架空输电线路全程巡检机器人

  完成单位：国网智能科技股份有限公司

  主要完成人：郭锐、张峰、张斌、王万国、曹雷、贾娟、李振宇、卢士彬、林洪川、李路

一、研发背景

输电线路日常巡检是保证电网安全运行和可靠供电的重要保障。近十年我国电网规模增长近一倍，电网规模快速增长与运检人员配置不足的矛盾日益突出。传统的人工巡检方式劳动强度大、危险性高，巡检效率和质量难以保障，无法满足现代电网智能运维需求，应用机器人实现输电线路自动巡检的需求日益迫切。

输电线路机器人的研究始于20世纪80年代末，我国始于90年代末。加拿大水电研究所、日本东京电力公司，以及我国中科院、武汉大学等科研院所均开展了相关研究。原有机器人巡检作业模式均采用人工登塔辅助安装，地面遥控越障巡检，完成任务后从线路上卸下人工充电，无法真正解放人工劳动力。实现复杂线路环境下的跨杆塔自动越障是线路机器人亟需解决的重大难题。

目前输电线路机器人难以实现跨杆塔自主巡检，究其原因存在以下技术难点：

（1）阻挡型障碍物的安全高效越障难题。杆塔结构多样、线路柔性易变形，机器人过塔安全性可靠性较低，且无法跨越耐张塔。

（2）机器人复杂线路环境识别及定位难题。在复杂线路环境下机器人障碍物自动识别准确率不高、难以实现自主越障，导致机器人巡检自动化程度较低，越障运行与巡检作业离不开人工操作。

（3）大场景下小尺寸缺陷的精准图像识别难题。野外光照多变、检测目标多样，输电线路缺陷识别率较低，巡检数据判别分析智能化程度较低，巡检图像仍需要人工复审。

本专利摒弃了传统的跨越式越障方案，首次提出了机器人穿越式方法，从根本上攻克了架空线路机器人全程安全通行、自主定位导航、缺陷智能识别等共性关键技术，研制架空输电线路全程自主巡检机器人系统，首次实现机器人沿线路全程通行、自主定位导航、自动缺陷诊断。

图1 项目总体技术方案

二、发明团队介绍

（1）第一发明人

郭锐，男，工学博士，教授级高工，国网智能科技股份有限公司首席科学家。入选国家百千万人才工程，享受国务院政府特殊津贴，国家电网有限公司科技攻关团队带头人、专业领军人才。长期致力于电力机器人技术研究与工程应用，承担国家、山东省、国家电网公司科技项目二十余项，获省部级科技奖励五项。积极开展标准化工作，担任CIGRE B3.47工作组委员、全国特种作业机器人标准化工作组委员、能源行业电力机器人标准化技术委员会副秘书长，构建了电力机器人技术标准体系，有力推动了电力机器人技术标准化进展。

（2）发明团队

项目研发团队共10人，其中机械设计专业3人、测控技术专业3人、软件开发专业3人、人工智能专业1人，涵盖线路巡检机器人研发各专业方向。

项目团队先后承担国家重点研发计划、国家国际科技合作项目以及国网公司科技项目十余项，获省部级以上奖励5项，发表论文6篇，授权专利40余项，参与制修订电力机器人相关标准7项。2021年，发明专利“架空输电线路地线全程自动巡检机器人、系统及方法”，获得第二十二届中国专利奖银奖。2022年项目成果“架空输电线路全程自主巡检机器人关键技术及应用”获得山东省技术发明奖二等奖。

项目团队积极推进电力机器人在输电领域的研究与应用，研制架空线路除冰机器人、绝缘子串检测机器人、架空输电线路巡检机器人等系列化电力机器人，五项成果通过科技成果鉴定。取得输电线路机器人移动机构、障碍物检测与自主越障、输电线路带电检测与作业等关键技术突破，研制单档距移动机器人、跨杆塔越障机器人、全程作业机器人以及绝缘子串移动机器人等适应不同线路环境的机器人移动平台，研究实现基于机器人的输电线路巡检、绝缘子串检测、线路带电作业等技术，支撑线路智能运检技术发展。

  三、成果(专利)简介

本项目针对现有架空线路机器人过塔安全性低、智能化程度低、线路缺陷识别难度大等技术难题，突破机器人全程高速通行、全自主巡检、智能缺陷诊断等关键技术，研制出架空输电线路全程自主巡检机器人系统，能在无人工干预情况下，实现机器人从变电站到变电站间的架空输电线路全程全自主巡检和智能缺陷诊断。技术发明点如下：

（1）首创了机器人穿越式全程通行方法。发明了纵向柔性双轨过塔技术，设计了双向变曲率过塔辅助通道与主从双轮环抱式自适应越障机器人，解决了机器人过塔难度大、安全性低的难题，实现了从变电站到变电站间的全线路运行，过塔时间由180s缩短为30s。

（2）发明了复杂线路环境自主感知与自动巡航技术。提出线路先验信息与全局定位、局部定位融合的环境识别与定位方法，研制线路机器人“智能无人驾驶”系统，突破机器人长时间全自主安全可靠巡检难题，实现了机器人自动上下线、自主过塔、自主巡检、自动充电。

（3）提出了输电线路大场景下小尺寸多目标缺陷识别方法。融入输电线路部件区域先验知识，提出了目标级联检测与深度级联卷积神经网络的双级联缺陷诊断算法，解决了输电线路检测目标多样、野外光照多变及线路背景复杂的识别难题，实现销钉级缺陷精准识别，典型缺陷识别率由70%提高到90%，超过人工判别水平。

项目从机器人移动越障、过塔辅助轨道、自主感知定位、智能缺陷识别等核心技术进行了专利布局，构建了架空输电线路全程自主巡检机器人系统的专利群，核心专利“架空输电线路地线全程自动巡检机器人、系统及方法”（ZL 201710806760.5）获第二十二届中国专利奖银奖。项目通过了陈维江院士、雷清泉院士等组成的专家委员会的成果鉴定，机器人全程快速通行、可视化缺陷诊断等关键技术达到国际领先水平。2022年项目成果“架空输电线路全程自主巡检机器人关键技术及应用”获得山东省技术发明奖二等奖。

  四、成果（专利）转化情况介绍

本专利由国网智能科技股份有限公司完成自主转化，2019年完成架空输电线路全程巡检机器人产品定型，并在山东电网500kV全韶线进行了示范应用。2021年对产品进行了优化升级，研制了第二代产品，并完成小批试制开展小规模推广应用，在山东电网220kV西明线、泰蓄线、鑫虎线等成功应用。

通过对机器人投入运行情况的跟踪、记录，线路巡检机器人在自主定位运行、自主上下线、自主充电、自主巡检作业，以及智能识别缺陷诊断等方面作业高效、性能稳定、安全可靠。成果应用具有以下显著效益：

（1）革新线路机器人应用方式。该项目成果改变了原有机器人需要人工登塔辅助安装，地面遥控越障巡检，完成任务后卸下充电的传统作业模式。机器人应用方式由传统的地面人员遥控作业改为按预设任务的自动巡检作业，开创了线路机器人全程全自主巡检作业新模式。

（2）减少线路巡检成本。采用机器人巡检，所需作业人员减少为原来的1/4，巡检成本可降为原来的1/3，还可以解决线路运维人员不足问题。

（3）提高线路巡检质量。机器人巡检具有频率高、一致性强、可对比性好等特点，可及早发现线路异常变化，提高缺陷检出率，降低线路故障率。

该项目的研究及应用可以解决架空输电线路机器人当前普遍存在的上线安装难度大、遥控操作复杂、连续工作时间短、自动化程度低等问题，极大提高机器人实用化程度，有利于线路巡检机器人的应用推广，减轻工人千里巡线的劳动强度，提高输电线路运维的自动化和智能化水平。

五、经济效益与社会效益介绍

根据公司近两年财务报表统计，国网智能科技股份有限公司输电线路机器人业务近两年新增销售额分别为：96.615万元、598.9万元，合计695.515万元。

该机器人的研究与应用主要的社会效益包括：

（1）提升输电线路智能运检水平，保证电网运行安全。项目成果降低了人工千里巡线的劳动强度，保障了人员安全。提高了巡检效率及质量，保障了电网安全。在青岛上合组织峰会、海军节等重大活动期间发挥了保供电的重要作用，保障了社会公共安全。

（2）推动行业技术进步，引领线路机器人应用技术变革。项目开创了架空输电线路机器人全程高速通行新的技术路线，实现机器人由遥控操作到自主巡检应用方式的变革，推动输电线路由“人巡”到“机巡”的运维模式转变，解放人工劳动力，解决线路运维人员短缺的问题，推动电力机器人行业的技术进步。

（3）市场容量巨大，有力拉动相关产业发展。我国输电线路近200万公里，地理环境复杂多样，经常地处山区、跨越河流，机器人巡检应用需求广泛，全国市场容量巨大。输电线路机器人属高端智能装备，机器人产业化应用将带动相关材料供应链，有力拉动机械、电子、计算机等产业发展。

图2 架空输电线路全程巡检机器人