全自主配网带电作业机器人进行带电作业国网天津滨海供电公司供图

前配网带电作业机器人及成套装备已经在天津、北京、山西、山东、上海、江苏等18个省(区、市)进行规模化推广应用,累计开展带电接引线、断引线、加装接地环等实际作业12000余次。

很多人可能都看到过这样的场景,电力工人身背工具箱,爬上高压电线杆,悬挂在半空中,争分夺秒地完成一系列复杂的操作。带电作业被称为电力行业中最危险的专业,电力工人随时面临着触电、高空坠落等危险。不过如今这项危险的工作可以放心地交给机器人去做了,它们不仅能轻松完成剥线、换线、修理等“细致活”,而且可以在完全不断电的情况下完成操作。

这个“超级电工”就是国网天津电力研制的全球首台全自主配网带电作业机器人,这款机器人还配有自动剥线器等13种末端工具,形成了系列化成套装备。该产品获授权专利39项、发表SCI/EI/核心论文15篇,牵头立项该领域首个IEEE国际标准,日前“配网带电作业机器人关键技术、成套装备及工程应用”项目还获得2021年天津市科学技术进步奖一等奖。

带电作业是配电网上的“微创手术”

电气设备在长期运行中需要经常测试、检查和维修。在以前技术设备不那么发达的年代,往往需要进行停电检修。不仅影响生产、生活,尤其是医院等重要场所,一旦停电后果不堪设想。

因此电力作业逐渐发展出不停电检修、测试的技术,即带电作业。带电作业可以在不停电的情况下,实现增容、消缺等工作,是避免检修停电,提高供电可靠性的有效措施。

因此目前我国带电作业需求量巨大,近五年来,国家电网公司累积开展配网带电作业达400余万次,并且以年均14.9%的速率持续增长。

然而由于带电作业处于户外高空、高压的环境中,进行配电作业的电力工人要面临很高的安全风险。为了保护他们的安全,电力工人在操作过程中要全副武装,保证全身上下360度无死角,这些厚重、密不透风的绝缘服大大增加了工作强度。而且带电作业对理论知识、操作技术等要求都比较高,人工操作很难做到工作质量统一。此外,遇到雷电、暴雨、大雪、大雾等恶劣天气,还不能进行带电作业。

“早在2016年,我在带电作业现场,当看到老师傅们脱下绝缘服和绝缘手套全身湿透时,就萌生了研发这样一个机器人的想法。”该项目研发团队负责人、国网天津滨海公司运维检修部配电抢修班班长张黎明回忆说,全自主配网带电作业机器人,不仅能让机器人代替人在配电网上做“微创手术”,还可以大幅提高作业效率,同时也把危险降到最低。

从20世纪90年代,美国、日本、加拿大等国家陆续开展了配网带电作业机器人相关技术研究,主要采用液压臂主从作业方式,体积和重量较大,精细化和智能化程度不高,无法实现户外复杂环境下的自主定位、规划及控制等功能,适用性受到一定限制;国内配网带电作业机器人起步晚,技术尚不成熟,且成本高、推广困难,未实现产业化应用。

“我们研发的配网带电作业机器人要从根本上解决上述问题,但相比一般室内作业机器人,也面临很多技术挑战。”张黎明介绍说,机器人在户外开展带电作业,主要受强光、空间狭小、平台抖动、运动特性约束、干扰源复杂等因素的影响,因此在设计上要解决机器人精准定位、自主规划、智能控制、安全防护设计等四大难题,才能实现机器人的自主作业。

机器人四次迭代解决四大难题

2017年底,利用传感、识别、认知等人工智能技术,第一代机器人研发成功。

“这代机器人基本可以在室内理想环境下完成作业基本动作。但存在电磁兼容及绝缘、智能程度低、作业范围受限、灵活度不高、效率低等问题,不能完全实现自主作业。”项目技术负责人、

国网天津滨海供电公司科技环保技术专责胡益菲介绍。

因此在第二代机器人研发中,为了解决精准定位的问题,团队采用了激光雷达与多传感器融合的导航定位系统,让机器人可自动识别主导线与引流线。

“配电网的电线种类繁多,有时候甚至有几十种之多,需要机器人分辨出每条电线不同的景深。同时因为是在户外作业,因此还要解决曝光的问题,曝光过度,机器人就会‘失明’。此外还有斗臂车震动的问题。”胡益菲介绍,通过三维建模、语义识别、目标定位的技术,就可以让机器人看到并识别出这些复杂的场景。

解决了机器人“看得到”的问题后,下一步就是“找得到”的问题。配电网上的电线纵横交错,找到需要进行操作的电线犹如在配电网上穿针引线地“绣花”。第二代机器人通过应用基于强化学习的智能路径规划系统,以及双臂协作自主规划作业路径的技术解决了这个难题。

光找到需要作业的位置还不行,还得进行操作,那么就需要解决“做得到”的问题。“我们创新研制了成套末端作业工具,实现自动穿刺搭接功能。”胡益菲说,第二代机器人基本实现了自主作业,但是所有的操作都不是很精良,就像是一个初出茅庐的学徒工,还需要进一步提升它的本领。

因此第三代机器人着重对这些重要功能进行了优化。首先优化了多传感器融合算法,增强双目视觉匹配度,提高识别精度,户外作业定位误差小于1厘米,使机器人“看得准”;基于人工智能技术,优化机器人路径规划算法,使其路径规划更科学、更高效,让机器人“找得巧”;创新研制全自主剥线工具及绝缘型并沟线夹,提高适用范围,让机器人“做得好”。

在安全性能上,机器人采用绝缘配合与多级防护技术,特别是在机器人关节部分创新性研发了“体—臂—腕”绝缘设计,软硬结合进行双保险。同时通过电磁干扰预测与防护技术,很好地解决了机器人在复杂电磁环境中被干扰影响接受指令的难题。

为了能更好地进行产业化规模化生产,2020年7月,第四代人工智能配网带电作业机器人采用了模块化设计,体积缩小三分之二,重量减轻三分之一,充分满足复杂地形和狭小空间带电作业需求,同时研发了双臂和单臂机器人以及13种系列化末端,形成了配网带电作业的成套装备,进一步扩大配网带电作业机器人的使用范围。

未来产业规模可达300亿

2019年8月23日,配网带电作业机器人在全国第十届残运会暨第七届特奥会期间首次正式亮相,为残运会供电提供了重要保障。此后这些“超级电工”开始正式“上岗”,在全国很多地方都能看到它们的身影。

目前配网带电作业机器人及成套装备已经在天津、北京、山西、山东、上海、江苏、浙江、福建、重庆、陕西、青海、宁夏、西藏等18个省(区、市)进行规模化推广应用,累计开展带电接引线、断引线、加装接地环等实际作业12000余次。

2019 年11月21日,国家电网公司还打造了以人工智能技术为核心的配网带电作业机器人产业平台。建立了电力作业机器人高端制造基地,建设了生产中心、试验中心和实训中心,年产量达200台以上,具备研发、制造、检测、应用和技术服务能力。“随着配电网规模扩大和带电作业需求增加,全国市场需求预计达0.5万—1万台,产业规模达300亿元。”张黎明介绍。

目前,为了促进带电作业标准化、规范化,提高带电作业质量及效率,减少停电时间,支撑智能化运检规划实施,项目团队又牵头立项了首个IEEE国际标准《配网带电作业机器人导则》。

“由于项目突破的技术涵盖复杂环境三维建模、目标精准感知与定位、狭小空间机器人运动规划和智能控制等领域,因此该技术还可以应用到消防、输电、用电等智能电力机器人装备上。”张黎明介绍,目

记者 陈 曦

前智能充电巡检机器人应用于天津市津门湖综合充电服务中心与中新天津生态城泰八路公交充电站。未来,还可进一步推广至救援、勘探、矿山等其他行业。

来源: 科技日报