电缆沟巡检机器人研究现状

一、研究背景

随着信息技术和人工智能的发展，机器人技术的进步与发展越来越迅速。在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展也较为成熟，且在汽车制造等行业得到广泛的应用。而在电力行业，一些工作在实施的过程中，人工的效率比较低下，重复性高且较为繁琐，另一些工作则因为环境恶劣、危险，容易对人身造成伤害，需要机器人代替人工进行工作。尤其是类似深圳这样的城市，用电密度较高，设备种类和数量非常多，而电力人员数量少，运维工作量比较大，机器人在电网应用的技术研究具有非常重要的意义。而这其中尤其已配网电缆沟机器人需求最为迫切。

电缆沟是电力系统必不可少的基础设施，主要用来放置10kV和20kV等级的电缆。随着我国电力需求量的不断增长、电网规模的不断扩大，配电网电缆的应用越来越广泛。截至2014年底，深圳地区配网电缆化率已达89%。大部分电缆敷设于电缆沟中，电缆沟内空间狭小、夏季温度高、气体环境恶劣，沟下巡检行走不便且需要携带红外测温仪、有毒气体检测仪、手电筒和相机等多种工器具；在电缆沟发生紧急事件时，如起火、冒烟或不明原因断电等，抢修人员应急抢修工作费时费力，无法靠近事故现场第一时间处理，且容易造成人身伤害。深圳地区近年来发生多起电缆沟着火事件，不仅造成了经济损失，也引起了巨大的社会影响。

针对上述问题，电缆沟在线监测技术需要预埋大量传感器，成本高，当传感器故障时，开挖维护工程量巨大。因电缆沟的早期建设的施工无相关标准，电缆沟尺寸差异较大，且内部环境恶劣，采用传感器在线检测方式可行性差。随着机器人技术和检测机器人的发展，采用移动机器人进行电缆沟巡检不仅节省成本，而且检测效率更高。

城市电缆沟道的智能化维护和管理将是一个必然趋势，采用智能机器人协助甚至代替人类进行地下巡检作业，目前在国外已经开始进行并且取得了很好的效果，智能机器人的使用减轻了人力的劳动和在恶劣环境下工作的风险，同时又使城市的运行更安全。

电缆沟智能巡检机器人可以代替人工完成对地下电缆沟的常规巡检任务，电缆沟巡检机器人自身携带的图像设备也可以实现对设备的状态识别、定期巡视。智能巡检机器人可根据操作人员在电缆沟外进行操作，对配网电缆进行全程巡检，并通过集成视觉、热成像等传感器，完成配电电缆的安全巡检功能。

二、现有研究现状

目前机器人行业国际上都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。国内已有类似管道机器人的产品，但主要用在煤气等管道中，仅仅起到检查管道的作用，同时由于牵引力相当有限，不具备越障能力，不适合用于电缆沟的复杂环境和相关检测。

目前智能电缆沟巡检机器人的研究在国内处于起步阶段，根据国内应用情况，可以归类为巡检机器人方向。巡检机器人研究主要集中在国内高校和研究所内。

（1）国外电缆沟巡检机器人研究现状

20世纪60年代，针对管道维护问题，国外学者研制了一种机械式管内作业设备PIG。PIG的优点是操作简单、无需停输作业，且无需额外提供动力就可以行走很长的距离。PIG作业过程并非编程设定，本身没有智能性，可控性低，因而PIG还不属于标准的机器人范畴，但是PIG的出现为管道机器人研究提供了一个很好的参考原型，推动了管道机器人技术的发展。20世纪70年代，以法国、日本为代表的一些国家开始研究能够完成较复杂工程任务的高效能管道机器人，并取得了一定的成果。法国学者J．VERTUT于上世纪70年代末率先提出一种轮腿式管道机器人模型IPRIV，进入上世纪80年代，东京工业大学的Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等人，针对小口径管道作业问题，先后研制出Thes. I、Thes. II和Thes. m型管道机器人，韩国成均馆大学的Hyouk R. C.等人，针对天然气管道维护问题，也成功研制出了MRINSPECT系列管道检测机器人。

在早些年，配电网络还是以架空线路为主导的时候就有相应的电缆检测机器人的研究。1989年，东京电力公司研制了一种操纵装置，该装置沿66kV电力传输线上方的架空光纤地面传输线缆行走并进行检测，结果表明，该装置利用立体TV摄像系统，可以承担配电线的检测工作。同时，在加拿大和西班牙也研制出了对带电线路进行检测维修的其他类型的遥控机器人。1991年，日本研制出了对电力传输线进行检测的全自动移动机器人，利用弧形机械臂作为导轨，该机器人可绕过辅助设备形成的障碍，穿越输电杆塔。

在之后的研究中，移动检测开始涉及电缆隧道里面的电力电缆，也有着相应的产品投入到应用中来，如华盛顿大学开发的机器人电缆专用监测系统。该机器人是为特定的3英寸主干电缆设计的，通过爬行机构在电缆上进行行走检测，它有三类传感器来判断电缆的运行情况，热传感器检测温度异常，气体传感器监测周围环境，电场传感器查找绝缘层破损的地方，然后用自带的摄像头录下受损情况，用无线网络发送到控制终端。该系统只能对特定电缆进行检测，局限性较大。

国外的电缆沟实际情况与我国并不相同，国外相关产品并不能适用于我国电缆沟的实际使用环境。

（2）国内电缆沟巡检机器人研究现状

管道机器人技术在国内起步较晚，早期管道机器人主要是从国外进口，随着科学技术的发展和管内作业需求的提高，我国不少科研单位也开展了管道机器人技术的研究工作。上海交通大学针对煤气管道维护问题，研制出一种履带式管道检测机器人，该机器人的机械系统采用一种平行四边形结构，具有一定的管径自适应功能，能够满足直径400mm～650mm的管道作业需求。另外，清华大学成功研制的管道机器人运动载体的实物，并进行了管道清淤作业系统的设计与实验。哈尔滨工业大学在863高科技计划和国家自然科学基金的连续资助下，以国家大型工程和企业为服务对象，完成了多项管道机器人高技术产品，为企业所用。

虽然国内管道机器人技术渐趋成熟，但是，由于研究时间较短，国内管道机器人技术在精确性、稳定性、适应性等方面和美国、日本等技术发达国家相比还存在一定的差距。国外从上世纪60年代开始相关技术的研发，到现在已经成功开发多种成熟的产品，而国内在这方面的研发才10年左右。至今为此，国产管道检测机器人产品主要停留在仿制国外产品的阶段，而且产品类型，功能单一，不具备智能化的水平。全国有产品并有一定影响力的知名企业不到10家，没有形成产业群和龙头企业。因此，管道特种机器人行业在中国有非常广阔的发展空间。随着对地下电缆，排水管道检测的需求越来越大，且人力成本逐年提高，很多城市已经开始逐步应用特种机器人进行地下管网的巡检和维护。随着我国城市化进程不断深化和科学技术的发展，以及机器人的普及，地下管道机器人的需求在未来几年将会出现暴发式增长。

杭州供电公司与浙江大学共同研发的电缆管廊隧道巡检机器人。该机器人用于浙江杭州湘湖220kV电缆隧道的巡检，此电缆隧道是一条运行在湖底的隧道，是一条可视、可测、可控的智能化电缆隧道。电缆隧道巡检机器人具备自动巡检、突发事件处理和远程监控功能，续航能力达四小时，配备高清可见光和红外摄像机、有毒气体检测装置，可实现对隧道内电缆形态和本体沉降情况、有毒气体含量的监测，并将现场实时情况通过隧道监控综合系统传输至电缆线路状态监测中心，实现隧道内全路径自主巡检。

广州供电局参与联合开发的电缆隧道巡视机器人已在珠江新城电缆隧道开始工作。机器人长度约为600mm，行走速度为4m/s，装载的摄像机可以360°无死角旋转，将视频传回后通过输电管理所检测中心的显示器，工作人员可以清楚地知道电缆隧道的各个场景。其搭载有各种传感器，可以将其数据指标返回到地面上来。

上海市电力公司与上海交通大学共同研发的小型电缆隧道检测机器人系统。该系统包括移动平台、气体传感器、数据传输天线、红外摄像机云台、超声波传感器和控制箱体等，能够工作于电缆隧道，进行图像采集、气体浓度检测、温度检测。该机器人采用履带式结构进行移动，通过改变履带的形状来辅助越障，具有良好的越障性能和环境适应性。