导语

2023年11月2日，在“第2届电力行业数字化转型大会暨第4届电力人工智能大会”上，「智创奖」第二届电力数智化转型技术创新应用评选颁奖典礼同期举行。

国网雄安新区供电公司凭借其“云-机协同 5G 隧道巡检机器人”应用案例，获得“智慧输电创新应用案例奖”。该案例依托雄东-昝西电缆隧道，部署5G专网，实现机器狗远程遥控巡检、地下空间精确定位，项目已在昝岗片区220千伏雄东隧道内落地应用。

电力巡检通常需要进入危险环境，如高压区域、高温区域或有毒气体环境。在极端环境下，电力排查与维修、应急抢险救援等保障性的需求明显增加。

机器狗可以代替人员进入这些危险环境，降低人员伤亡的风险，可以持续工作，不受时间限制。配备了各种传感器和摄像头的机器狗，可以实时监测电力设备的状态，准确判断是否存在问题。相比人工巡检，机器狗可以提供更准确的数据和报告，有助于及时发现问题和进行预防性维护。

如何实现以上功能？在雄东-昝西电缆隧道的机器狗巡检中，国网雄安新区将其关键技术点分为三部分，包括云-机协同机器人系统建设、隧道巡检机器人代人巡检、隧道巡检机器人与数字孪生交互。

01、云-机协同机器人系统建设

云-机协同机器人智能巡检系统的体系架构分为地下现场端、地面操作员端以及云端，其中地下现场端负责数据采集，地面操作员根据数据进行人工智能故障分析从而诊断故障；云端为系统的管理与控制端。

巡检机器人将原始数据上传给地面操作员数据终端，进行故障判定后，上传云平台，依托于云技术多端多地、便于访问的特点实现深层故障排查与数据可视化管理。

机器人智能巡检系统建设的关键技术包括隧道巡检机器人的运动与检测功能，5G传输技术以及隧道机器人控制系统的设计开发，技术路线图所示。

隧道巡检机器人

地下管廊环境复杂，需要机器人在巡检过程中灵活移动并精准定位，技术关键点在于地形适应与缺陷检测定位两方面。 

复杂地形适应能力实现：当四足机器人在巡检过程中遇到爬越台阶等复杂的地形环境时，首先对四足机器人的关节机构以及关节配置形式，进行特征分析与综合。在此基础上，得到以矢量非线性微分方程表达的动力学模型，采用局部线性化等方法对动力学模型进行处理，得到简化的动力学模型。

构建基于腿部动力学及关节角度补偿控制策略、虚拟模型控制策略、阻抗控制策略三种具有抗强扰动的自适应控制策略，根据不同的运动需求选择不同的腿部柔顺控制策略，实现机器人融合步态鲁棒控制、姿态抗扰动调整、步态平滑切换。

主动柔顺控制，动态调节各主动关节的输出力矩，减轻触地冲击，进而可以提高自身的稳定性和在复杂地形下的适应能力。

缺陷检测能力实现：机器狗通过基于红外热像法对待检测图片进行巡检采样，对红外图像进行图像处理实现了对渗水点的快速识别、定位、特征提取、渗水面积定量分析。

对于火焰识别则是通过红外热成像测温技术，对管廊内的环境和设备进行24小时不间断的监控巡视，一旦发现区域出现温度异常高于设定的阈值时候，就进行告警，并把相应的高清图像及红外图像传输给控制中心。

此外，机器狗具备有毒有害气体、可见光、红外、拾音的等检测功能。机器狗携带有气体探测器与温湿度传感器，可以随时对隧道内的空气环境与温湿度进行分析并得出结果。

气体分析包括检测空气含氧（O2）量、有毒气体（CO，H2S）等，同时将结果反馈给远程控制人员，也可人工设置报警的限值，包括低温、高温报警限值，湿度报警限值，气体浓度报警限值，超过限值后立即声光报警，以防止由于工作人员对管廊环境的误判，造成生命危险。 

同时隧道巡检机器人也可作为一个安全引导员，当有工作人员下去进行检查时机器狗可在前面作一个安全引导，提供有毒气体，温度，湿度的实时监测。隧道内一旦出现火灾、有毒有害气体超标等特殊情况，可以代替巡视人员进入现场，并将现场数据实时反馈，帮助我们第一时间了解现场情况。 

5G 传输系统 

首次将5G通信技术引入地下管廊，将MEC多接入边缘计算平台下沉部署到管廊附近机房，搭配管廊全覆盖的5G信号，构成服务于隧道内人员和设备的电力5G专网。在低时延、大带宽、安全性以及运维便利性方面制定适应方案与相应提升技术，满足移动巡检要求。

隧道巡检机器人控制系统

设计与开发巡检机器人地面操作站软件，具备控制机器人运动、接收机器人上传的巡检视频和采集数据、进行故障分析、上传巡检结果等功能。

可以设置机器人巡检路线并发送指令、巡检任务，在巡检过程中实时显示机器人搭载的高清摄像头、红外摄像头所采集的画面，巡检任务结束后可对画面进行储存并分析。同时还可以显示当前管道内的温度、湿度，以及机器人的电量。

02、隧道巡检机器人代人巡检

首先采用视觉、3D激光、IMU等传感器数据进行紧耦合融合，得到相较于单一传感器更高精度的融合里程计，在此技术上进行增量式建图和优化， 实现附带视觉信息的3D地图；

利用已构建的3D地图，通过提取其视觉信息，并利用激光的测量精度弥补视觉的测量误差，实现基于改进滤波算法的3D位姿估计；

利用已构建的3D地图和定位算法，实现机器狗到达空间内任意可行的目标位置，从而为机器狗实现自主巡检提供自主充电及导航能力。

结合隧道内5G专网覆盖，实现了地下空间足式机器人高清画面数据无损回传及远程遥控巡检。技术路线如下图所示。

03、隧道巡检机器人与数字孪生交互

首先，采取点云扫描和GIM参数化建模相结合的方式构建电力舱三维模型，将各类物联感知数据与孪生体关联，动态驱动生成“镜像孪生”，实现电力舱全景展示，推动数字孪生技术与电缆运检业务深度融合；

图源：人民网--河北；李国超供图

其次，基于数字孪生，将隧道巡检机器人及各类泛在物联终端与巡检点位一一匹配，通过数字孪生技术，机器狗可以规划路径和选择避障，根据数字孪生系统的规划路径，可以在数字孪生系统中选择合适的路径躲避障碍物，以确保安全和顺利行动；

另外，根据设备信息、可视化状况、运行状态、历史变迁、事故记录等信息，制定差异化“运维管控卡”和“运维规程”，并自动生成年度、月度、周巡视计划，同时规范巡视类型，明确巡视内容以及所涵盖设备范围，从而高效、规范指导开展差异化巡视工作，一键式机器代人巡检并生成对应巡检报告，并同步进行缺陷隐患信息的现场上报，实现对电缆通道和本体状态的实时掌控，辅助电缆日常运检业务开展，结合电缆运维规程和智能化终端配置情况，逐步加强机器代人巡检，降低人工巡检频次，有效缓解地下有限空间人工巡检压力。技术路线如下图所示。