很多人可能都看到過這樣的場景，電力工人身背工具箱，爬上高壓電線桿，懸掛在半空中，爭分奪秒地完成一系列復雜的操作。帶電作業被稱為電力行業中最危險的專業，電力工人隨時面臨著觸電、高空墜落等危險。不過如今這項危險的工作可以放心地交給機器人去做了，它們不僅能輕松完成剝線、換線、修理等“細致活”，而且可以在完全不斷電的情況下完成操作。
這個“超級電工”就是國網天津電力研制的全球首臺全自主配網帶電作業機器人，這款機器人還配有自動剝線器等13種末端工具，形成了系列化成套裝備。該產品獲授權專利39項、發表SCI/EI/核心論文15篇，牽頭立項該領域首個IEEE國際標準，日前“配網帶電作業機器人關鍵技術、成套裝備及工程應用”項目還獲得2021年天津市科學技術進步獎一等獎。
帶電作業是配電網上的“微創手術”
電氣設備在長期運行中需要經常測試、檢查和維修。在以前技術設備不那么發達的年代，往往需要進行停電檢修。不僅影響生產、生活，尤其是醫院等重要場所，一旦停電后果不堪設想。
因此電力作業逐漸發展出不停電檢修、測試的技術，即帶電作業。帶電作業可以在不停電的情況下，實現增容、消缺等工作，是避免檢修停電，提高供電可靠性的有效措施。
因此目前我國帶電作業需求量巨大，近五年來，國家電網公司累積開展配網帶電作業達400余萬次，并且以年均14.9%的速率持續增長。
然而由于帶電作業處于戶外高空、高壓的環境中，進行配電作業的電力工人要面臨很高的安全風險。為了保護他們的安全，電力工人在操作過程中要全副武裝，保證全身上下360度無死角，這些厚重、密不透風的絕緣服大大增加了工作強度。而且帶電作業對理論知識、操作技術等要求都比較高，人工操作很難做到工作質量統一。此外，遇到雷電、暴雨、大雪、大霧等惡劣天氣，還不能進行帶電作業。
“早在2016年，我在帶電作業現場，當看到老師傅們脫下絕緣服和絕緣手套全身濕透時，就萌生了研發這樣一個機器人的想法。”該項目研發團隊負責人、國網天津濱海公司運維檢修部配電搶修班班長張黎明回憶說，全自主配網帶電作業機器人，不僅能讓機器人代替人在配電網上做“微創手術”，還可以大幅提高作業效率，同時也把危險降到最低。
從20世紀90年代，美國、日本、加拿大等國家陸續開展了配網帶電作業機器人相關技術研究，主要采用液壓臂主從作業方式，體積和重量較大，精細化和智能化程度不高，無法實現戶外復雜環境下的自主定位、規劃及控制等功能，適用性受到一定限制;國內配網帶電作業機器人起步晚，技術尚不成熟，且成本高、推廣困難，未實現產業化應用。
“我們研發的配網帶電作業機器人要從根本上解決上述問題，但相比一般室內作業機器人，也面臨很多技術挑戰。”張黎明介紹說，機器人在戶外開展帶電作業，主要受強光、空間狹小、平臺抖動、運動特性約束、干擾源復雜等因素的影響，因此在設計上要解決機器人精準定位、自主規劃、智能控制、安全防護設計等四大難題，才能實現機器人的自主作業。
機器人四次迭代解決四大難題
2017年底，利用傳感、識別、認知等人工智能技術，第一代機器人研發成功。
“這代機器人基本可以在室內理想環境下完成作業基本動作。但存在電磁兼容及絕緣、智能程度低、作業范圍受限、靈活度不高、效率低等問題，不能完全實現自主作業。”項目技術負責人、
國網天津濱海供電公司科技環保技術專責胡益菲介紹。
因此在第二代機器人研發中，為了解決精準定位的問題，團隊采用了激光雷達與多傳感器融合的導航定位系統，讓機器人可自動識別主導線與引流線。
“配電網的電線種類繁多，有時候甚至有幾十種之多，需要機器人分辨出每條電線不同的景深。同時因為是在戶外作業，因此還要解決曝光的問題，曝光過度，機器人就會‘失明’。此外還有斗臂車震動的問題。”胡益菲介紹，通過三維建模、語義識別、目標定位的技術，就可以讓機器人看到并識別出這些復雜的場景。
解決了機器人“看得到”的問題后，下一步就是“找得到”的問題。配電網上的電線縱橫交錯，找到需要進行操作的電線猶如在配電網上穿針引線地“繡花”。第二代機器人通過應用基于強化學習的智能路徑規劃系統，以及雙臂協作自主規劃作業路徑的技術解決了這個難題。
光找到需要作業的位置還不行，還得進行操作，那么就需要解決“做得到”的問題。“我們創新研制了成套末端作業工具，實現自動穿刺搭接功能。”胡益菲說，第二代機器人基本實現了自主作業，但是所有的操作都不是很精良，就像是一個初出茅廬的學徒工，還需要進一步提升它的本領。
因此第三代機器人著重對這些重要功能進行了優化。首先優化了多傳感器融合算法，增強雙目視覺匹配度，提高識別精度，戶外作業定位誤差小于1厘米，使機器人“看得準”;基于人工智能技術，優化機器人路徑規劃算法，使其路徑規劃更科學、更高效，讓機器人“找得巧”;創新研制全自主剝線工具及絕緣型并溝線夾，提高適用范圍，讓機器人“做得好”。
在安全性能上，機器人采用絕緣配合與多級防護技術，特別是在機器人關節部分創新性研發了“體—臂—腕”絕緣設計，軟硬結合進行雙保險。同時通過電磁干擾預測與防護技術，很好地解決了機器人在復雜電磁環境中被干擾影響接受指令的難題。
為了能更好地進行產業化規模化生產，2020年7月，第四代人工智能配網帶電作業機器人采用了模塊化設計，體積縮小三分之二，重量減輕三分之一，充分滿足復雜地形和狹小空間帶電作業需求，同時研發了雙臂和單臂機器人以及13種系列化末端，形成了配網帶電作業的成套裝備，進一步擴大配網帶電作業機器人的使用范圍。
未來產業規模可達300億
2019年8月23日，配網帶電作業機器人在全國第十屆殘運會暨第七屆特奧會期間首次正式亮相，為殘運會供電提供了重要保障。此后這些“超級電工”開始正式“上崗”，在全國很多地方都能看到它們的身影。
目前配網帶電作業機器人及成套裝備已經在天津、北京、山西、山東、上海、江蘇、浙江、福建、重慶、陜西、青海、寧夏、西藏等18個省(區、市)進行規模化推廣應用，累計開展帶電接引線、斷引線、加裝接地環等實際作業12000余次。
2019年11月21日，國家電網公司還打造了以人工智能技術為核心的配網帶電作業機器人產業平臺。建立了電力作業機器人高端制造基地，建設了生產中心、試驗中心和實訓中心，年產量達200臺以上，具備研發、制造、檢測、應用和技術服務能力。“隨著配電網規模擴大和帶電作業需求增加，全國市場需求預計達0.5萬—1萬臺，產業規模達300億元。”張黎明介紹。
目前，為了促進帶電作業標準化、規范化，提高帶電作業質量及效率，減少停電時間，支撐智能化運檢規劃實施，項目團隊又牽頭立項了首個IEEE國際標準《配網帶電作業機器人導則》。
“由于項目突破的技術涵蓋復雜環境三維建模、目標精準感知與定位、狹小空間機器人運動規劃和智能控制等領域，因此該技術還可以應用到消防、輸電、用電等智能電力機器人裝備上。”張黎明介紹，目前智能充電巡檢機器人應用于天津市津門湖綜合充電服務中心與中新天津生態城泰八路公交充電站。未來，還可進一步推廣至救援、勘探、礦山等其他行業。
(記者陳曦)
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