智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題探析

梁永強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)冀北秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

變電站作為電網(wǎng)的核心組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)對(duì)全社會(huì)的可靠供電。隨著特高壓變電站及無(wú)人值守變電站數(shù)量的增多，現(xiàn)有的運(yùn)維人員要保質(zhì)保量完成對(duì)所轄變電站的人工巡視已日趨困難。近年來(lái)，隨著國(guó)家電網(wǎng)公司的大力推廣，智能巡檢機(jī)器人在變電站中的應(yīng)用日益增多，其主要作用是替代人工完成無(wú)人值守變電站的日常巡視，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫、讀取表計(jì)數(shù)據(jù)、攝像、智能分析、缺陷管理、開(kāi)關(guān)狀態(tài)判別等功能［1］。相比于傳統(tǒng)的人工巡視，憑借其靈活的控制運(yùn)行方式、不受天氣因素影響等優(yōu)點(diǎn)，智能巡檢機(jī)器人正在電網(wǎng)快速發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越多、越來(lái)越大的作用。

在綜合分析當(dāng)前智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用案例，驗(yàn)證了其功能的可靠性、優(yōu)越性，探討了其存在的問(wèn)題，提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化解決策略。

1 巡檢機(jī)器人簡(jiǎn)介

智能巡檢機(jī)器人是一種基于可移動(dòng)感知執(zhí)行平臺(tái)，搭載多種傳感器，用于特定設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、操作及行業(yè)業(yè)務(wù)處理等定制服務(wù)的可編程多功能操作機(jī)。智能巡檢機(jī)器人類型主要有變電站巡檢機(jī)器人、廊道巡檢機(jī)器人、開(kāi)關(guān)室巡檢機(jī)器人等，其適用范圍覆蓋發(fā)電、輸電、變電、用電等各電力相關(guān)環(huán)節(jié)，應(yīng)用領(lǐng)域包括發(fā)電廠升壓站、輸電廊道、電網(wǎng)變電所、企業(yè)變電站、冶金整流室及解壓槽等［2］。

變電站智能巡檢機(jī)器人可以替代人工完成巡檢中遇到的繁、難、險(xiǎn)和重復(fù)性的工作。現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際的變電站巡檢機(jī)器人主要基于無(wú)軌化導(dǎo)航技術(shù)和四驅(qū)底盤，并集安全防護(hù)單元、底盤及驅(qū)動(dòng)單元、供電單元、主控單元、通訊單元、導(dǎo)航單元、拾音對(duì)講單元等模塊于一體。巡檢機(jī)器人具備無(wú)軌化、可調(diào)配、智能化、集群化、耐高寒與高溫、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以自主或遙控的方式，在無(wú)人值守的環(huán)境中替代人工執(zhí)行巡檢任務(wù)，實(shí)現(xiàn)例行巡檢、定點(diǎn)巡檢、遙控巡檢、高清可見(jiàn)光與紅外實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、變壓器和電抗器噪聲監(jiān)測(cè)、SF6泄露檢測(cè)、紅外測(cè)溫與故障報(bào)警、可見(jiàn)光圖像智能判別、巡檢報(bào)表分析與歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

巡檢機(jī)器人主體一般由激光傳感器、云臺(tái)，高清攝像頭、紅外熱像儀、超聲傳感器、控制機(jī)箱、安全停障模塊、底盤模塊等核心設(shè)備和其他輔助設(shè)備組成。幾乎所有的智能巡檢機(jī)器人都配備四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的底盤，以便實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎等功能，具備較強(qiáng)的路況適應(yīng)能力，在特殊復(fù)雜環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)無(wú)死角檢測(cè)。激光傳感器用于機(jī)器人掃描周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位。云臺(tái)用于控制高清攝像頭與紅外熱像儀在巡檢過(guò)程中的拍攝角度［3］。可見(jiàn)光攝像儀可實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地拍攝被巡視或檢測(cè)設(shè)備圖像或視頻。紅外熱像儀則可獲取設(shè)備精確的紅外熱像圖，用于提前發(fā)現(xiàn)異常情況，避免故障擴(kuò)大和加重。超聲傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)高位以及低矮障礙物的識(shí)別［4］，遠(yuǎn)距離超聲停障和近距離碰撞停障感應(yīng)裝置，用于確保機(jī)器人在巡檢過(guò)程中，不因撞擊障礙物而受到傷害。自主充電裝置用于機(jī)器人自主充電，可實(shí)現(xiàn)出庫(kù)巡檢，進(jìn)庫(kù)充電全程無(wú)需人工參與。基于本地監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與微氣象站的數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)獲取變電站戶外環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)速及降水等信息，通過(guò)系統(tǒng)針對(duì)不同天氣環(huán)境對(duì)巡檢機(jī)器人的外部輔助硬件進(jìn)行配置，提高巡檢機(jī)器人的任務(wù)適應(yīng)性能。

2 變電站巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

從國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 （以下簡(jiǎn)稱“山東電科院”）和山東魯能智能技術(shù)有限公司1999年最早開(kāi)始研究變電站巡檢機(jī)器人到2004年第一臺(tái)功能樣機(jī)實(shí)現(xiàn)［5］，國(guó)內(nèi)巡檢機(jī)器人開(kāi)始了艱難的起步階段，此后十余年間，巡檢機(jī)器人從技術(shù)到應(yīng)用，得到了迅猛的發(fā)展。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的變電站巡檢機(jī)器人主要有無(wú)軌機(jī)器人和有軌機(jī)器人兩種類型，其中無(wú)軌機(jī)器人占據(jù)應(yīng)用總量的一半以上，主要用于室外。山東電科院和山東魯能智能技術(shù)有限公司自主研發(fā)的變電站智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在1 000 kV電壓等級(jí)變電站實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行，解決了續(xù)航問(wèn)題對(duì)超大規(guī)模變電站巡視的制約、特高壓下惡劣的電磁環(huán)境對(duì)機(jī)器人通信的影響等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的軌道式變電站巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了冬季下雪、冰掛等情況下的全天候巡檢，彌補(bǔ)了基于四驅(qū)底盤的無(wú)軌機(jī)器人無(wú)法在冰雪天氣正常運(yùn)行的巡視情況［2］。國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司聯(lián)合研發(fā)的戶內(nèi)多維軌道式電力智能巡檢機(jī)器人，解決了變電站設(shè)備立體化空間不規(guī)則布局限制和強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的巡檢技術(shù)難題［6］。變電站巡檢機(jī)器人已在山東、河南、江蘇等9個(gè)省近百座變電站及5座換流站推廣應(yīng)用。

3 巡檢機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的不足

3.1 表計(jì)數(shù)據(jù)讀取

圖1 表計(jì)污穢

圖2 對(duì)焦失敗

巡檢機(jī)器人都裝備有可變焦的高清攝像頭，按照設(shè)計(jì)設(shè)想，其在表計(jì)數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)要遠(yuǎn)大于人工巡視時(shí)的運(yùn)維人員目視。在站內(nèi)一些表計(jì)安裝位置高度過(guò)高，人工目視已無(wú)法看清表計(jì)中的指針、數(shù)字等內(nèi)容，傳統(tǒng)巡視遇到此種情況時(shí)則是借助望遠(yuǎn)鏡觀察，而智能巡檢機(jī)器人的變焦攝像頭不僅可幾倍距離的拉近表計(jì)界面，省時(shí)省力，且可以保存表計(jì)界面為圖片形式供事后分析。然而，實(shí)際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)勢(shì)并不能完全發(fā)揮出來(lái)，主要表現(xiàn)在當(dāng)站內(nèi)高壓表計(jì)表面或者巡檢機(jī)器人本身攝像頭因空氣中的污穢雜質(zhì)積累而變臟時(shí)，攝像頭則根本無(wú)法獲取到清楚的表計(jì)圖像如圖1所示，另外攝像頭也存在對(duì)焦失敗的情況，如圖2所示。對(duì)于巡檢機(jī)器人本身攝像頭表面污染的問(wèn)題，可在后續(xù)改進(jìn)中加裝類似汽車雨刮的自清潔裝置以妥善解決。而對(duì)于表記污穢的現(xiàn)象，非巡檢機(jī)器人本身問(wèn)題，目前只有借助電網(wǎng)設(shè)備每次停電檢修期間通過(guò)人工清掃得以解決。對(duì)焦失敗則是攝像頭本身算法或所采用的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)所致，建議配置為主動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦方式的攝像頭，結(jié)合紅外測(cè)距和超聲測(cè)距對(duì)焦方法及基于圖像處理對(duì)焦方式的優(yōu)點(diǎn)，可大幅減少對(duì)焦失敗情況的發(fā)生。當(dāng)前巡檢機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用在巡檢系統(tǒng)的智能化及巡檢功能的多樣化方面研究探索較多，但是在硬件方面疏于使用更為先進(jìn)的前沿技術(shù)。高性能的硬件設(shè)備更有利于巡檢機(jī)器人先進(jìn)功能的發(fā)揮。

3.2 紅外測(cè)溫

在紅外測(cè)溫過(guò)程中，站內(nèi)設(shè)備布置復(fù)雜交錯(cuò)，巡檢機(jī)器人受制于系統(tǒng)中設(shè)計(jì)好的固定的巡視路徑、定位點(diǎn)及實(shí)際場(chǎng)地中可行進(jìn)通道的限制，無(wú)法像人工巡視那樣靈活的從360°各個(gè)方向?qū)Ρ葴y(cè)溫發(fā)現(xiàn)設(shè)備的最高溫度及制熱點(diǎn)，且存在對(duì)位不準(zhǔn)確的情況，因此獲取的溫度信息與實(shí)際偏差過(guò)大，甚至錯(cuò)誤，如圖3~5所示。對(duì)于對(duì)位失準(zhǔn)的問(wèn)題可以通過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化及增加距離監(jiān)測(cè)單元解決，距離監(jiān)測(cè)單元的作用是確定被測(cè)設(shè)備與巡檢機(jī)器人的合理距離，在系統(tǒng)中設(shè)定某一合理距離內(nèi)的設(shè)備才被紅外攝像頭所選定，從而有效避免類似案例中錯(cuò)誤選定太陽(yáng)等非正常范圍內(nèi)的物體來(lái)進(jìn)行測(cè)溫的情況發(fā)生。但是要實(shí)現(xiàn)像人工巡視時(shí)的全角度對(duì)比測(cè)溫，因涉及變電站內(nèi)道路分布、巡檢機(jī)器人自身高度、電池續(xù)航時(shí)間等因素，顯然在機(jī)器人巡檢監(jiān)控系統(tǒng)軟件層面是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此紅外測(cè)溫功能在現(xiàn)有技術(shù)階段無(wú)法代替精確測(cè)溫。只能作為大面積普遍測(cè)溫的一種途徑。

圖3 復(fù)雜背景紅外圖

圖4 對(duì)位錯(cuò)誤可見(jiàn)光圖

圖5 對(duì)位錯(cuò)誤紅外圖

3.3 自主充電及巡視路徑

借助于遠(yuǎn)距離超聲停障和近距離碰撞停障障礙物感應(yīng)裝置，可以確保機(jī)器人在巡檢過(guò)程中，不因撞擊障礙物而受到損壞。這項(xiàng)本為保護(hù)巡檢機(jī)器人本身安全的設(shè)置卻在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)出現(xiàn)水土不服的情況。變電站站內(nèi)有硬化地面和草坪覆蓋兩種情況，在草坪覆蓋的變電站區(qū)域內(nèi)巡視時(shí)，巡檢通道兩側(cè)伸展出的個(gè)別雜草也會(huì)讓巡檢機(jī)器人裝備的障礙物感應(yīng)裝置探測(cè)到從而導(dǎo)致機(jī)器人停止行進(jìn)，當(dāng)運(yùn)維人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施時(shí)，機(jī)器人將會(huì)停在原有位置直至電池電量耗盡，待運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)時(shí)則還需將其人工運(yùn)往充電處，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加工作量。另外，巡檢機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)定位偏差從而使其偏離正常巡檢通道運(yùn)行，造成撞擊站內(nèi)設(shè)施，如圖6所示。當(dāng)機(jī)器人因定位誤差偏離預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行路線后，其將無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前位置和運(yùn)行路線的正確計(jì)算與修正，此種情況出現(xiàn)時(shí)機(jī)器人將非常容易撞擊站內(nèi)設(shè)施并導(dǎo)致其停止運(yùn)行，結(jié)果同樣是電力耗盡需人工處理。自主充電裝置用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主充電，可實(shí)現(xiàn)出庫(kù)巡檢，進(jìn)庫(kù)充電全程無(wú)需人工參與，但當(dāng)上述機(jī)器人因定位誤差偏離預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行軌跡的問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)則同步引起自主充電的失敗，常見(jiàn)的兩種情況是機(jī)器人到達(dá)充電樁位置時(shí)不能準(zhǔn)確停止，仍然繼續(xù)前進(jìn)直至越過(guò)充電樁碰撞至墻面或者未到達(dá)充電樁便已停止行進(jìn)，這兩種現(xiàn)象均將導(dǎo)致無(wú)法完成自主充電。對(duì)于上述問(wèn)題可在障礙物感應(yīng)裝置、自主充電裝置、無(wú)線通信、激光定位的基礎(chǔ)上增加可見(jiàn)光攝像頭智能識(shí)別周圍實(shí)際環(huán)境，將巡檢機(jī)器人運(yùn)行范圍內(nèi)高度低于2 m的實(shí)際物體拍攝成像，借助圖像識(shí)別技術(shù)通過(guò)與預(yù)先內(nèi)置的周圍環(huán)境信息進(jìn)行比對(duì)，從而準(zhǔn)確地判別當(dāng)前位置及行進(jìn)方向。

圖6 定位偏差圖

4 結(jié)語(yǔ)

智能巡檢機(jī)器人在功能設(shè)計(jì)上已比較全面，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在較多不足和制約。依托工程實(shí)際應(yīng)用案例，主要分析了基于無(wú)軌化運(yùn)行類巡檢機(jī)器人在表計(jì)讀取、紅外測(cè)溫、路徑安全、自主充電等方面的現(xiàn)狀，在對(duì)比優(yōu)越性的同時(shí)發(fā)現(xiàn)了存在的不足或者缺陷。基于電網(wǎng)公司內(nèi)巡檢機(jī)器人應(yīng)用的現(xiàn)狀，所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題具有普適性和針對(duì)性，同時(shí)也為科研及制造單位后續(xù)的改進(jìn)完善提供建議。

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