變電站巡檢機器人關鍵技術分析

楊思捷

摘 要：文章對變電站巡檢機器人關鍵技術進行了分析。變電站巡檢機器人作為智能電網發展的重要組成部分，對于推廣無人值守變電站、規范變電站的巡檢模式、提高巡檢效率等方面具有重要作用。配合紅外熱像儀、可見光相機、導航、驅動模塊等，對變電站設備進行檢測，對潛在的風險進行預警。巡檢機器人的應用，提高了變電站的安全性、穩定性和可靠性。

關鍵詞：變電站；巡檢機器人；導航；圖像識別

隨著社會的發展和經濟水平的不斷提高，國家對于電力的需求也日益增加。變電站作為電力傳輸的樞紐環節，起著至關重要的作用。傳統變電站采用人工檢測模式，檢測員值守變電站，負責日常的檢測與維護工作。這一模式存在著很多主觀問題，例如人員巡檢效率低、巡檢規則不統一、檢測準確率存在差異并且無法檢測出設備潛在的風險等。另外，人工檢測還受許多客觀因素的制約，例如惡劣天氣的影響，偏遠地帶變電站實現長期監管維護需要耗費大量的人力財力造成資源的浪費，并且工作人員的人身安全可能也會受到環境因素的威脅。這些因素都會影響變電站的工作效率，造成電力傳輸的中斷影響供電，影響人們的日程生活工作。因此，為了保證變電站的安全運營，變電站智能巡檢機器人[1-2]的出現成了一個理想的解決方案。相較于人工排查，智能機器人擁有更規范的排查機制，收集到的數據更加可靠精確，反饋更加及時，同時，機器人也可以探測到設備存在的潛在安全隱患，并且可以應對各種惡劣的天氣。機器人節省了人力，提高了巡檢效率，也保障了從業人員的人身安全。所以，變電站智能巡檢機器人的推廣普及對變電站的安全運行具有非常重要的意義。

1 變電站巡檢機器人概述

變電站智能巡檢機器人應用于變電站的室外巡檢，無軌化的導航定位裝置使得機器人可以清楚地進行路徑的規劃并自由行動在變電站道路上，配合紅外測溫、智能讀表以及圖像識別等技術輕松地對變電站設備進行常規的檢測[3]，并將采集到的圖像、視頻信息和溫度、濕度、氣壓等數據實時傳輸到遠方平臺，實現實時的遠端監控。

2 關鍵技術分析

2.1 行走機構

應用于變電站移動巡檢機器人的行走機構主要可以分為3類：輪式行走機構、履帶式機構和固定軌道式機構。其中輪式機構在變電站巡檢機器人的使用中最為廣泛。

2.1.1 輪式行走機構

輪式行走機構的移動性、靈活性較強。具有在狹小空間范圍內的行走、轉向的能力。現有的輪式移動機器人主要分為兩輪和四輪驅動。相較于兩輪驅動，四輪驅動的穩定性、驅動能力和轉彎靈活性優于兩驅設計。但其機械結構相對復雜且需要較大的設計空間。輪式移動機構的移動依賴于變電站內相對平坦的地面，對于變電站內顛簸不平整的石子路面的適應性低，巡檢效率會受到一定程度的影響。

2.1.2 履帶式行走機構

對復雜路況的適應性強，具有一定的翻越障礙、爬坡能力。但其機械結構復雜，體積較大，靈活性低，不適用于變電站內狹窄路面通行。

2.1.3 固定軌道式機構

機器人通過固定軌道的方式進行移動。這種移動方式確保了機器人可以在預先設定的檢測路徑上通行，并且移動精度較高，易于控制。但是單一的導軌路徑限制了機器人巡檢的靈活性。此種軌道式移動機器人目前主要應用于變電站室內屏柜的檢測。

2.2 導航技術

2.2.1 磁軌導航

磁軌導航系統[4]具有良好的穩定性，它很少會受到外界環境因素的影響。按照預設的運行軌跡將磁性材料預埋在地下，機器人通過傳感器探測磁力塊信息，不斷監測行進間偏移的位置。行進間通過射頻識別（Radio Frequency Identification Devices，RFID）雷達監測預埋的標簽，在相應位置執行不同的操作，如停車、轉向等。但磁導航方式需要對軌道進行定期的維護，并且在一定程度上限制了機器人的活動范圍，且機器人不能夠自主地躲避障礙。

2.2.2 SLAM導航

同時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM），是一種未知地圖導航技術，也是目前巡檢機器人較為流行的導航技術。機器人通過傳感器采集到的信息，在不斷計算自身位置的同時構建周邊環境地圖。基于不同的傳感器實現SLAM導航，有著不同的差異。目前主流的兩種SLAM導航分別是基于激光雷達的激光SLAM和基于視覺的VSLAM（Visual SLAM）。激光SLAM應用時間早于VSLAM，有著成熟的理論依據，并且在應用上也十分穩定成熟，可在強光照射下運行。激光雷達測距準確，其導航精度可達到厘米級。但是激光雷達的探測范圍有限且價格十分昂貴。VSLAM通過攝像頭采集數據，使用成本較低，通過三角測距的方法測算距離，雖然精度不如激光SLAM，但可以充分利用其收集到的紋理信息，這使得其在重定位和場景分類上有著優異的表現。但其受光照因素制約很大，在光線昏暗處（無紋理處）無法正常工作。

2.3 圖像識別

圖像識別作為巡檢機器人的重要技術之一，決定了監測設備的準確性，其實現方法也是機器人設計環節重點考慮的因素之一。基于機器人的云臺雙目視覺系統，利用紅外和可見光呈像相機拍攝采集紅外圖像、儀表指針數據、斷路器開關位置等信息，對采集到的圖像文件進行處理，與前一次的采集數據進行匹配對比，累計圖像分析、紋理判斷等對設備是否出現異常作出判斷。可利用尺度不變特征變換、霍夫變換等算法的研究實現開關位置識別等問題。基于深度學習的圖片識別算法實現圖像分類、圖像分割、物體檢測等。算法的優化是圖片識別的核心問題。

3 發展趨勢

變電站巡檢機器人未來發展重點將會集中在以下幾個方面。

（1）小型化、輕量化：目前機器人在變電站巡檢道路上因體積較大引起的移動或轉向不靈活，影響探測效率。小型化的機器人本體設計已經成為一個趨勢，國內一些公司和研究機構已經率先開發了幾款小型的巡檢機器人。機器人擁有小型化的本體，減輕了自身的重量，功耗降低，機動性增強，具有更加良好的環境適應能力，同時也節約了研發的成本。

（2）激光和視覺SLAM導航相結合，各取其優勢處，在弱光環境下使用激光SLAM進行輔助，同時VSLAM在強光范圍獲取豐富的紋理信息為激光SLAM提供點云匹配。

（3）不停車巡檢：目前機器人的巡檢過程為停車巡檢，其一般需要以下幾個步驟。走到預位置，調整攝像頭位置進行數據采集，采集完成后走到下一位置。這一個過程無疑在整個變電站設備巡檢中浪費了大量的停車采集圖像的時間。若要不停車巡檢，則需解決巡檢機器人行進過程中因云臺抖動造成目標圖像失真模糊、障礙物難以捕捉等問題。這一改進方法具體解決方案可以通過改進圖像識別算法的研究以及增加車輛本體避震結構的設計來減小車輛移動、震動對圖像攝取的影響。

4 結語

變電站智能巡檢機器人是機電一體化、導航定位技術、圖像識別技術、多傳感器融合等技術的產物，其相關技術的開發和創新是電力發展的基礎，機器人巡檢是未來變電站巡檢的必然趨勢。文章對巡檢機器人的主要功能及技術進行了討論，并結合其相關特點，對未來的發展趨勢進行了展望。

[參考文獻]

[1]MASAFUMI N.Development of a patrolling and inspection robot at 500 kV transformer substation[J].R&D News Kansai，1999（386）：13-15.

[2]DAI X.A Special report on Chinas advanced robotics R&D programme， inspection and maintain robots of high-voltage transmission and distribution[J].International Advanced Robotics Programme（IARP），2004（5）：1-8.

[3]ZHOU L H，ZHANG Y S，SUN Y，et al.Development and application of equipment inspection robot for smart substations[J].Automation of Electric Power Systems，2011（19）：85-88，96.

[4]GUO R，LI B，SUN Y，et al.A patrol robot for electric power substation[C].Beijing：the International Conference on Mechatronics and Automation（ICMA），2009：55-59.