陕西省科学技术奖提名项目公示
一、项目名称
基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置
二、提名单位及提名意见
提名单位：西安电力高等专科学校
提名意见：
针对目前输电线路压接管、耐张线夹等压接类金具内部缺陷依靠可见光巡视及红外光巡视无法发现，R型销钉缺失缺陷，均需要人工登塔高处带电作业等问题，提出一种“无人机-机器人协同”智能巡检整体解决方案。通过设计机载挂载平台，骑线式机器人研发试制，利用地面工作站实现对检修检测机器人的实时控制，采用电磁屏蔽适应技术，实现高电压复杂电磁环境下数据链双向稳定传输，使无人机巡检具备连续全自动化运行。
“无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置”已在陕西公司输电基建项目验收、输电线路带电消缺等50余个场所试点应用，实现了750千伏六分裂导线带电无损探伤、110千伏及35千伏输电线路R型销钉缺陷消缺等电力检修检测任务。系统投运至今已多次执行常规化检测任务，自动完成数据分类存储和生成巡检报告，实现了检修检测的全过程管控，推进了设备缺陷数据分析应用的精细化和精益化管理水平，提升了无人化作业能力，具备带电完成检修检测任务，实现对检修检测过程的实时监控以及检测数据的自动分析处理。有效扩大了无人机作业范围，全面提升了运检质效，促进了线路运维向“数字化”“智能化”迈进，将有力支撑智慧输电线路及设备运检数字化建设。
我单位认真审阅了该推荐材料及完成人资格，确认推荐材料真实有效，相关栏目符合填写要求。
同意推荐该项目为陕西省科学技术进步三等奖。
三、项目简介
1．项目所属科学技术领域
电气工程领域的输配电工程、电力系统自动化。
2．项目主要科技内容
西北地区特高压、超高压规模大，设备运行环境恶劣，存在高海拔、高温差及大风沙等特殊运行工况，压接金具在长期大温差及大风舞动工况下易于产生内部隐蔽缺陷，常态化运维手段无法有效发现此类缺陷，一旦发生压接金具失效断裂，销钉缺失导致的掉线事故，轻则单条线路退出运行重则影响输电断面；西北地区电网还承担着清洁能源消纳和交直流外送的重要任务，一旦重要输电断面、 枢纽变电站、关键设备发生故障，对网架结构的稳定产生重要影响。本项目针对西北地区架空输电线路运行特点，提出采用无人机平台+微型X射线技术以提高缺陷检出率，倒挂式带电补销机器人提高缺陷带电消除率。围绕以上两种现场检测检修新方法的关键技术，本项目开展了智能机器人及无人机磁场抗扰度技术研究、金具图像处理识别及远程主控图传系统技术研究、无人机搭载智能机器人投送方法研究、6 轴机械臂运动轨迹程序算法技术研究、故障点快速定位与内部构件可视化等五方面原创性研究。
（1）“无人机-机器人协同”智能检修检测系统总体架构。
“无人机-机器人协同”修检测系统系统包含三大部分：无人机及机载计算平台、检修检测机器人和无人机机场地面站操控系统。无人机机载计算平台基于GPU的高性能前端计算分析在作业过程中实时识别对象。无人机机场内置多组电池，可进行充电或自动更换电池，可以实现对无人机自动回收、野外存放、能源补给。地面站操控系统对巡检任务、无人机飞行作业、机器人检测检修状态及被检测设备缺陷情况进行实时监视和管控，实现巡检数据闭环化管理。
（2）关键核心技术
该方案包括3个核心技术：无人机在强电磁环境下的精准定位和强电磁环境下机器人精准作业。
1）无人机强电磁环境下的精准定位
无人机在强电磁环境下实现精准作业，采用基于深度卷积神经网络的 YOLO V3算法，对网络参数和结构进行适应性的改进，用图像识别的定位技术识别待检测金具标志，通过对采集的摄像头图像进行实时分析识别，计算出无人机当前的相对位置，并使无人机自动调整飞行姿态和角度，从而精准地定位在标志物上。
2）强电磁环境下机器人精准作业
全机体CNC 等电势隔离屏蔽信号发生技术，首创无人机及机器人接触式带电停靠在输电线路技术，在电磁干扰、等电位技术上进行关键性技术突破。关节仿身远控机械臂无延迟高精度联动技术，从机械臂实战应用的实际出发，结合当下最先进双臂具身技术，可操作性得到极大提升。利用可收缩的顶轮机构给驱动轮施加接触面压强，该技术有效保证了防坠及大角度爬行。主控体横向平移装置智能识别水平度调节姿态技术，全自动智能系统让机器人在作业过程中始终保持水平状态。
3）可视化检测报告自动生成，检测结果一目了然
基于电气设备隐患的分析结果，结合标准的巡检报告模板，自动生成巡检报告，支持一键导出，减少大量的巡检报告人工编写工作，使得巡检结果标准化。同时可在管控平台中可视化查看本次巡检发现的隐患，使得巡检结果一目了然。
3．授权知识产权情况
授权发明专利《一种电力线路巡检用多旋翼飞行器》1项，实用新型专利《一种用于输电线路的自动化补销装置》等6项，软件著作权《智能无人机巡检巡查后数据处理平台V1.0》等 4项，核心期刊论文《基于无人机巡检的极端环境架空输电线路缺陷检测系统》等3篇。
4．应用推广情况
陕西公司输电基建项目验收、输电线路带电消缺等50余个场所试点应用，实现了750千伏六分裂导线带电无损探伤、110千伏及35千伏输电线路R型销钉缺陷消缺等电力检修检测任务。实现了真正的“不停电”检测检修，减少人力成本。提高了操作的安全性，通过无人机搭载X光检测装置及带电检修机器人，消除了作业人员高处带电作业的风险，从而减少了安全事故的发生。通过无人机作业准备时间短，检测准备时间短，分析报告当场出具提高了作业效率。提高巡检精细化程度，弥补了传统运维巡视手段无法有效发现隐蔽缺陷的短板。
四、客观评价
该项目相关成果技术应用在多方文献中涉及，其中文献《无人机自动化智能巡检系统的设计与实现探讨》探讨全自动智能巡检方式的重要性、必要性及指导意义，基于云计算、计算机深度学习、物联网、大数据、无线通信、人工智能等技术，面向油田电力、固定设施、管线等多种应用情景设定系统建设目标和内容，分析无人化巡检实现的可行性。文献《基于5G无人机在电力输电线路自动巡线的实现与研究》提出了输电线路泛在巡检技术思路，并通过在输电线路智能巡检体系建设中的实际研发应用，证明无人机开展输电线路检测检修，并实时开展故障研判和缺陷智能分析是完全可行的，对提高作业安全、巡检效率和作业质量效果显著，为无人机智能巡检作业技术体系的深入研究提供实践依据。文献《基于无人机巡线的智能追踪导航系统研究》表明无人机巡检作为电力行业一种全新的运维方式，是对直升机和人工巡线的有力补充，不仅减轻了输电线路运维人员的工作强度，而且提高了巡检质量、效益和效率，将是今后输电线路运维管理的发展方向。文献《基于机载计算机的无人机智能巡检方案》通过机载计算机取代传统方案的移动图形工作站，并结合轻量化网络对检测模型进行轻量化改进，实现无人机检测端直接进行边缘计算；然后通过优化机载端与地面站的传输方案以及设计云端远程巡检控制方案，实现无人机的机载端实时自动回传检测结果，并上传至云平台；实验表明，该方案无需移动端复杂操控，可实现现场设备检测检修并接收检测结果，达到远端人员可快速精准响应的目的。
“基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置”智能巡检技术已在部分地区电力公司实现部署应用，降低人力成本，提高巡检效率与精度。“基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置”智能检修检测系统涉及的基于无人机-机器人协同的检测检修模式，实现由人工登塔高处带电作业或设备停电检修向现场自动化带电作业的无人机检测检修模式转变。“基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置”检测检修技术作为一项融合电力、导航、通信、航空、控制、图像处理等多个领域的高新技术，能够帮助或替代人力完成检测巡检工作，提高检测巡检效率，降低人力资源的使用，具有极其重要的现实意义和研究价值。
五、推广应用情况
目前已经在榆林公司-北大变、宝鸡公司-雍城变、咸阳公司-大杨变和庄头变、西咸新区公司-云谷变、铜川公司-桃曲变等输电密集通道、国网商洛供电公司等50余个场所部署使用。
其中在商洛公司山区输电线路中，在人员无法抵近观察的边坡、林区等危险区域进行检修检测，取得很好的巡检效果。
日检测量可达人工的6倍，发现缺陷率为人工巡视的3倍，“基层减负”和“提质增效”成果提升60%以上，实现真正的带不停电检修检测，大大减少人力成本的同时有效提升操作的安全性、作业效率和巡检精细化程度，推动无人机作业模式向作业智能化转变。
主要应用单位情况表如下：
表1主要应用单位情况表
应用单位名称 | 应用技术 | 应用的起止时间 | 应用情况 |
国网汉中供电公司 | 基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置 | 2021年11月-2022年3月 | 无人机带电侧向并入任意相输电线收发装置，让无人机在输电线路上平稳悬停，机构快速完成机器人的投送和回收动作。机器人机体可在多分裂回路多角度的自由调节输电多分裂线路金具任意点全位补销。可适应单根导线、双分裂、四分裂、六分裂导线压接金具检测。 |
国网宝鸡供电公司 | 基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置 | 2021年11月-2022年3月 | 无人机带电侧向并入任意相输电线收发装置，让无人机在输电线路上平稳悬停，机构快速完成机器人的投送和回收动作。机器人机体可在多分裂回路多角度的自由调节输电多分裂线路金具任意点全位补销。可适应单根导线、双分裂、四分裂、六分裂导线压接金具检测。 |
陕西电力科隆发展有限责任公司 | 基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置 | 2021年10月-2022年4月 | 无人机带电侧向并入任意相输电线收发装置，让无人机在输电线路上平稳悬停，机构快速完成机器人的投送和回收动作。机器人机体可在多分裂回路多角度的自由调节输电多分裂线路金具任意点全位补销。可适应单根导线、双分裂、四分裂、六分裂导线压接金具检测。 |
国网宝鸡供电公司 | 基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置 | 2022年11月-至今 | 无人机带电侧向并入任意相输电线收发装置，让无人机在输电线路上平稳悬停，机构快速完成机器人的投送和回收动作。机器人机体可在多分裂回路多角度的自由调节输电多分裂线路金具任意点全位补销。可适应单根导线、双分裂、四分裂、六分裂导线压接金具检测。 |
国网铜川供电公司 | 基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置 | 2022年11月-至今 | 无人机带电侧向并入任意相输电线收发装置，让无人机在输电线路上平稳悬停，机构快速完成机器人的投送和回收动作。机器人机体可在多分裂回路多角度的自由调节输电多分裂线路金具任意点全位补销。可适应单根导线、双分裂、四分裂、六分裂导线压接金具检测。 |
国网咸阳供电公司 | 基于无人机-机器人协同的架空输电线路带电探伤及R型销钉缺陷修补装置 | 2022年11月-至今 | 无人机带电侧向并入任意相输电线收发装置，让无人机在输电线路上平稳悬停，机构快速完成机器人的投送和回收动作。机器人机体可在多分裂回路多角度的自由调节输电多分裂线路金具任意点全位补销。可适应单根导线、双分裂、四分裂、六分裂导线压接金具检测。 |
六、主要知识产权和标准规范等目录
知识产权类别 | 知识产权具体名称 | 国家（地区） | 授权号 | 授权日期 | 证书编号 | 权利人 | 发明人 | 发明专利有效状态 |
发明专利 | 一种电力线路巡检用多旋翼飞行器 | 中国 | CN 112357073 B | 2022年10月11日 | ZL 2020 1 1265184.6 | 西安电力高等专科学校 | 鹿彬；蔡建；周钢；卢欣超；鹿楠；白亚为；孙喆；牛婷；侯亦存；梅崇瑞；陶正鑫 | 有效 |
实用新型专利 | 一种无人机自主巡检管理控制设备 | 中国 | CN 221886906 U | 2024年10月22日 | ZL 2024 2 0332653.9 | 西安电力高等专科学校 | 孙喆,朱贵琪,孔敏儒,周来宏,张亮,张琰,赵鹏,张琦,贺玉哲,赵凯航,韩涛,豆国瑞 | 有效 |
实用新型专利 | 一种无人机用缓冲机构 | 中国 | 受理中 | 2024年11月7日 | 202422708847.7 | 西安电力高等专科学校 | 朱贵琪,孙喆,张亮,李建兴,薛琦,于瑞雪,李建峰,冯喆,张静,赵鹏,张琦 | 有效 |
实用新型专利 | 一种用于输电线路的自动化补销装置 | 中国 | CN 221995007 U | 2024年11月12日 | ZL 2024 2 0160698.2 | 西安电力高等专科学校 | 张静;孙喆;孔志战;雷鸣雳;李新民;乔红;李娟;张利军;陈强李博森;薛晶;党晔;冯苗;罗静;王梅梅;顾燕丰;高肖松 | 有效 |
实用新型专利 | 一种架空输电线路作业机器人 | 中国 | CN 220775200 U | 2024年4月12日 | ZL 2023 2 2371141.1 | 西安电力高等专科学校 | 张静;孙喆;雷鸣雳;乔红;李娟;闵红利;马佳;刘晓谦韦小丽;薛和利;贾品丽;井晶;徐艳萍;温一哲;薛晶 | 有效 |
实用新型专利 | 一种无人机用的X光探伤射线机挂载装置 | 中国 | CN 222272378 U | 2024年12月31日 | ZL 2024 2 0835663.4 | 西安电力高等专科学校 | 孙喆,朱贵琪,李建兴,周来宏,唐凯,张亮,张琰,赵鹏,张琦 | 有效 |
实用新型专利 | 一种声波成像电力探伤检测无人机设备 | 中国 | 受理中 | 2024年12月30日 | 202411965054.1 | 西安电力高等专科学校 | 朱贵琪,孙喆,张亮,李建兴,薛琦,于瑞雪,李建峰,冯喆,张静,赵鹏,张琦 | 有效 |
软件著作权 | 无人机电池健康安全检测报警系统V1.0 | 中国 | 软著登字第9977424号 | 2022年8月5日 | 2022SR1023225 | 西安电力高等专科学校 | / | 有效 |
软件著作权 | 智能无人机巡检巡查后数据处理平台V1.0 | 中国 | 软著登字第9950789号 | 2022年8月3日 | 2022SR0996590 | 西安电力高等专科学校 | / | 有效 |
软件著作权 | 无人机巡迹管理系统V1.0 | 中国 | 软著登字第10709073号 | 2023年1月19日 | 2023SR0121902 | 西安电力高等专科学校 | / | 有效 |
软件著作权 | 无人机巡检智能归档系统V1.0 | 中国 | 软著登字第10858893号 | 2023年2月22日 | 2023SR0271722 | 西安电力高等专科学校 | / | 有效 |
软件著作权 | 无人机机场智能管控平台V1.0 | 中国 | 软著登字第11967089号 | 2023年11月3日 | 2023SR1379916 | 西安电力高等专科学校 | / | 有效 |
核心论文 | 《输配电线路故障识别及处理方法》 | 中国 | 《电力设备》2019年第5期2月中 | 2019年2月15日 | / | 西安电力高等专科学校 | 孙喆、赵鹏、张琦、周刚 | 有效 |
核心论文 | 《对输配电线路带电作业技术发展趋势研究探讨》 | 中国 | 《电力设备》2019年第5期2月中 | 2019年2月15日 | / | 西安电力高等专科学校 | 赵鹏、张琦、周刚、孙喆 | 有效 |
核心论文 | 《基于无人机巡检的极端环境架空输电线路缺陷检测系统》 | 中国 | 《自动化技术与应用》知网 | 2024年10月21日 | / | 西安电力高等专科学校 | 孙喆，周来宏，张琰 | 有效 |
七、主要完成人情况
姓名 | 排名 | 行政职务 | 技术职称 | 工作单位 | 完成单位 | 对本项目技术创造性贡献 |
孙喆 | 1 | 高级工程师 | 西安电力高等专科学校 | 西安电力高等专科学校 | 作为项目及课题负责人，主导确立项目核心技术路线，突破传统人工检测效率低、安全性差的痛点，从技术顶层设计层面明确 “安全风险防控 - 设备集成 - 协同控制” 的三阶研究框架，为项目提供系统性创新方向。创造性提出 “抗电磁干扰 + 主动避障” 双重安全防控方案。针对输电线路强电磁环境，设计飞控系统、通信模块的电磁屏蔽封装结构 | |
薛琦 | 2 | 高级工程师 | 西安电力高等专科学校 | 西安电力高等专科学校 | 突破商用云台承载与运动精度不足的问题，设计专为 X 射线设备定制的三轴云台 —— 采用轻量化铝合金框架，优化电机配置与传动结构；创新性解析无人机飞控系统（如大疆 FC30）通信协议，开发云台与飞控的专用协同接口，实现两者运动同步 | |
张静 | 3 | 讲师 | 西安电力高等专科学校 | 西安电力高等专科学校 | 参与成像背板设备结构设计，创新性提出 “轻量化 - 高强度” 平衡方案，通过碳纤维材料（pla-cf 3D 打印材料）3D 打印设备外壳，在减轻重量 30% 的同时提升结构强度 20%，为设备轻量化提供关键技术支撑。 | |
李建兴 | 4 | 副教授 | 西安电力高等专科学校 | 西安电力高等专科学校 | 创新性设计 X 射线设备与无人机的集成结构，提出 “模块化挂载方案”—— 将 X 射线源与探测器分为两个独立模块，通过快拆接口与无人机连接，方便设备维护与更换，同时优化电气供电链路，采用双电池冗余供电，解决设备续航不足问题。 | |
李建峰 | 5 | 高级工程师 | 国网陕西省电力有限公司 | 国网陕西省电力有限公司 | 在稳定设计中，提出 “自适应减震算法”，通过传感器实时采集无人机抖动数据，动态调整减震机构阻尼系数，将成像板抖动幅度控制在 0.5mm 以内，提升影像清晰度。 | |
薛晶 | 6 | 高级工程师 | 西安电力高等专科学校 | 西安电力高等专科学校 | 在稳定设计中，提出 “自适应减震算法”，通过传感器实时采集无人机抖动数据，动态调整减震机构阻尼系数，将成像板抖动幅度控制在 0.5mm 以内，提升影像清晰度。 | |
张亮 | 7 | 高级工程师 | 西安电力高等专科学校 | 西安电力高等专科学校 | 在稳定设计中，提出 “自适应减震算法”，通过传感器实时采集无人机抖动数据，动态调整减震机构阻尼系数，将成像板抖动幅度控制在 0.5mm 以内，提升影像清晰度。 |
八、主要完成单位及创新推广贡献
完成单位名称 | 排名 | 对本项目科技创新和推广应用情况的贡献 |
西安电力高等专科学校 | 1 | （1）西安电力高等专科学校作为第一完成单位，负责监督指导总体技术方案制定、技术分析、可行性研究、技术路线确定、技术优化和具体实施推广等。持续提供有关理论、方法和应用技术支持，并参与指导了项目成果的推广应用。 （2）提供了关键技术支持，建立了多分裂全角度金具智能补销技术，X光探伤技术、全机体CNC 等电势隔离屏蔽信号发生技术首创无人机接触式带电停靠在输电线路技术，在电磁干扰、等电位技术上进行关键性技术突破，实现项目技术在电力行业现场的应用。 （3）负责项目成果的推广应用，对于项目成果如何在复杂作业现场的实施，进行了优化评估，提升了性能，为其他单位提供技术支持和人员培训支持，大幅提高作业效率和精度，降低人力成本。 通过该项目研究，获得多项知识产权，西安电力高等专科学校对于项目的理论推进、技术实现、智能检测检修系统落地推广应用具有突出贡献。 |
国网陕西省电力有限公司 | 2 | 国网陕西省电力有限公司作为第二完成单位，建立了无人机侧向带电输电并网线路技术，防坠智能收缩顶轮预紧技术为实现无人机自主巡检作业提供了有效支撑。 同时通过各种科技活动和宣传渠道，对本项目的推广应用起到了极大的推动作用。 |
九、完成合作人关系说明
完成人合作关系情况汇总表
序号 | 合作方式 | 合作者 | 合作时间 | 合作成果 | 备注 |
1 | 共同知识产权 | 鹿彬；蔡建；周钢；卢欣超；鹿楠；白亚为；孙喆；牛婷；侯亦存；梅崇瑞；陶正鑫 | 2021-2022 | 一种电力线路巡检用多旋翼飞行器 | 发明专利 |
2 | 共同知识产权 | 孙喆,朱贵琪,孔敏儒,周来宏,张亮,张琰,赵鹏,张琦,贺玉哲,赵凯航,韩涛,豆国瑞 | 2023-2024 | 一种无人机自主巡检管理控制设备 | 实用新型专利 |
3 | 共同知识产权 | 朱贵琪,孙喆,张亮,李建兴,薛琦,于瑞雪,李建峰,冯喆,张静,赵鹏,张琦 | 2023-2024 | 一种无人机用缓冲机构 | 实用新型专利 |
4 | 共同知识产权 | 张静;孙喆;孔志战;雷鸣雳;李新民;乔红;李娟;张利军;陈强李博森;薛晶;党晔;冯苗;罗静;王梅梅;顾燕丰;高肖松 | 2023-2024 | 一种用于输电线路的自动化补销装置 | 实用新型专利 |
5 | 共同知识产权 | 张静;孙喆;雷鸣雳;乔红;李娟;闵红利;马佳;刘晓谦韦小丽;薛和利;贾品丽;井晶;徐艳萍;温一哲;薛晶 | 2023-2024 | 一种架空输电线路作业机器人 | 实用新型专利 |
6 | 共同知识产权 | 孙喆,朱贵琪,李建兴,周来宏,唐凯,张亮,张琰,赵鹏,张琦 | 2023-2024 | 一种无人机用的X光探伤射线机挂载装置 | 实用新型专利 |
7 | 共同知识产权 | 朱贵琪,孙喆,张亮,李建兴,薛琦,于瑞雪,李建峰,冯喆,张静,赵鹏,张琦 | 2023-2024 | 一种声波成像电力探伤检测无人机设备 | 实用新型专利 |
8 | 共同知识产权 | 孙喆、赵鹏、张琦、周刚 | 2018-2019 | 《输配电线路故障识别及处理方法》 | 文章 |
9 | 共同知识产权 | 赵鹏、张琦、周刚、孙喆 | 2018-2019 | 《对输配电线路带电作业技术发展趋势研究探讨》 | 文章 |
10 | 共同知识产权 | 孙喆，周来宏，张琰 | 2018-2019 | 《基于无人机巡检的极端环境架空输电线路缺陷检测系统》 | 文章 |
国网陕西省电力有限公司李建峰（第5完成人）作为本项目的主要完成人，在稳定设计中，提出“自适应减震算法”，通过传感器实时采集无人机抖动数据，动态调整减震机构阻尼系数，将成像板抖动幅度控制在 0.5mm以内，提升影像清晰度。进行开发和技术指导，长期以来一直以项目合作和技术开发的方式保持合作，共同完成多项科技项目和知识产权申报。
西安电力高等专科学校孙喆、薛琦、张静、李建兴、薛晶、张亮（分别为第1、2、3、4、6、7完成人），长期致力于打造陕西公司多专业融合的无人机检测检修作业体系，通过柔性团队、创新工作室、科技项目的方式开展多项前言新兴技术研究，并合作申报多项知识产权、编写专业教材、行业标准。
