目前只能是由电力工作人员亲自进行处理。有时智能巡检机器人也会因为自身摄像头的对焦问题而无法准确地对计数表中的数据进行读取，对于这一问题只能通过对摄像头的对焦技术进行研发改良来解决。除此之外，还可以借助一些其他的技术对智能巡检机器人的功能进行补充，智能巡检机器人未来的发展趋势是会逐渐走向更加智能、功能适用更加广泛的局面。

3.2 自主充电及路径不足

变电站智能巡检机器人在进行巡检工作时需要进行独立的作业，也就是智能巡检机器人需要移动完成对变电站的巡检工作。而大多数在户外工作的智能巡检机器人都是无轨型的，这类智能巡检机器人身上搭载着超声波感应器及距离碰撞感应装置，这是为了保障智能巡检机器人在工作中不会因为发生碰撞而对机器造成损坏。然而在实际的应用当中，却发现这一技术还是存在较大的问题，当智能巡检机器人在变电站内进行巡检工作时，智能巡检机器人会因路上的野草而发出障碍警示，从而使得智能巡检机器人停止前进，如果工作人员没有及时地发现并解决这一问题，那么机器人就会一直在该位置上停留，直到电池中的电量耗尽为止。当智能巡检机器人的能量耗尽时只能等待工作人员将其发现并运走进行充电，而智能这一过程常常会费时费力，并且如果工作人员不能够及时发现的话，有可能会使机器发生损坏。除此之外，当智能巡检机器人的巡检路线出现偏差时，无法依靠自身对路线进行更正，会一直根据错误的路线智能巡检下去，直到被工作人员发现或是电量耗尽为止。而对于智能巡检机器人的自主充电问题，已经通过对自主充电设备的研发进行了解决，实现了充电全过程不需要工作人员进行干预的目标，但是由于路径的问题，一旦智能巡检机器人发生障碍物碰撞停止或巡检的路径发生偏差，那么巡检机器人就无法回到事先设置的自主充电设备当中，从而无法实现智能巡检机器人的自主充电。其实智能巡检机器人自主充电的问题不是对自主充电设备的研发不够完善，最根本的问题还是出在智能巡检机器人的路径当中。因此，想要解决自主充电问题就必须先解决路径问题。

3.3 导航方式与转向方面的问题

在智能巡检机器人中搭载导航单元，在导航单元中有GPS、电磁导航和超声导航等导航技术。电磁导航就是借助地面上所铺设的磁轨道对智能巡检机器人进行引导，还要在需要进行停止的地方预埋射频识别技术（RFID），运用这一导航技术，当巡智能检机器人发生路径偏差时，就可以通过左右车轮的转速不同对智能巡检机器人自身的运行方向进行调节，从而让其回到正确的位置。同时这项导航技术还存在着明显的缺陷，不仅需要提前预埋大量的磁轨道，还限制了智能巡检机器人的运行速度，这就大大降低了智能巡检机器人的工作效率。再有就是GPS导航系统，这一系统是通过卫星定位来实现的，通过GPS基准台对被测点进行计算测量，得到准确的路径后再开始进行巡检工作。该技术也存在着较大的缺陷，首先，对于这一技术的应用，前期需要投入的资金较大，成本过高；其次，这一技术容易受到高压电磁的影响，从而使得GPS定位信号不稳定，导航信息发生错误。

4 智能巡航机器人在使用中的优化措施

4.1 机器人与监控数据采集系统联动

为了促进电力巡检工作的良好进行，需要对现有的智能巡检机器人的功能进行优化。为了实现智能巡检机器人能对计数表中的数据进行采集，可以将智能巡检机器人的系统与计数表的系统进行连接，从而实现机器人与监控数据系统之间的联系。通过对这项技术进行改进，提高智能巡检机器人的辨识水平及准确率，当需要对电表中的数据进行读取时，就不再需要使用高清的摄像头进行分辨读取了，只需要对特定的电表标号进行查询就可以得到该电表中的数据信息，这样的做法更加快捷高效。再有就是加强对智能巡检机器人视觉能力的提升，增强智能巡检机器人对于周围设备的辨别与锁定功能。针对压力表、温度表、数显表电气开关和阀门状态等示值和位置的数据信息，后台系统进行自动分析和处理。例如，可以自动识别仪表数字表、圆形表读数，识别各类开关的状态，对罐体、容器和管道进行外观变形对比判别。同时，还可以自动记录生成历史数据。当经计算判断出巡检数据超出阈值时，后台系统自动发出报警信号，并实时拍照和录像至后台，方便运行人员随时调用查看。

4.2 智能巡检机器人充电优化

想要对智能巡检机器人的自主充电功能进行优化，首先就要对智能巡检机器人的路径问题进行及时解决，对于智能巡检机器人的路径缺陷问题可以通过增强机器人视觉传感功能来进行解决，当视觉传感功能得到增强后就可以让智能巡检机器人来辨别遇到的障碍物，再通过改变行驶方向进行躲避，这样一来就能解决智能巡检机器人的路径选择问题了。变电站智能巡检机器人的自主充电设备已经可以投入到日常工作中了，为了进一步加强智能巡检机器人自主充电设备的完善，通过应用多种充电模式组合的方式来保证智能巡检机器人的自主充电。智能巡检机器人搭载1个太阳能充电设备，有固定的智能巡检机器人自主充电桩进行联合使用，这样一来当智能巡检机器人在未到达充电桩，而电量快耗尽时，就可以通过太阳能充电设备进行充电，当电量耗尽时就不用再等待工作人员进行搬运充电了。

4.3 选择激光传感和驱动方式

对于智能巡检机器人的导航模式采用激光传感技术。激光反射光导航是利用激光扫描周边环境，并通过计算反射光的接收时间来推算物体与机器人之间的距离，从而实现导航定位，其优点是平行性好、距离分辨率高。在驱动方式上可以将不同的驱动方式进行组合，进而克服不同驱动方式的短板，使不同的驱动方式之间优势互补。比如可以将轮式与履带式这2种不同的驱动方式进行组合，就会既有轮式驱动结构的特点又有履带式驱动结构的特点，这样就可以针对不同的地形进行驱动方式的转换，在平坦的地方可以使用轮式驱动，这样可以加快运行速度；在崎岖的地方使用履带式驱动，这样就能够在崎岖的地方平稳地前进，进而提高智能巡检机器人的工作效率。

5 结束语

综上所述，现阶段对变电站智能巡检机器人功能的研发已经比较全面了，根据智能巡检机器人在实际应用的情况来看，现阶段应该将巡检机器人的研发方向重心转移到智能巡检机器人所出现的问题的解决上。总的来讲，我国的智能巡检机器人的研发与使用情况还是不错的，要继续加强对智能巡检机器人的研发投入力度，这对我国未来电力企业的发展十分重要。