王恩陽(yáng)

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇常州 213022)

我國(guó)目前正從勞動(dòng)密集型向現(xiàn)代化制造業(yè)方向發(fā)展,振興制造業(yè)、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要任務(wù)。伴隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提高,以及生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步,無(wú)人化,機(jī)械化,自動(dòng)化的概念被更多的提出,成為了勢(shì)不可擋的發(fā)展新理念。本文所述的電纜巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)正是向著這一方向邁進(jìn)。

1 電纜巡線機(jī)器人的發(fā)展

1.1 相關(guān)研究背景

電力系統(tǒng)安全對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著無(wú)可替代的作用,電力線路的安全更是成為了重中之重,為了保證設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),需要定期對(duì)電力線路進(jìn)行巡查和維護(hù)。

傳統(tǒng)變電站監(jiān)控和巡視主要通過人工方式,通過人的感官對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單定性判斷,主要通過看、觸、聽等方法實(shí)現(xiàn);架空高壓輸電線路多以人工巡檢或者無(wú)人機(jī)巡檢為主,但是人工巡檢與無(wú)人機(jī)巡檢均存在著許多的不足[1]。

為了滿足對(duì)供電質(zhì)量日益提高的要求及對(duì)電力工作者的工作支持,更靈活實(shí)用的電路機(jī)器人巡視系統(tǒng)得以應(yīng)用。通過自主或遙控的方式,電路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在無(wú)人值守或少人值守的變電站對(duì)室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡檢,自動(dòng)發(fā)現(xiàn),自動(dòng)處置,自動(dòng)解決,自動(dòng)上報(bào),實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化的工作要求,提高了工作效率,降低了工作風(fēng)險(xiǎn),推進(jìn)了無(wú)人化、智能化、高效化值守的新進(jìn)程[2]。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電力巡檢機(jī)器人最早集中出現(xiàn)在日本、美國(guó)等國(guó)家的研究中。早在19世紀(jì)80年代初期,日本就開始在變電站中使用巡檢機(jī)器設(shè)備;90年代初,日本又研制出了渦輪葉片巡檢機(jī)器人,配電線路檢修機(jī)器人等,可以應(yīng)對(duì)更多復(fù)雜的情況,用于應(yīng)對(duì)更多場(chǎng)景下的巡檢工作。

2008 年,巴西學(xué)者設(shè)計(jì)了一種新型高空滑行變電站巡檢機(jī)器人,它配備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接和紅外熱像儀,可檢測(cè)到變電站電力設(shè)備的致熱點(diǎn),無(wú)線傳輸后進(jìn)行定位修整;2013年,加拿大研制出了一種采用GPS定位方式,在735kV變電站實(shí)現(xiàn)視覺和紅外檢測(cè),并能遠(yuǎn)程執(zhí)行開關(guān)分合操作的檢測(cè)操作機(jī)器人。新西蘭研制的電力巡檢機(jī)器人,同樣采用GPS定位,同時(shí)具備激光避障及雙向語(yǔ)音交互的功能,是一個(gè)新的突破。

在中國(guó),電力機(jī)器人的發(fā)展是飛速的。國(guó)家電網(wǎng)公司從2002年成立了電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,到兩年后實(shí)驗(yàn)室成功研制出了第一臺(tái)功能型樣機(jī),對(duì)于高質(zhì)量高效率的電力巡檢工作開了一個(gè)好頭。同時(shí),我國(guó)在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)方面響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召,成為了世界上首個(gè)應(yīng)用推廣機(jī)器人在變電站進(jìn)行自主巡檢維護(hù)的國(guó)家,提高了變電站巡檢的自動(dòng)化和智能化水平。國(guó)家電網(wǎng)為我國(guó)面向工業(yè)化現(xiàn)代化發(fā)展貢獻(xiàn)著自己的力量。

1.3 研究意義

電作為老百姓日常生活必不可缺的一個(gè)組成部分,無(wú)時(shí)無(wú)刻都在影響著人們的生活。要從源頭保障用電安全,這就對(duì)供電工作提出了高度負(fù)責(zé)的要求:運(yùn)行人員對(duì)管轄范圍內(nèi)的電纜線路按照現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行的經(jīng)常性巡視檢查,以及時(shí)掌握線路及其附屬設(shè)備是否存在異?；蛉毕?預(yù)防事故發(fā)生,確保電纜線路安全運(yùn)行[3]。

傳統(tǒng)的電路巡檢方式包括人工巡檢與無(wú)人機(jī)巡檢(圖1、圖2)。

傳統(tǒng)人工巡檢多是通過工人目測(cè)或者望遠(yuǎn)鏡巡查為主,存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、檢測(cè)質(zhì)量分散、手段單一等不足,人工檢測(cè)的數(shù)據(jù)也無(wú)法準(zhǔn)確、及時(shí)地接入管理信息系統(tǒng)。根據(jù)NIOSH調(diào)查結(jié)果匯總的《因觸電致死的工人》,在死亡人數(shù)最多的十大職業(yè)類別中,職業(yè)巡邏員的致命傷人數(shù)最高(“因觸電致死的工人:NIOSH監(jiān)視和調(diào)查結(jié)果概述”)。并且,隨著無(wú)人值守模式的推廣,巡視工作量越來越大,巡檢到位率、及時(shí)性無(wú)法保證。此外,在高原、缺氧、寒冷等地理?xiàng)l件或惡劣天氣條件下,人工巡檢還存在較大安全風(fēng)險(xiǎn),缺乏有效的巡檢手段。

遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)對(duì)電纜進(jìn)行巡查,通過地表顯示屏觀察巡查結(jié)果。通過無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡檢能夠達(dá)到較好的巡檢效果,但是成本較高,且一些特殊的天氣下或者環(huán)境下,如雷雨、冰雹、沙塵、大雪等惡劣天氣下,巡檢工作也變得更加困難。

因此,傳統(tǒng)電路巡檢方式已經(jīng)不完全適宜新時(shí)代的要求,急需新的“接班人”。采用電纜巡檢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)更靈活,更實(shí)用的電路巡檢,及時(shí)進(jìn)行反饋處理,增強(qiáng)巡檢效率,減少人力物力的投入。

2 巡線機(jī)器人的市場(chǎng)研究

根據(jù)不同產(chǎn)品分析與市場(chǎng)調(diào)查研究總結(jié),想要將巡線機(jī)器人高效率高質(zhì)量的投放,產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)特征:

圖1 人工巡檢場(chǎng)景Fig.1 Scene of manual inspection

圖2 無(wú)人機(jī)巡檢場(chǎng)景Fig.2 UAV inspection scene

(1)遠(yuǎn)程操控。工作者們可遠(yuǎn)程進(jìn)行機(jī)器操控,減小了安全隱患,也提高了工作效率。(2)多方位進(jìn)行清理。機(jī)器人的維護(hù)方面功能包括擦洗刷,用于清除電源線中的碎屑。在沿海地區(qū),鹽分會(huì)積聚在管道上并導(dǎo)致腐蝕。此外,灰塵,工業(yè)煙塵和污染風(fēng)會(huì)在線路和絕緣子上產(chǎn)生沉積物。高效率的清理有助于延長(zhǎng)電纜線的使用壽命。(3)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能強(qiáng)使得機(jī)器人在工作行駛的過程中保持穩(wěn)定,高效工作,將外在因素對(duì)其影響降到最低。(4)越障能力。目前無(wú)法越過塔架或克服大多數(shù)障礙是巡線機(jī)器人面臨的最大困難之一,應(yīng)考慮在功能設(shè)計(jì)方面放在重點(diǎn)考慮的位置上。(5)耐力。機(jī)器人的巡查耐力也決定著人力物力投入與工作效率,可考慮是否增添在線能量補(bǔ)給,使之全天候長(zhǎng)期駐線。(6)質(zhì)量與體積。體積大,質(zhì)量重使得機(jī)器人不便于挪動(dòng)攜帶。對(duì)于巡檢人員來說,機(jī)器人體積過于龐大,不便于隨時(shí)巡檢,操作起來也較為困難。同時(shí)在較為偏僻的地方更是難以作為日常工作投放使用。

3 巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究

伴隨著智能電網(wǎng)(又稱電網(wǎng)2.0)概念的提出,世界多國(guó)爭(zhēng)相通過本國(guó)先進(jìn)的傳感、測(cè)量、設(shè)備技術(shù)和方法開發(fā)電力系統(tǒng)的智能化設(shè)備,確保電網(wǎng)建設(shè)的人性化、智能化、環(huán)?；?實(shí)現(xiàn)全天候的高頻率、無(wú)人化巡檢,充分發(fā)揮機(jī)器人反應(yīng)靈活、精度高、工作時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)通過配合使用多種智能檢測(cè)裝備,對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行智能識(shí)別與聯(lián)動(dòng),結(jié)合數(shù)據(jù)快速采集、實(shí)時(shí)信息傳輸、智能分析預(yù)警,保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,強(qiáng)化電力設(shè)備管理能力,提升電網(wǎng)智能管理水平。

3.1 巡檢方式分析

人工巡檢高壓電路進(jìn)度緩慢,而且施工風(fēng)險(xiǎn)大;有些地區(qū)為了不影響電力的正常供應(yīng),也會(huì)采取直升機(jī)檢查高壓電線,但這種方式對(duì)天氣要求高,而且費(fèi)用昂貴。相比之下,巡檢機(jī)器人就更加適用,它同樣可以在不切斷電路的情況下進(jìn)行高壓巡檢高壓電線(表1)。

設(shè)計(jì)目標(biāo)是為巡線機(jī)器人安裝四個(gè)滾輪,在遠(yuǎn)程遙遙控器的操縱下,控制機(jī)器人可以沿著規(guī)定的高壓線路行駛近距離的檢查電線(圖3)。機(jī)器人將安裝八個(gè)攝像頭,能夠全方位同時(shí)檢查四條電線,并且儲(chǔ)存定位后的警察圖像發(fā)送后臺(tái),在通過人工分析或者軟件自動(dòng)判別路線是否有安全隱患。

巡檢機(jī)器人可提高巡檢工作的效率,在水平導(dǎo)線上的行駛速度遠(yuǎn)大于人工操作,當(dāng)前現(xiàn)有的巡檢機(jī)器人巡檢速度可達(dá)到可達(dá)每分鐘四十米。在遇到間隔棒等障礙物時(shí)可直接滾過去,如果碰到不易滾過去的障礙,它便會(huì)移動(dòng)機(jī)械臂帶動(dòng)前輪和后輪依次轉(zhuǎn)過障礙物,不需要借用人力的幫助。有了電纜巡線機(jī)器人的助力,高壓電工就只需要執(zhí)行后期的維修工作,再不用去做危險(xiǎn)的長(zhǎng)途檢查。

3.2 巡檢場(chǎng)景分析(表2)

3.3 巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)趨勢(shì)

(1)形式:主要設(shè)計(jì)為小型半自動(dòng)機(jī)器人,有利于配電線的維護(hù)和檢查。使用遠(yuǎn)程操作的機(jī)器人設(shè)備可以使技術(shù)人員在安全距離內(nèi)檢查線路并進(jìn)行維護(hù),從而減輕了線路工作的復(fù)雜性[4]。為了實(shí)現(xiàn)緊湊性和易用性的功能型要求,設(shè)計(jì)者在可操作性方面進(jìn)行了權(quán)衡,使架線工和維護(hù)人員可以在日常維護(hù)和檢查中使用類似的機(jī)器人設(shè)備。通過減小尺寸和重量并使用非專業(yè)的操作設(shè)備,電纜巡線機(jī)器人設(shè)備可以簡(jiǎn)化為所有巡線員日常使用。

圖3 四輪機(jī)器人巡檢演示Fig.3 Four wheel robot inspection demonstration

表1 人工巡檢與機(jī)器人巡檢對(duì)比Tab.1 Comparison between manual inspection and robot inspection

表2 巡線機(jī)器人使用場(chǎng)景特征分析Tab.2 Scene feature analysis of line inspection robot

表3 巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求Tab.3 Design requirements of line inspection robot

(2)功能:其主要目的是供巡線員或普通電力工人日常巡檢電力線使用,功能包括以自主或遙控的方式,在偏僻地區(qū)或惡劣環(huán)境下可遠(yuǎn)程操控完成巡檢工作,將外界因素對(duì)工作進(jìn)程的影響降到最低;動(dòng)態(tài)升降安裝固定,機(jī)器人可自動(dòng)脫線進(jìn)行工作;保證巡檢過程中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng),降低外在因素的影響,可更高效工作;提升越障能力,在巡檢過程中可輕松越過塔架和克服大多數(shù)障礙,減少人力物力消耗;添加在線能量補(bǔ)給,使之全天候長(zhǎng)期駐線。該巡線機(jī)器人不需要專業(yè)的操作人員,以供日常巡檢使用,可以輕松地納入維護(hù)計(jì)劃。

(3)人機(jī):在人機(jī)交互方面,產(chǎn)品更加輕便且易于攜帶,可安置在工具包中,便于日常的巡檢工作,不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)品的重量或體積使得巡檢工作難以進(jìn)行。配有自動(dòng)升降安裝裝置,減少人力投用,在偏僻、惡劣的環(huán)境中,也可以方便操作。與機(jī)器人配套使用的顯示屏將由巡線員保存操作,可通過顯示屏控制機(jī)器人的功能,實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化,向著人性化、智能化、多功能化邁進(jìn)。

總體而言,這項(xiàng)工作的影響范圍擴(kuò)大到公用事業(yè)維護(hù)行業(yè)。該設(shè)備可以減少與維護(hù)相關(guān)的成本,提高巡線員的安全性,并減少停機(jī)時(shí)間和緊急維修。可靠的電源和較低的維護(hù)成本可以對(duì)整個(gè)社區(qū)產(chǎn)生積極影響。

3.4 巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求(表3)

4 結(jié)語(yǔ)

在供電質(zhì)量和供電要求日益提高的同時(shí),設(shè)計(jì)者們對(duì)更靈活地使用電路機(jī)器人巡視系統(tǒng)也提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)日常使用與便捷操作,在可操作性方面進(jìn)行了權(quán)衡,使架線工和維護(hù)人員可以在日常維護(hù)和檢查中使用類似的機(jī)器人設(shè)備。通過減小尺寸和重量并使用非專業(yè)的操作設(shè)備,使電纜巡線機(jī)器人設(shè)備可以簡(jiǎn)化為所有巡線員日常使用。它運(yùn)行靈活自由,真正起到減員增效的作用,向著人性化、智能化、多功能化、未來化前進(jìn),以確保公共設(shè)施的完善及國(guó)民用電需要,提高國(guó)民生活水平和幸福指數(shù)。