嚴正罡，甄軍平

（中國民用航空總局第二研究所，成都 610041）

0 引言

近年來，得益于人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、云計算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球機器人市場增長迅速，根據(jù)中國電子學會發(fā)布的《中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2021》統(tǒng)計，2021年全球機器人市場規(guī)模預計將達到335.8億美元，2016—2021年平均增長率為11.5%。根據(jù)學會劃分的工業(yè)機器人、服務機器人、特種機器人三類機器人來看，隨著全球地區(qū)局勢復雜、極端天氣頻發(fā)等問題日益凸顯，在軍事應用、治安維護、搶險救災、水下勘探、高空作業(yè)等場景中，特種機器人可以部分、甚至全部替代人工作業(yè)，在安全性、時效性、質(zhì)量性等方面有效滿足需求。此外，隨著激光傳感器、無人駕駛、衛(wèi)星遙感、5G通信技術(shù)的大規(guī)模應用，顯著提升了機器人的靈活性與魯棒性。預計到2023年，服務型機器人市場規(guī)模將達99億美元以上，如圖1所示。

圖1 2021?年全球機器人市場結(jié)構(gòu)

我國目前正從勞動密集型向現(xiàn)代化制造業(yè)方向發(fā)展，振興制造業(yè)、實現(xiàn)工業(yè)化是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要任務，伴隨國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步、勞動力成本的不斷上升，國家在生產(chǎn)手段機械化、自動化、智能化、信息化方面的政策不斷傾斜。中央印發(fā)的《巡檢機器人行業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確要求到2020年巡檢機器人行業(yè)將增加30%，各地相繼出臺了地方政策提高行業(yè)滲透率，巡檢機器人行業(yè)因此成為政策紅利市場，得到快速發(fā)展的保障。

1 巡檢機器人概述

特種機器人最早是專門為特殊領(lǐng)域的工作環(huán)境設(shè)計的專業(yè)服務機器人，這些領(lǐng)域往往因為人工作業(yè)環(huán)境惡劣且具有危險性，因此對機器人具有剛性需求。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，特種機器人范圍不斷擴充，巡檢機器人就屬于特種機器人范疇。傳統(tǒng)巡檢主要依賴人工作業(yè)的方式，具備比較明顯的痛點：①對工作人員專業(yè)水平要求高，巡檢數(shù)據(jù)主觀性強。②巡檢手段單一，效率較低。③受環(huán)境天氣影響，很難做到應檢盡檢。④人力成本高。

這些問題導致傳統(tǒng)巡檢手段逐漸無法滿足準確、實時、高頻的巡檢需求。巡檢機器人既具有較好的機動性與準確性，也能克服人工巡檢中存在的缺陷與不足，因此具有廣闊的市場前景。

巡檢機器人基于部署的傳感器對周圍環(huán)境進行感知和信息采集，再將采集到信息進行融合、處理實現(xiàn)決策，最后執(zhí)行相應動作，如圖2所示。

圖2 巡檢機器人工作模式

根據(jù)工作環(huán)境的不同，巡檢機器人可以可以分為地面、空中、水下三種類型。不同類型之間搭載的設(shè)備、工作的方式和續(xù)航時間都各不相同，從而滿足不同行業(yè)的細分需求。

地面巡檢機器人可以分為無軌類與有軌類，如圖3所示。無軌巡檢機器人預先對復雜環(huán)境地圖進行了搭建，實現(xiàn)高精度實時定位與導航。通過搭載的聲、光傳感器對劃定區(qū)域進行巡檢，一般用于室外設(shè)備巡檢和室內(nèi)復雜環(huán)境巡檢，如電力配電室、機房等。

圖3 地面巡檢機器人

有軌巡檢機器人采用軌道移動的方式，搭載攝像機、紅外成像儀等設(shè)備，一般主要是對地上鐵路、軌道交通和地下通道資源等內(nèi)部環(huán)境封閉、人工難以全天候?qū)崟r監(jiān)控的環(huán)境進行巡檢。

空中巡檢一般采用無人機設(shè)備，通過無線電遠程遙控無人機進行作業(yè)，如圖4所示。無人機一般載有云臺相機、可見光相機和圖傳系統(tǒng)，可以完成復雜的空中任務，對指定區(qū)域做到大范圍、無遮蔽、無盲區(qū)巡檢，實現(xiàn)高空間利用率、高安全系數(shù)，主要應用在電力輸電線巡檢、城市治安巡檢等場景。

圖4 無人機設(shè)備

水下巡檢機器人主要解決人體無法長時間在水下作業(yè)的問題，降低人工巡查難度，提高檢測效率和監(jiān)測范圍。機器人一般搭載有聲納、攝像機、機械臂和定位裝置，如圖5所示，應用在水電站巡檢、科考探索等領(lǐng)域。

圖5 水下巡檢機器人

2 巡檢機器人應用場景

當前階段，巡檢機器人業(yè)務得到規(guī)模性推廣研究和應用的主要是電力巡檢與鐵路巡檢，機場作為巡檢業(yè)務剛需場景，是巡檢機器人的潛在市場。其他包括安防巡檢、交通巡檢、校園巡檢等，但規(guī)模相對較小。

2.1 電力巡檢機器人

智能電網(wǎng)建設(shè)與增強供電可靠性已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，電力系統(tǒng)是對巡檢機器人剛性需求最強的行業(yè)，也是支撐巡檢機器人技術(shù)發(fā)展的最大市場，潛在規(guī)模在千億元級別。

國外對電力巡檢機器人的研究開展得較早，1980年日本就開始將移動機器人應用于變電站中，通過采用磁導航方式和搭載紅外熱像儀，對154 kV—275 kV變電站的設(shè)備致熱缺陷進行檢測；1988年，Sawada教授團隊研制出的架空地線巡線機器人，能夠在巡檢電線過程中跨越障礙物，遇到桿塔時也能通過機械臂構(gòu)成導軌，將主體滑動到桿塔另一側(cè)，不需要人工變向；1989年，美國TRC研發(fā)的巡線機器人樣機，可以通過視覺設(shè)備檢測絕緣子、電暈損耗及接頭、結(jié)合點等，當檢測到線路故障時，機器人會先進行預處理，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給工作人員；2008年，美國電力研究院設(shè)計了一種面向?qū)嶋H應用場景的巡檢機器人“TI”，通過采用新型設(shè)計的輪爪機構(gòu)，機器人能夠快速通過多種障礙物，搭載的可見光攝像頭和紅外成像儀能夠進行故障檢測。2013年，加拿大研制出了一種采用GPS定位得可操作的檢測機器人，可以在735 kV變電站實現(xiàn)視覺和紅外檢測，并能遠程控制開關(guān)；新西蘭研制的電力巡檢機器人還具備雙向語音交互以及激光避障功能。

國內(nèi)對電力巡檢機器人的研究始于20世紀90年代，主要由中科院、武漢大學等單位牽頭開展研究。中科院沈陽自動化研究所研制開發(fā)的“AApe”機器人系統(tǒng)，能夠解決500 kV超高電壓環(huán)境下的機器人自主控制、數(shù)據(jù)圖像傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，目前以及再多地電力公司單位推廣應用；國家電網(wǎng)公司于2002年成立了電力機器人實驗室，主要開展電力機器人領(lǐng)域的技術(shù)研究，2004年研制成功了第一臺功能樣機。在國家項目與多方支持下，我國電力機器人技術(shù)研發(fā)后來居上，已經(jīng)成為行業(yè)主要引導，在市場應用和推廣規(guī)模上都遠遠超過其他國家。目前電力巡檢機器人主要包含輸電線巡檢、變電站巡檢、配電所巡檢和隧道巡檢四項業(yè)務，國內(nèi)電力智能化水平較高的省份主要集中在江浙、上海、湖北等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，行業(yè)技術(shù)廠商也相對集中在這些省份。

國內(nèi)電力巡檢機器人行業(yè)的蓬勃發(fā)展離不開國家政策與方針的支持。2019年國家電網(wǎng)提出“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略，強調(diào)電網(wǎng)智能化、物聯(lián)化，其中無人化運維作為智能電網(wǎng)的重要部分，使巡檢機器人行業(yè)持續(xù)收益。未來電力巡檢機器人的發(fā)展方向?qū)⑹窃谝延袠I(yè)務基礎(chǔ)上做到自動化、信息化與數(shù)字化水平的提升，通過5G通信的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)做到實時數(shù)據(jù)的同步獲取，同時借助人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)提高機器人自主分析能力，真正實現(xiàn)智能化。

2.2 鐵路軌道巡檢機器人

鐵路軌道長期被列車摩擦、沖擊，這種環(huán)境下會導致軌道功能的退化和損壞，如尺寸變化、鋼軌磨損、斷裂、固件松動等。此外，列車也會對經(jīng)過的隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)侵蝕危害，導致隧道表層裂縫、脫落、變形等病害，如果不能及時發(fā)現(xiàn)處置，會嚴重影響行車安全。傳統(tǒng)鐵道巡檢運維單位一般采用的手段包括專用檢測車輛、固定傳感器和人工檢查。專用檢測車檢查效率高，漏檢點少，但整車成本較高，而且不能行駛一些特殊地形，一般用于軌道平整度檢查；固定傳感器需要提前在檢查區(qū)域布設(shè)，可以滿足對局部高風險、高復雜區(qū)域，如橋梁、站點、隧道口等進行全天監(jiān)測，但覆蓋整條軌道的難度和成本很高；人工檢查依賴工作人員手持設(shè)備進行巡檢，效率較低、漏檢誤檢壓力大，而且工作風險高。

伴隨鐵路事業(yè)迅速發(fā)展，機器人作為一種新的鐵路軌道巡檢方式，有效彌補了傳統(tǒng)巡檢手段的不足。軌道鐵路巡檢機器人一般搭載有光學攝像頭、紅外成像儀、雷達、溫度、濕度、氣體傳感器和中控機等，具有圖像采集、環(huán)境感知和信息傳輸?shù)裙δ堋?/p>

國際上，德國AUTENCH AG公司研制了能夠在鋼軌上自主行駛的機器人，通過對鋼軌間距、平整度進行測量，反饋軌道安全信息；意大利LOCCIONI公司研制的巡檢機器人可以以5 km/h速度對軌道尺寸進行測量。日本和韓國目前在隧道裂縫光學檢測方面居于領(lǐng)先地位，日本研制的基于圖像處理的隧道檢測車，可以檢測到最小寬度為0.2 mm的裂縫，并已成功投入應用；韓國研究者設(shè)計的移動平臺機器人，優(yōu)化了相機取景范圍與測量精度，在移動巡檢過程中可以始終保證畫面的清晰度并測量裂縫長度、寬度與角度等。

我國20世紀90年代末期才開始對軌道巡檢機器人開展系統(tǒng)研究，2010年后國內(nèi)一些企業(yè)在相繼推出了商用級產(chǎn)品。浙江國自機器人開發(fā)的掛軌式機器人，采用懸掛式軌道移動方式，可以在空中取得小遮擋、寬角度視場，適合狹小工作環(huán)境；合肥信同公司研制的軌道式巡檢機器人，可以監(jiān)控物體溫度變化并動態(tài)分析預警，通過電力載波技術(shù)可以免去為機器人充電的過程；深圳朗馳欣創(chuàng)公司研制的管廊軌道式巡檢機器人配備了高精度陀螺儀，能夠繪制三維運行軌跡，搭載的傳感器可以對管道表面進行檢測；上海同巖科技研發(fā)的隧道檢查車結(jié)合了相機和激光傳感器，可以以60 km/h速度進行隧道表面缺陷檢測。國內(nèi)其他大學對光學手段檢測隧道裂縫進行的研究也已經(jīng)取得了一定突破。

鐵路軌道巡檢環(huán)境相對復雜，巡檢設(shè)備需要具備極高的安全性和可靠性保障，完全避免機器人對線路運營安全的影響是推廣應用的關(guān)鍵前提。模塊化、高適應性的機器人是目前鐵路軌道巡檢機器人研究的一個方向，一方面，通過傳感器模塊化設(shè)計增加靈活性，實現(xiàn)不同的檢測功能，適應不同的線路檢測環(huán)境，避免搭載傳感器冗余導致的續(xù)航問題。另一方面，高強度、高質(zhì)量的底盤設(shè)計有助于提升機器人的魯棒性和對惡劣工作環(huán)境的容忍性，保證運行的穩(wěn)定。除此以外，基于自主駕駛、邊緣計算、機器學習和車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的、更智能化的鐵路軌道巡檢機器人也是未來的發(fā)展趨勢，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展、應用和融合，現(xiàn)有產(chǎn)品不斷的更迭和改進，鐵路巡檢機器人將擁有更廣闊的應用前景。

2.3 機場跑道巡檢機器人

機場跑道異物（foreign object debris，F(xiàn)OD）指的是在機場跑道區(qū)域內(nèi)影響飛行器正常起降的異物，小到一顆螺釘，一粒碎石都可能對機場安全運行造成嚴重影響。目前國內(nèi)FOD巡檢主要依賴人工作業(yè)的方式，這種方式需要在夜間機場關(guān)閉的時候才能進行，容易出現(xiàn)跑道巡檢不完整、漏檢等問題，可靠性較差。國外部分機場采用了雷達監(jiān)測系統(tǒng)，但需要預先布設(shè)雷達裝置，同時雷達主動輻射的電磁信號也會有影響飛行器電磁環(huán)境的風險。

目前機場對巡檢機器人的應用率還較低，主要是巡檢性能與整體成本之間、續(xù)航性能與巡檢效率之間的矛盾制約了大規(guī)模推廣。重慶交通大學的鄭浪提出了具備異物識別功能的跑道除障機器人設(shè)計，能夠通過算法訓練對常見道面異物進行識別和收集，但是受限于機器人功率和單一傳感器功能，除障效率較低，移動精確度也有待提升；天津工業(yè)大學的張亮等人提出的模塊化跑道巡檢機器人，加裝了通信系統(tǒng)和機械臂控制系統(tǒng)，通過WiFi與遠程PC實現(xiàn)連接，機器人將實時巡檢畫面發(fā)送回PC機，PC機再發(fā)送指令實現(xiàn)機器人控制和異物收集。這種面向商用的機器人結(jié)構(gòu)，提升了機器人的續(xù)航能力，但要求巡檢區(qū)域完全覆蓋WiFi信號，而且仍然依賴人工干預，智能化水平較低；南京理工大學郭健等人提出的巡檢系統(tǒng)，包含一組三個功能不同的機器人和巡檢軌道，不僅能夠檢測跑道異物和常見病害，同時還具有巡界功能，搭載的激光發(fā)射儀、驅(qū)鳥器能夠擊落無人機、熱氣球和驅(qū)趕鳥類，機器人采用視覺定位和GPS定位相結(jié)合的方式確定異物與機器人的相對位置。巡檢系統(tǒng)能夠覆蓋機場對跑道、周界的簡單巡檢需求，但依然需要布設(shè)AP基站實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時機器人加載的傳感器大多依靠視覺，難以深度分析跑道病害。

相比鐵路、隧道、電力巡檢環(huán)境，機場跑道較為平整空曠，環(huán)境復雜度較低，因此對巡檢機器人底盤要求相對不高，需求主要集中在功能指標上?？偨Y(jié)來看，機場跑道機器人應該具備：

（1）能夠搭建高精度傳感器工作環(huán)境，機場跑道除了可見的異物，還有很多病害是隱藏于跑道之下的，因此搭載探地雷達、線陣相機等設(shè)備十分必要。

（2）能夠在多種天氣環(huán)境下工作，跑道巡檢工作一般集中在夜晚，僅依靠光學傳感器無法獲得較好的巡檢效果?；诩t外、雷達和超聲等多種傳感器的綜合解決方案是保證巡檢質(zhì)量的前提。

（3）具備通過通信基站實現(xiàn)控制的能力，特別是隨著5G技術(shù)的規(guī)模性推廣商用，布設(shè)通信基站的經(jīng)濟性和實用性比布設(shè)AP基站的更高，機器人平臺通過公網(wǎng)傳輸?shù)胶蠖薖C機并實現(xiàn)交互是未來的趨勢。

（4）具備更高的高續(xù)航能力，機場一次巡檢的區(qū)域一般較大，因此對機器人續(xù)航能力是很大的考驗。大容量電池電源會占據(jù)更大的空間體積，壓縮傳感器搭載環(huán)境?；谔柲茈姵匕宓臒o線能量獲取方法使機器人可以實現(xiàn)邊工作邊充電，是業(yè)界正在研究的高續(xù)航技術(shù)之一，但目前太陽能電池發(fā)電效率還太低，而且受天氣影響較大。

綜上，目前的巡檢機器人很難完全滿足機場跑道巡檢的實際需求，但隨著民航“十四五”規(guī)劃對建設(shè)“智慧機場”的布局，相關(guān)政策的扶持和傾斜將可能讓機場成為下一個巡檢機器人規(guī)模性推廣應用的市場。

3 巡檢機器人關(guān)鍵技術(shù)

雖然不同應用領(lǐng)域?qū)ρ矙z機器人功能、性能上有不同側(cè)重和要求，但差異性中也存在業(yè)界對新技術(shù)、新體制巡檢機器人的普遍性關(guān)注?？偨Y(jié)來看，巡檢機器人有待突破的關(guān)鍵技術(shù)也是目前特種機器人研究領(lǐng)域的熱點：

3.1 輕量化、高強度結(jié)構(gòu)研究

當前巡航機器人大部分結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)鋼、鋁為主，存在體積大、笨重等問題，一定程度上影響了機器人負載能力和續(xù)航時間。伴隨材料科學的蓬勃發(fā)展，復合材料已經(jīng)成為替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的理想之選。以飛行器為例，空客A350上的復合材料占比高達53%，已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件變成了次承力甚至主承力構(gòu)件，實現(xiàn)了減重增強的目的。輕量化機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于降低驅(qū)動負擔，提高機器人負載能力與續(xù)航能力。

3.2 人工智能技術(shù)

當前巡檢機器人仍然以遠程人工操作為主，需要操作員發(fā)送指令協(xié)助機器人完成相關(guān)動作。人工智能技術(shù)的融合是機器人行業(yè)發(fā)展的趨勢，也是巡檢機器人智能化的關(guān)鍵指標。通過大量障礙物、異物、環(huán)境圖片的訓練，巡檢機器人可以在工作過程中智能識別到障礙物并完成避障，識別到異物進行取樣拍照上傳，識別到入侵進行預警處理等功能，做到完全自主控制，實現(xiàn)巡檢業(yè)務少人化、無人化。

3.3 多傳感器融合技術(shù)

單一傳感器很難適應所有巡檢環(huán)境，因此巡檢機器人搭載的傳感器一般包括光學相機、毫米波雷達和超聲波設(shè)備，其中光學設(shè)備容易受環(huán)境影響，尤其是在夜間或在能見度較低的情況下很難完成巡檢任務，而雷達設(shè)備對異物監(jiān)測不夠直觀，無法有效區(qū)分異物類型?；诙鄠鞲衅魅诤霞夹g(shù)的巡檢機器人可以利用不同傳感器數(shù)據(jù)互補對照，做到巡檢常態(tài)化、全天化與可視化，是提高巡檢性能和準確率的有效手段。

3.4 綜合導航定位技術(shù)

目前部分巡檢機器人已經(jīng)具備按劃分區(qū)域、劃分路徑巡檢的能力，這需要機器人在巡檢過程中能夠?qū)崟r得到自己的定位數(shù)據(jù)才能規(guī)劃導航路線。常見的導航定位技術(shù)包括GPS定位導航、視覺導航等，對于電力巡檢機器人來說，其工作環(huán)境分布有強電磁場，會對定位造成嚴重干擾，一般定位傳感器不能正常工作，因此電力巡檢機器人通過加裝電磁傳感器感應輸電線路進行導航，但是需要安裝的傳感器數(shù)目較多，造成成本高等問題；視覺導航依靠灰度圖像與熱成像感知環(huán)境，對環(huán)境變換較為敏感?；诙喾N導航定位技術(shù)融合的綜合導航定位技術(shù)是巡檢機器人穩(wěn)定正常工作的保證，也是實現(xiàn)無人巡檢的基礎(chǔ)。

3.5 續(xù)航技術(shù)

巡檢機器人一般采用電池載荷供電，考慮到搭載的傳感器設(shè)備與電池大小，續(xù)航時間都普遍短，無法滿足長時間、高效率的工作需求。如何提升續(xù)航能力是業(yè)界普遍關(guān)注和迫切需要解決的問題，也是巡檢機器人大規(guī)模推廣應用的關(guān)鍵因素。無線能量獲取是可行的途徑之一，通過在機器人底盤布置線圈，在巡檢道路上鋪設(shè)充電裝置，可以讓機器人在巡檢過程中補充電能，實現(xiàn)續(xù)航提升，但這種技術(shù)還不完全成熟，一方面是感應獲取的充電功率較小，另一方面需要對地面進行改造，增加了推廣成本，還需要進一步深入研究。

4 結(jié)語

隨著新興應用領(lǐng)域持續(xù)涌現(xiàn)，應用場景不斷下沉，特種機器人市場規(guī)模增速穩(wěn)定。巡檢機器人作為其中一個重要組成部分，行業(yè)不再局限于本體的靈活度和自動化，而是對智能化、互聯(lián)化提出了更高要求，技術(shù)創(chuàng)新也圍繞人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等方向展開。隨著我國特種機器人自主研發(fā)能力不斷突破，電力巡檢與鐵路軌道巡檢兩大領(lǐng)域?qū)⒂辛χ窝矙z機器人在其他行業(yè)的推廣應用，通過共性需求研制標準化通用產(chǎn)品。機場作為下一個潛在的巡檢機器人市場，目前還缺少系統(tǒng)性、整體性的產(chǎn)品出現(xiàn)，但相信隨著“民航強國”戰(zhàn)略的提出，不久的將來，機場也將出現(xiàn)巡檢機器人的身影。