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智能巡检机器人行业研究报告
2021/4/12 9:00:15 浏览次数:1619

智能巡检机器人

智能巡检机器人是特种机器人(专业服务机器人)的一种,一般是基于感知、认知(或者决策)、执行三个核心要素,在某种特定环境(高危、艰苦、人工作业有短板)进行智能化巡检的应用型机器人。

智能巡检机器人的产业链的三个层面:

(一)智能巡检机器人的类型 :

目前,智能巡检机器人可以分为三大类:地派—无轨智能巡检机器人和有轨智能巡检机器人、天派---智能巡检无人机、水派---水下智能巡检机器人,分别应用在不同的细分行业中。

1、地派---无轨智能巡检机器人和有轨智能巡检机器人

无轨智能巡检机器人一般采用组合SLAM技术,对复杂环境实时自适应地图构建,实现高精度定位与导航,采用可见光相机、红外成像仪、拾音器等多传感器融合技术,实现表计识别、设备状态识别、红外测温及三相比对、环境检测等功能。无轨智能巡检机器人主要引用与室外设备巡检,以及室内环境复杂的设备巡检,主要应用行业为:电力、数据机房、安防等。

无轨智能巡检机器人:

有轨智能巡检机器人一般采用轨道移动方式,搭载高清摄像机、红外热成像仪、拾音器等设备。随着城市的高速发展,除了基础的地上轨道交通以外,充分和高效利用城市地下通道资源成为城市发展的必须。有轨智能巡检机器人主要运用于内部环境封闭,人工难以实现全天实时监控,但布局较为简单的隧道场景。目前主要应用行业:电力、低下轨道交通等。

有轨智能巡检机器人:

2、天派---智能巡检无人机

无人机是无人驾驶飞机(UnmannedAerial Vehicle)的简称,是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置的不载人飞机。无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务,可以被看做是“空中机器人”。无人机具有设计灵活、体积小、重量轻;续航时间长,空间利用率高,载荷能力强;安全系数高,自主控制能力强;无人员伤亡,可在高风险空域飞行等优点。这类机器人需要额外关注自动飞行技术、充电技术。

无人机按技术特征可分为固定翼机、多旋翼机、无人直升机、无人飞艇、无人伞翼机。当前的无人机市场以固定翼和多旋翼无人机为主,其主要特点为:

固定翼无人机:

多旋翼(多轴)无人机:

中国目前在无人机方向发展领先世界(以大疆为代表),无人机商业化应用场景也及其多:

但目前来看,无人机商用的主要场景集中在:电力输电线路巡检、城市综合治理巡检、交通应急巡检。

3、水派---水下智能巡检机器人

水下智能巡检机器人主要解决人体无法长时间作业及不能下水的安全限制,降低人员伤亡,提高检测效率、监测范围、数据化及信息的实时性,降低检测成本。由于水下环境较为复杂,目前水下智能巡检机器人还是以人工操作为主。主要应用行业在渔产、水电站维护巡检、水下科考、海洋探索等。这类机器人需要额外关注防水密封能力、水下图像识别:解决感光畸变和折射问题。

水下智能巡检机器人关键零组件及算法组件:

(二) 智能巡检机器人行业发展趋势:

1、机器人平台化趋势日趋明显

作为智能巡检机器人系统的重要载体,机器人本体通过搭载实现巡检功能的传感器在特定工作环境下自主运行,完成软件系统的数据融合与分析、通信传输、接口规范、应用对接、专家系统等功能,随着产品不断趋于成熟,主要体现在以下几个方面:

(1)机器人结构功能趋于一致:机器人的硬件结构、传感器、防护等级、设计规范等要求趋于统一;同时,机器人硬件基本由感知、控制、驱动等部分构成,这样有利于用户及行业标准化的制定,也便于产业链形成以及行业管理;

(2)机器人软件核心功能趋于标准化:随着机器人应用的不断成熟,机器人核心功能的量化及应用为运维工作带来了重大变化,目前巡检机器人的核心功能包括环境感知、视觉识别、红外测温、音频检测、安防监控、呼叫平台等,上述每一个功能的量化目标、接口规范、数据标准已不断明确,使得机器人软件开发有章可循,核心功能数据趋于标准化并不断成熟;

(3)用户接口及应用趋于平台化:机器人平台化主要包括硬件平台化、软件平台化以及核心功能平台化等三个方面。随着应用场景及核心功能的不断成熟,机器人应用已从早期的演示推广发展到目前的核心功能数据接入使用和运维操作平台化建设。具体而言,一方面,数据接口在应用过程中不断规范化;另一方面,根据最终用户需求,在对接不同平台时呈现更加符合其运维需要的数据信息。

从机器人角度来看,平台化一方面便于客户使用及规范化操作,另一方面,也可以促使产业链不断发展。

2、由“感知”向操作、协作发展

巡检功能属于智能系统中“感知”功能的突出表达,具体包括环境感知、设备状态感知等。鉴于应用场景具有一定的特殊性,正常运维人员不能解决的往往是“感知”任务的复杂性和操作难度,为此,当前最为紧迫的是用机器人来实现运维的“感知”功能,而随着智能巡检机器人的成熟使用,具备更多感知、操作及人机协作功能的智能机器人将会是未来的发展方向。

此外,由于“感知”信息后需要对信息进行“处理”和“操作”,因此操作机器人会成为智能巡检机器人的后续功能延伸和发展;同时,从操作的角度来说,“感知”和“操作”是一个从手动遥控操作到人机协同,再到自主作业完成复杂操作的过程。

3、物联网带来的单体智能向系统智能化发展

单体智能和多体智能是智能机器人系统的重要应用形式,单体智能突出机器人本体从感知、表达、控制、决策等方面的智能化程度,多体智能突出协作性、关联性和系统性。巡检机器人从单体智能的角度来看,突出巡检机器人的自动运行、环境适应性、多模态数据采集与融合、图像识别、专家系统等功能,直观来说,就是机器人能够完成自主、复杂、多样的任务。

从多体智能角度来说,更强调多系统的融合,包括机器人与环境传感器、被测对象、其他智能设备和系统、运维人员等主体(智能体)的数据融合,同时,能够与其他主体(智能体)数据关联分析,以及协同完成特定任务等功能。单体智能目前已经趋于平台化、标准化和规范化,而多体智能则将成为行业发展的趋势,促进系统整体优化提升,为运维系统带来新的发展。

4、多模态数据融合呈现多样化价值应用

目前,智能巡检机器人主要功能是实现不同形态的数据采集、数据识别、判断与决策。其采集的数据主要包括环境数据(温湿度、声音、电磁场强度等)、安全数据(防跌落、外力破坏、人员入侵、火源等)、被检测设备状态数据(红外、图像数据、紫外等数据)等,由于上述数据关联性、重要性以及用途不一,因此呈现多模态形式,具体情况如下:

(1)工作环境数据;(2)设备状态数据判断与预警;(3)运行数据呈现与管理(运维平台)。随着智能巡检机器人行业的不断成熟,对数据的选择性应用已成为趋势,也进一步提升了数据采集的有效性和应用价值。

5、人工智能引领行业快速发展

智能巡检机器人无论在机器人自主移动、控制与驱动、定位导航以及传感器数据采集、图像处理、语音采集与处理、专家系统分析与决策、大数据分析等方面都用到人工智能技术,换一个角度来说,人工智能在每一个领域的突破和发展,都会对智能巡检机器人核心功能、平台特性、数据运维管理、专家决策与预警等起到推动作用。

进一步来说,从以下几个方面会受到相应人工智能发展的影响:

(1)环境智能监控;(2)机器人即时定位与地图构建(SLAM);(3)机器人控制与决策;(4)机器人数据采集与处理;(5)大数据平台与专家系统。

6、机器人成为精益管理的重要载体,智能化程度越来越高

未来,随着各行业的发展以及智能化、自动化水平的提升,机器人将成为重要的载体和工具,是信息获取和运维的重要手段。此外,由于机器人技术的发展以及人工智能水平的不断提升,机器人将会走向多种应用场合,实现更为复杂、多样的任务,包括维修维护、消防安全、操作运行等工作,满足无人值守、协同操作等更为智能的运维及管理功能。

(三)智能巡检机器人主要应用行业及市场分析:

智能巡检机器人的需求较为前沿,发展也相对落后于工业机器人以及狭义的服务机器人,因此必须找到:1、有特殊工作环境(高危、艰苦、人工作业有短板),对专业服务机器人具有需求刚性;2、有政策引导;3、有支付能力的下游领域,才能够支持企业的长期发展。

目前来看,智能巡检机器人主要引用的大行业有:电力、数据中心、城市综合治理。

1、电力行业:

(1)智能巡检机器人应用于电力智能运维检测领域的情况:

在电力系统中,由于电能生产、输送、分配和使用的连续性,对系统中各设备单元的安全可靠运行都有很高的要求。特别是随着电力工业向着大机组、大容量、高电压的迅速发展,保障设备运行的可靠性更成为安全生产的突出课题。因此,电力设备的运维检测,特别是一些先进技术、方式、方法在设备故障诊断中的应用也越来越受到普遍的重视。

我国电力系统的构成电力系统由发电厂、输电环节、变电环节、配电环节及电力用户组成,其构成如下图所示:

电力设备的运维检测是指通过对电力设备的运行状态进行检测或监测,获取电力设备状态信息,及时发现各种劣化过程的发展状况,并在可能出现故障或性能下降到影响正常工作前,及时进行维修、更换,从而保障整个电网运行的安全性、稳定性和可靠性。

电力设备的运维检测手段主要包括带电人工检测、带电在线监测和离线检测等三种。其中,带电人工检测一般采用便携式检测设备,对运行状态下的电力设备进行的现场检测;带电在线监测一般采用相关设备或仪器,安装在被监测环境中,用来对被监测设备进行不间断实时的在线监测;而离线检测则一般通过定期对停止运行的设备进行规定项目的检查,发现设备的问题和隐患。

随着我国国民经济的快速发展和电力需求的不断增加,电力用户对于供电安全性、稳定性和可靠性要求不断升级。为了更好的满足电力用户需求,同时尽可能降低检修的成本,两大电力公司从“十一五”时期开始逐步加大了对电力设备状态检测、监测技术的研发和试点力度,从而替代以人工巡检为主的巡检方式。然而,现有的巡检方式和技术与电力生产的安全性要求相比仍有相当的距离,因此,通过电力智能巡检机器人取代人工巡检,实现电力检测、运维功能,具有重要意义。

在“2009 特高压输电技术国际会议”上,国家电网公司提出了“坚强智能电网”概念,智能电网的概念涵盖了提高电网科技含量、提高能源综合利用效率、提高电网供电可靠性、促进资源优化配置等内容。2010 年,“加强智能电网建设”被写入《政府工作报告》。

国家电网公司、南方电网公司先后分别制定了《国家电网智能化规划总报告(修订稿)》、《国家电网 2015-2020 年电网智能化滚动规划指南》、《南方电网“十三五”智能电网发展规划研究报告》、《南方电网发展规划(2013—2020 年)》等发展规划。目前,我国电网建设已经实现大范围覆盖,但离智能电网高可靠性、高自动化率的目标尚有一定差距,因此,智能电网是我国电网建设持续投入的趋势和方向。

根据《国家电网智能化规划总报告(修订稿)》,2016-2020 年为智能电网建设第三阶段,电网规划总投资 1.4 万亿元,其中智能化规划投资 1,750 亿元,占比为 12.5%。若再加上南方电网投资部分,未来智能电网投资存在较大空间。随着国家智能电网战略的推进,电力行业智能机器人市场规模快速增长。

电力行业是国民经济的基础性、支柱性、战略性产业,其发展水平关系到人民生活和社会稳定,是国家经济发达程度的一个重要标志,而智能电网是提高能源利用效率和电网安全稳定水平的重要保障。因此国家和有关部门陆续制定了一系列产业政策支持我国电力行业的技术发展及智能电网的建设。与智能电网行业相关的主要产业政策如下:

电力智能巡检机器人应用的核心场景:

智能电力巡检机器人是国家电网智能化管理要求下,输、变、配环节实现无人化、运维一体化建设的重要内容,大大提升运维检测效率,覆盖面广,结合大数据专家后台实现变电站、配电站智能化运行,提升电网智能化。

传统的变电站、配电站巡视主要通过人工方式,综合运用感官以及一些配套的检测仪器对相关设备进行以简单定性判断为主的检查,该方式除了对劳动力要求较高外,还存在巡检不到位,巡检结果无法数字化等缺陷,不符合智能电网的发展方向。而智能巡检机器人集最新的机电一体化和信息化技术于一身,采用自主或远程遥控方式,克服了传统的人工巡视电力线路及设备存在的劳动强度大、检测质量分散、主观因素多等缺陷。

此外,智能巡检机器人可以替代人工在高压及超高压环境下自主定位、自主巡检和自动充电,对电力设备实施全天候、全方位、全自主智能巡检和监控,实现设备环境、外观、分合状态、压力、泄漏电流、噪声等巡视监测数据全覆盖和智能识别,同时利用先进的人工智能算法,对巡检数据进行对比和趋势分析,及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆,从而有效降低运维人员劳动强度,满足国家电网改造中对电力系统提出的智能化、无人化要求,为智能变电站、配电站和无人值守站等提供创新性的技术检测手段和全方位的安全保障。

对于高压架空输电线路,传统的人工巡线方式存在劳动强度大、工作条件艰苦和劳动效率低等劣势,在遇到电网紧急故障和异常气候时,人工巡线尤其困难。发展无人机巡检是适应现代化电网建设的要求。2013年3月,国家电网公司出台《国家电网公司输电线路直升机、无人机和人工协同巡检模式试点工作方案》指出,建立直升机、无人机和人工巡检相互协同的新型巡检模式是坚强智能电网发展的迫切需要。

2013年,变电站智能巡检机器人首次进入国家电网招标目录,标志着变电站智能巡检机器人产品在国家层面上形成了统一的技术标准和准入门槛。配电站智能巡检机器人目前尚未列入国家电网集中采购名录,由各省级电力公司依据国家电网公司招标流程的规范要求,在其权限范围内根据各地实际需求自主发起招标。

2014年以来,变电站机器人市场迎来一次较大规模的爆发,亿嘉和、浙江国自、朗驰欣创、申昊科技等公司通过研发,先后推出了变电站巡检机器人产品。随着电力机器人国内市场需求的增加,越来越多的厂家投入到变电站巡检机器人的研制中,促进了变电站巡检机器人自主移动、智能检测、分析预警等技术的进步。

(2)电力智能巡检机器人行业市场容量分析:

目前,智能电网建设和增强供电可靠性已上升为国家战略。在此背景下,两大电网公司分别提出了建设智能电网和推广状态检修的明确规划,并在操作层面制定了具体的应用标准及配置原则,且还在进一步制订可行的现场应用导则,从而为电力设备状态检测、监测行业的快速发展奠定了坚实的基础。电力设备状态检测、监测作为近几年发展起来的新兴行业,呈现出巨大的成长潜力和发展空间。

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施。“十二五”以来,我国智能电网建设进入全面快速发展的新阶段。在变电网领域,根据国家电网公司制定的发展规划要求,2016-2020年期间要实现新建变电站智能化率100%,新建智能变电站约8,000座,原有枢纽及中心变电站智能化改造率100%。

截至2014年底,我国正在运行的各电压等级变电站具体数量如下表所示:

2019年全国变电站数量分别为3.7万个,按照每台75~100万的均价计算,市场容量约为277~370亿人民币(100%渗透率),变电站室内导轨巡检机器人按照每台30~50万的均价计算,市场容量约为111~185亿人民币(100%渗透率)。变电站巡检机器人整体行业规模400~550亿元。

配电站一般是指10kv及以下安装有配电屏柜对负荷进行分配、供给的场所,广泛分布在住宅小区、商业中心、办公楼宇中。根据统计,一般一个地级市配电站数量从500座至5,000座不等,直辖市、省会城市、经济发达城市数量较多,小城市、经济欠发达城市则较少。

考虑到不同城市规模、经济发展水平差距,以及“十三五”期间国家大力开展智能配电网建设等因素,按平均每个地级市1,000座配电站估计,全国297个地级以上城市(含4个直辖市)大约拥有配电站30万座。由于配电站智能巡检机器人目前尚未列入国家电网集中采购名录,若假设20%配电站采用智能化巡检设备,则也有接近6万个配电站需要采购智能巡检机器人,假设单台配电站巡检机器人售价30~50万,这部分市场潜在规模也有200~300亿元。

目前变电站巡检机器人的上市公司和准上市公司已经很多,基本以区域为划分,投资机会不大。

智能巡检机器人目前主要公司:

亿嘉和、杭州中昊,国网智能、鲁能集团、合肥发源地,浙江国自等等


当前数据中心建设属于新基建重点,机器人行业将进入新一轮爆发期。从投资角度看,全球整体市场仍在快速增长,服务机器人将迎来发展黄金时代。

本文选自梧桐树资本风险投资团队投资总监马龙的《智能巡检机器人行业研究报告》部分内容。

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