《电气技术》论文分享｜南京南瑞继保电气有限公司程立、牛锐 等：基于虚拟场景的机器人点位标注方法

随着提质增效要求的提出，变电站智能巡检业务快速迭代。变电站智能巡视系统中，机器人承担例行巡视和应急巡视任务，需要针对巡视点位进行标注。传统的在线点位标注方法效率低下，存在诸多不足。因此，南京南瑞继保电气有限公司的程立、牛锐、曾凯、胡静涛、邵闻天，在2026年第3期《电气技术》上撰文，提出基于虚拟场景的机器人点位标注方法，在虚拟场景中完成点位标注和校核，不受工作票和气象条件影响，有效提升了巡检机器人的运维效率。该方法在某变电站的成功应用，证明了其高效性，能够满足智能运维提质增效的要求。

目前，变电站数量逐年增多，运维人员短缺，开展提质增效工作十分必要。变电站巡检机器人作为智能运维的重要一环，承担设备外观检测、表计读数、红外测温等功能。在实际运维过程中，机器人实施巡检工作仍存在一系列瓶颈，尤其是点位标注环节。点位标注前要关注停靠点位、云台参数等，标注后还要验证点位图片的有效性。500 kV变电站点位标注与校核工作通常耗时3个月，时间长且任务重。因此，提高机器人标点效率十分关键。

当前，机器人标点工作面临的主要问题包括：

1）在线标点。将机器人移动至现场环境进行点位标注，根据云台视频反馈来调节停靠点位和云台参数。若无法开出工作票或遇到高低温、刮风及下雨等恶劣天气，则无法完成标点。

2）云台调整。根据现场环境对云台参数进行调节，确保照片居中且清晰可见。云台参数提前预设，当现场光线、路面坑洼等条件发生变化后，原预设参数很难确保图片清晰可见。

3）现场校核。点位标注效果依赖现场校验。机器人需要发起巡检任务逐个对点位拍照，根据行进轨迹和拍照效果进行验证，才能确认点位是否合格。

4）增补点位。由于极度依赖机器人厂家，一旦现场需要增补点位，就要厂家上门服务，费时费力，经济性差。

鉴于此，本文提出基于虚拟场景的机器人点位标注方法，在虚拟场景中完成点位标注和校核，无需现场调整机器人位姿和云台；用户可以自行操作增补点位，不受气象条件影响，从而提升机器人点位标注效率。

1 巡视系统

巡视系统是变电站智能巡检的重要手段。巡视系统设备端由摄像头、机器人和无人机等组成。与固定摄像头相比，巡检机器人机动性更强，不仅能对固定点位例行巡检，而且满足非预置位应急巡检需求。巡视系统网络层由无线网络和安全网关等组成，后台由巡视主机、分析主机等组成。

在功能划分上，摄像头、机器人和无人机等提供巡检图片，包括设备外观、表计等可见光图片，测温红外图谱文件；安全网关提供安全信息加密，防止除机器人和无人机外的非法设备侵入访问；巡视主机接收巡视结果并发送给分析主机，分析主机完成人工智能（artificial intelligence, AI）和数据分析并回传结果，巡视主机结合巡检图片和分析结果生成巡视报告。巡视系统部署在管理信息大区，与生产控制大区通过正、反向隔离交互。巡视系统架构如图1所示。

图1-图3

2 问题分析

2.1 在线标点

操作人员配置点云地图并拉取定位后，遥控机器人到现场进行点位标注，标注通常采用便携式计算机和遥控器结合的方式操作。首先操作人员用遥控器将机器人控制在停靠点位，然后用便携式计算机控制云台并查看视频确认目标物体，反复调节停靠点位和云台参数，直到拍摄目标清晰可见且无遮挡。此过程涉及的要素包括：

1）停靠点。停靠点坐标、朝向角及依附的巡检路径。

2）云台参数。云台的水平旋转、垂直旋转、放大倍率和焦距参数，被拍摄目标的大、小图。

3）巡检点位。按照区域/间隔/设备/部件/点位的结构组织点位信息。

4）网路信息。包含路径点、充电准备点、充电房等信息。

2.2 云台调整

拍摄图片通常分为两类：可见光图片和红外图片。可见光图片分为设备外观和表计类型图片，红外图片通常为接头位置测温图片。设备外观和接头测温图片通常倍率较小，无需精确调节，只要画面清晰且被拍摄物体位于中心区域即可；由于需要对表计等进行精确读数，因此对云台的水平旋转、垂直旋转、放大倍率和焦距参数有精确要求。

对于表计类小物体对象，除了设置初始小图外，还要设置读数清晰可见大图。初始小图要求表计位于画面中央且有适当放大倍率，大图要求表计占图像中间区域1/4且读数清晰可见。

巡检时，第一步锁定目标，先根据小图进行特征比对计算像素偏差，由像素偏差调节云台收敛到阈值范围；第二步放大并调节清晰度，根据大图配置的放大倍率和焦距，放大并调节清晰度，确保读数清晰可见。巡检过程高度依赖停靠点位、云台参数的准确性。如果环境发生变化，如地面不平，造成停靠点位偏差，初始图很难对准小图，放大后很难捕捉到目标物体，导致拍摄失败。

2.3 现场校核

传统方法标定点位后执行任务，采集巡视照片后人工校核。500 kV变电站分配的机器人点位有3 000左右，标注完成后运行3 000点任务耗时很长。如果遇到雨雪天气，要推迟校核。若校核中发现问题，还要完成修正后重新执行任务，进一步拉长了校核周期。

2.4 增补点位

在工程初始阶段，厂家负责全站点位的标注与校核，交付给用户验收后离场。若在运行过程中需要增补点位，则要联系厂家配合。用户缺乏维护手段，高度依赖厂家，运维工作不便且经济性差。

3 解决措施

传统点位标注方法速度慢、可扩展性差，因此本文提出一种基于虚拟场景的机器人点位标注方法，将现实场景转换为虚拟场景，在虚拟场景完成停靠点标注、云台调节、标点校核和点位增补等工作。

虚拟场景可采用三维实景点云技术，其中三维高斯点云（3 dimension Gaussian splatting, 3DGS）是一种基于概率分布的三维场景表示与渲染技术，它将传统点云中的离散点扩展为带有方向、大小和透明度的三维高斯分布（椭球体），通过优化这些分布的参数实现高质量、实时的场景重建与渲染，特别适合完成三维场景建模。三维高斯点云如图2所示。

基于三维高斯点云进行点位标注的流程如图3所示，具体步骤如下。

1）将三维高斯点云导入巡检场景，根据实际场景做点云裁切。

2）用漫游视角遍历整个变电站，规划巡检路径。

3）基于巡检路径上所标注点位，调整机器人位姿。

4）校准停靠点后，调整云台水平旋转、垂直旋转、放大倍率和焦距参数，模拟云台形成拍照视图。对红外测温和设备外观类，预览图即可满足巡检要求；对表计等小物体，预览图定位其轮廓即可，运行依靠云台自动锁定被拍摄物体。

5）根据三维高斯点云预览图片，校核是否满足巡检要求。若不满足，则重新修改停靠点和云台参数。

三维高斯点云扫描精度可达3 cm以内，初始基于虚拟环境标点的准确性很高，但随着设备长期运行，标注的机器人停靠位置与设备会产生偏差（如地面沉降等）。标注只是提供初始角度，机器人本体借助图像识别算法进行目标检测，检测到目标后，借助云台将目标物体居中。对红外测温相机为固定焦距，居中后测温；对可见光相机，居中后放大且调节焦距，保证图片清晰后拍照。因此，点位标注时侧重初始停靠位置，现场环境误差依赖机器人自身智能算法进行云台调节和目标捕捉。

三维高斯点云采用点云与实景相融合的方法重建高保真的三维场景，无需对一次设备单体化。实际工程实施中，通过带有三维高斯点云功能的手持式扫描设备，运维人员顺着巡检路径扫描一圈即可完成建图过程。从35 kV到110 kV、220 kV和500 kV变电站，差异只在于扫描和标注时间长短。

典型110 kV变电站扫描只需3 h，500 kV变电站扫描需要8 h。在标注层面，借助设备铭牌等辅助信息，110 kV变电站点位标注需要1～2天，500 kV变电站点位标注需要3天。

从设备投资来说，前期只需投入手持扫描设备和标点服务器，无需单体化建模，借助铭牌和实景来完成人工标注。对35～500 kV变电站来说，软硬件投资无明显差异，人力投入稍有不同。因此，三维高斯实景点云标注在设备投入和建模周期方面具有明显优势。

4 系统设计

机器人标点作为巡视系统实施的重要环节，从点位标注、产物生成到机器人装载运行，需要系统设计。机器人标点系统设计如图4所示，由巡视主机、标点工具、业务组件、导航组件和云台组件5部分组成。

1）巡视主机

负责下发巡视任务，接收巡视结果并做点位校核工作。

2）标点工具

负责生成标点产物，具体步骤如下：

（1）生成巡检路径。依据变电站台账等资料，整理标注要求，以虚拟视角漫游全站，覆盖所有巡检点位。标出机器人巡检路径，包括路径点和路径边的属性，如铺装路面、草地和楼梯等。

（2）生成充电房。根据基建位置，配置充电房位置。若现场有多个充电房，则正确配置地理位置，并且与巡检路径顶点连接。

（3）生成巡检停靠位。依赖台账文字牌信息，定位巡检目标。选中巡检目标和相邻路径位置，根据目标坐标和相邻路径求最短距离且无遮挡，即为停靠位置。

（4）生成云台参数。生成停靠位置后，根据机器人本体结构参数（长、宽、高等），云台内参（倍率、焦距）等，自动计算云台水平旋转、垂直旋转、放大倍率和焦距参数。

（5）生成校验。完成全站点位标注后，自动校验路径和巡检点位的完整性。若存在错误，如路径不连续等，则重新人工校验。

（6）生成产物并下载。校验完成后生成标点产物，将产物压缩后传输到业务组件，通知业务组件下载成功。

3）业务组件

收到标点工具下发产物通知后，解压产物并解析配置文件，重建巡检路径、巡检点位等信息。业务组件由北向协议、业务调度模块、导航南向协议、云台南向协议组成。

（1）北向协议。具体分为巡视主机协议和标点工具协议。巡视主机协议为机器人本体与巡视后台协议，遵循电网公司规范，如国家电网《变电站远程智能巡视系统技术要求》，支持任务下发、巡视路径及点位结果上送等功能。为保证机器人本体与巡视后台的互操作性，双方须以电网公司规范为依据，保证协议操作的一致性，实现巡视后台与机器人本体的互联互通。标点工具协议为内部私有协议，满足任务下发、点位在线校验、工具产物接收并解析等任务。

（2）业务调度模块。负责将巡视后台任务按照优先级排序，高优先级可打断低优先级；将巡视点位进行全局规划，按照全局最短路径排序，排序后逐个规划每个点位的详细路径，再通过导航南向协议下发给导航组件；当到达巡检点位时，将巡检任务的云台参数下发给云台南向协议。

（3）云台南向协议。负责将业务调度模块点位参数下发给云台模块，同时接收云台水平旋转、垂直旋转、放大倍率和焦距及状态信息。

4）导航组件

负责将业务模块下发的导航点位执行到位，并上送实时坐标和位姿。导航分为全局路径规划和局部路径规划，全局路径规划基于栅格地图完成，局部路径规划基于激光雷达等完成。

5）云台组件

接收业务模块下发的巡检云台参数，调用可见光或红外相机进行目标拍照。可见光相机除调用水平旋转、垂直旋转、放大倍率和焦距参数外，还要对目标进行自发现和聚焦；红外相机调用水平旋转、垂直旋转、放大倍率和焦距参数，生成红外图谱文件。云台组件将可见光和红外文件上传给业务调度模块，业务调度模块通过北向协议上送给巡视主机。

5 工程验证

将本文所提基于虚拟场景的机器人点位标注方法应用于新一代四足巡检机器人，并在某变电站试点运行。四足巡检机器人基于足式结构，头部装配双光云台，尾部装配声纹，前后部署激光雷达。具体实施步骤如下：

1）现场收资。工程实施前变电站收资，包括标注点位内容和数量、一次设备及变电站巡视路径等情况。

2）实景点云扫描。对现场进行实景点云扫描，即在勘探过程中，携带具有三维高斯点云功能的手持式扫描设备，对全站进行实景点云扫描并建模。

3）点位标注。获取点位标注资料和实景点云后，整理标注区域，如35 kV区域、220 kV区域和500 kV区域。先采用漫游视角对巡检路径进行标注，然后可以分区域多人同时进行标注，如35 kV、220 kV和500 kV区域各1人，联合对各区域的巡检点位进行标注，标注效率大约为1 000点/(人∙天)。

4）标注校验。标注完成后，先进行路径和点位有效性校验，如路径具有连通性，点位生成元素完整；再对点位生成预览图，由人工完成点位合格性校核。机器人实际点位拍照效果与预览图高度重合，基本保持一致，实际效果对比如图5所示。

5）生成产物并下载。完成产物下载并运行。

6）在线校核。下发巡检任务给机器人本体，机器人完成全站巡检并上传巡检图片，巡视后台自动完成现场校验，对极少数不符合标注要求的，提示运维人员手动确认并重新校核。若少数不符合要求，则可实地现场校验。

将本文所提方法与传统的在线标注方法进行对比，见表1。因此，基于虚拟场景的点位标注技术，有效解决了在线标点面临的诸多难题，降低了人力投入，提升了机器人的运维效率。

图4-图5、表1

基于虚拟场景的机器人点位标注方法，在设备和路径固定的场合中的标注准确度高。但是，对于变化场景，如变电站改造前完成三维高斯点云扫描，而改造后一次设备或道路拓扑发生变化，则意味着虚拟场景不能反馈真实场景。此时，不能在原有虚拟场景进行标注，必须增补扫描三维高斯点云或线下操作机器人进行点位增补。

6 结论

本文针对传统巡检机器人点位标注存在的效率低等问题，分析在线标点、云台调整、现场校核和增补点位面临的困难，提出了基于虚拟场景的机器人点位标注方法。典型500 kV变电站3 000点位标注，全流程耗时从14天缩减至3天。基于虚拟场景标注的机器人在试点站的成功投运，验证了所提方法的有效性，极大地提升了机器人的运维效率。

本工作成果发表在2026年第3期《电气技术》，论文标题为“ 基于虚拟场景的机器人点位标注方法 ”，本项目得到智能巡检四足机器人关键技术研究及应用的支持。