變電站智能巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 梁，劉 帥，李國波，趙洪丹

0 引言

變電站是整個電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，其工作狀況直接影響到整個電力網(wǎng)絡(luò)能否正常運(yùn)行。所以對其的巡檢與維護(hù)是關(guān)乎電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。雖然目前的變電站內(nèi)自動化儀表已經(jīng)可以通過聯(lián)網(wǎng)的方式，從后方監(jiān)控室直接獲取讀數(shù)與工作狀況信息。但是，變電站內(nèi)仍然存在大量刀閘開關(guān)，絕緣瓷瓶，油位計(jì)等設(shè)施，需要人員定期進(jìn)行巡視，排除由于設(shè)備缺陷造成的安全隱患。變電站巡檢機(jī)器人正是設(shè)計(jì)用于幫助變電站巡視人員，完成對變電站現(xiàn)場儀表設(shè)備繁雜的巡檢任務(wù)，從而節(jié)省人力成本[1]。巡檢機(jī)器人不會由于大量重復(fù)性工作而出現(xiàn)漏檢，誤檢現(xiàn)象，從而相對于人工巡檢，提高巡視強(qiáng)度，減少巡視誤查。

變電站巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)最基本的功能是負(fù)責(zé)控制巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)其智能無人巡檢。面對室外復(fù)雜的工作環(huán)境，控制系統(tǒng)還要能夠及時處理各種突發(fā)異常，確保巡檢機(jī)器人自身的安全。本文所介紹的變電站巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)由兩部分組成。第一是位于機(jī)器人本體的控制器，其主要功能是完成一些較底層的機(jī)構(gòu)控制，包括各個機(jī)載設(shè)備的繼電器通斷，運(yùn)動電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，并且將底層傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提供給高層使用。第二是位與遠(yuǎn)端監(jiān)控室的監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)與變電站現(xiàn)場機(jī)器人的實(shí)時通訊。本文主要介紹后者的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)可以讓操作人員方便的監(jiān)控機(jī)器人的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，控制機(jī)器人執(zhí)行巡檢指令，實(shí)現(xiàn)對巡檢機(jī)器人的遙操作控制。不僅如此，考慮到巡檢任務(wù)的高度重復(fù)性，監(jiān)控系統(tǒng)還可以按照操作人員事先的標(biāo)定信息，完成無人巡檢。在無人巡檢過程中，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對采集到的圖像信息具有一定的分析能力，能夠及時發(fā)現(xiàn)處于異常工作狀況的設(shè)備儀表，并向操作人員報(bào)告。當(dāng)完成每日的巡檢任務(wù)后，監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)該將每日的巡檢結(jié)果存貯在數(shù)據(jù)庫中，供操作人員查詢。監(jiān)控系統(tǒng)的諸多功能，給其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶來困難。在[2]中，使用MSRDS（Microsoft Robotics Developer Studio）作為控制系統(tǒng)框架，完成對機(jī)器人系統(tǒng)的仿真與控制，同樣，在[3]中，作者利用號稱“機(jī)器人操作系統(tǒng)”的ROS（Robot Operating System）作為框架，設(shè)計(jì)并開發(fā)自己的控制系統(tǒng)。MSRDS的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供良好的人機(jī)交互界面，并且做到界面顯示，功能算法實(shí)現(xiàn)與人機(jī)交互的相互隔離，從而有利于模塊化的組織監(jiān)控軟件。而ROS的優(yōu)勢在于各個傳感器，執(zhí)行器模塊化的運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)他們之間良好的通訊機(jī)制，有利于將監(jiān)控系統(tǒng)按功能層次分割開來，降低模塊間的耦合，使得監(jiān)控軟件整體的魯棒性變強(qiáng)。本文中的監(jiān)控系統(tǒng)也基于這些思想，采用設(shè)計(jì)模式中的方法，完整地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)所應(yīng)具有的功能。

本文的其余部分安排如下：第一章簡單介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，第二章將詳細(xì)介紹監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，第三章介紹的是在無人巡檢中起到重要作用的圖像處理系統(tǒng)，第四章給出該項(xiàng)目中巡檢機(jī)器人試運(yùn)行期間的運(yùn)行結(jié)果，最后一章是對全文的總結(jié)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

應(yīng)用于變電站巡檢的機(jī)器人需要能夠起到代替巡視工作人員對變電站進(jìn)行巡視檢查的作用，應(yīng)該配備有多種傳感器，足以采集變電站現(xiàn)場所需要的各類數(shù)據(jù)，同時也需要良好的通訊渠道，能夠?qū)崟r反饋機(jī)器人自己的工作狀態(tài)并執(zhí)行操作人員下達(dá)的控制指令。為了獲得更好的控制，還需要將巡檢機(jī)器人與遠(yuǎn)端的監(jiān)控系統(tǒng)連接在一起，使得巡檢機(jī)器人可以接受監(jiān)控端發(fā)來的指令，并且可以將現(xiàn)場采集到的信息實(shí)時傳送回監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行在監(jiān)控終端，負(fù)責(zé)完成對巡檢機(jī)器人的遙操作控制。作為整個巡檢系統(tǒng)的最上層，監(jiān)控系統(tǒng)是操作人員與巡檢機(jī)器人之間唯一的接口。其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整個系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)用于自動記錄巡檢機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并用于人工監(jiān)視、遙控、查詢及管理巡檢數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺由人機(jī)界面、權(quán)限管理及圖像數(shù)據(jù)庫等部分組成。除了要完成對機(jī)器人及其上的設(shè)備進(jìn)行基本開關(guān)、移動操作之外，還需要提供更加高級與人性化的功能，包括控制機(jī)器人的作業(yè)方式、對異常信息的報(bào)警與自處理、管理軟件操作人員。對于變電站現(xiàn)場需要定時巡檢的儀表或者設(shè)備，可以首先將其位置信息以及能讓像機(jī)進(jìn)行正常拍攝的云臺信息保存為標(biāo)定列表。將需要進(jìn)行巡檢的時間保存為運(yùn)行參數(shù)列表，由定時器進(jìn)行觸發(fā)。當(dāng)?shù)竭_(dá)巡檢時間的時候，控制小車完成自動巡檢任務(wù)。由于自動巡檢時涉及到要操作多種設(shè)備（車體電機(jī)，云臺，攝像頭等），所以可以采用狀態(tài)機(jī)模型對各個模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，順利進(jìn)行巡檢。監(jiān)控軟件還配有儀表識別功能，可以對由高清攝像機(jī)拍攝的儀表照片自動進(jìn)行識別（指針儀表的指針讀數(shù)、液位儀表的液位高度等），當(dāng)超出儀表所標(biāo)定的正常范圍時，將會對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，提醒操作人員注意。同樣，機(jī)器人配備的紅外攝像機(jī)可以檢測出溫度異常的設(shè)備，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有超出正常運(yùn)行溫度的設(shè)備時，也會進(jìn)行報(bào)警。由于每天巡檢產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分巨大，所以還需要將巡檢所得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便后續(xù)的管理。因此，監(jiān)控軟件還具有連接數(shù)據(jù)庫的功能，并可以存儲，修改與刪除其中的數(shù)據(jù)。需要進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)可以分為用戶登錄信息、用戶操作信息、圖像信息、標(biāo)定信息，運(yùn)行參數(shù)信息5 個主要部分。需要在數(shù)據(jù)庫中分別建立相應(yīng)的表項(xiàng)對其進(jìn)行存貯與管理。除此之外，監(jiān)控軟件還需要提供一個方便用戶操作的人性化界面，如圖1所示：

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.1 機(jī)器人（移動車體）管理

負(fù)責(zé)與變電站現(xiàn)場小車及其負(fù)載設(shè)備通信的建立與保持，繼而完成對其所有的控制。包括機(jī)器人控制：負(fù)責(zé)控制與機(jī)器人的連接，控制機(jī)器人的運(yùn)行，如車體的速度控制、溫度控制、充電控制等。并且可以通過控制繼電器，達(dá)到對車載設(shè)備的斷電重啟功能。云臺控制：負(fù)責(zé)控制與云臺的連接，反饋云臺當(dāng)前位置以及控制云臺轉(zhuǎn)動。云臺高清攝像機(jī)控制：負(fù)責(zé)控制與云臺上高清攝像機(jī)的連接，及攝像機(jī)的軟件重啟，焦距調(diào)節(jié)及拍照控制。云臺紅外攝像機(jī)控制：負(fù)責(zé)控制與云臺上紅外攝像機(jī)的連接，及攝像機(jī)的焦距，采集紅外成像。前、后標(biāo)清攝像機(jī)控制：負(fù)責(zé)控制與前、后標(biāo)清攝像機(jī)的連接，并且可以采集變電站現(xiàn)場的聲音信號。

1.2 運(yùn)行模式控制

提供兩種運(yùn)行模式，一為人工巡檢模式：提供人工巡檢的相關(guān)操作，如控制機(jī)器人前往目標(biāo)點(diǎn)、移動云臺、對目標(biāo)位置進(jìn)行拍攝等。另一個為自動巡檢模式：提供自動巡檢功能，采用自動機(jī)模型，在用戶指定的時刻對標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行自動巡檢。

1.3 圖像處理

圖像處理系統(tǒng)是為了能夠讓巡檢機(jī)器人在進(jìn)行無人巡檢的過程中，及時發(fā)現(xiàn)處于異常工作狀態(tài)的設(shè)備儀表。高清圖像識別：利用圖像處理相關(guān)算法，對云臺高清攝像機(jī)拍攝到的高清圖像進(jìn)行圖像處理，對不同的儀表類型采取不同的識別方式，最終給出識別結(jié)果，判定儀表、油位讀數(shù)是否在正常范圍之內(nèi)。紅外圖像測溫：利用紅外攝像機(jī)拍攝的帶有溫度信息的圖像，對圖像中目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行溫度檢查，判定區(qū)域內(nèi)設(shè)備是否有溫度異常的情況。此部分的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)在下一章進(jìn)行介紹。

1.4 數(shù)據(jù)庫管理

負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的連接、數(shù)據(jù)傳輸。維護(hù)數(shù)據(jù)庫端與監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的4 個數(shù)據(jù)庫。用戶信息數(shù)據(jù)庫：負(fù)責(zé)存貯所有操作人員的用戶名、密碼與權(quán)限信息?？蛇M(jìn)行新添，修改與刪除操作。并且可記錄與查詢所有操作人員對軟件的使用操作情況，包括登陸軟件、退出軟件的時間、對圖像數(shù)據(jù)的存貯、查詢、刪除等操作。標(biāo)定信息數(shù)據(jù)庫：存貯巡檢點(diǎn)的標(biāo)定信息，包括標(biāo)定點(diǎn)名稱、類型、里程計(jì)、云臺讀數(shù)、巡檢時間段等?？蛇M(jìn)行新添，修改與刪除操作。參數(shù)信息數(shù)據(jù)庫：存貯巡檢時間參數(shù)、機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)。圖像信息管理：存貯經(jīng)過操作人員確認(rèn)后的巡檢得到的圖像及相關(guān)信息，包括自動識別的儀表指針、紅外圖像的溫度值等。操作人員可以查詢與刪除記錄。并提供打印服務(wù)。

1.5 巡檢日志

記錄監(jiān)控終端的一切運(yùn)行信息以及人員操作，通過回溯系統(tǒng)的運(yùn)行日志，可以分析系統(tǒng)歷史運(yùn)行狀態(tài)，主要用于對系統(tǒng)的維護(hù)。

2.4.5 速效鉀 長順縣土壤速效鉀含量涵蓋1～5等級(圖3e)，其中上等水平耕地面積181.87 km2，占全縣耕地面積的41.4%，主要分布在長順縣的西部和東北部；中等水平耕地面積254.54 km2，占全縣耕地面積的57.95%，主要分布在長順縣的北部和東部。

2 監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)本身所具有的功能已經(jīng)十分的繁雜，不僅僅需要完成基本的硬件控制，還要提供如自主巡檢，圖像識別這樣的高級功能，不僅要建立與管理數(shù)據(jù)庫，還要提供良好的人機(jī)交互界面。除此之外，面對變電站現(xiàn)場復(fù)雜的工作環(huán)境，監(jiān)控軟件還應(yīng)該具有一定的異常處理能力，即使在無人狀況下遇到突發(fā)狀況，也能夠合理應(yīng)對，保證巡檢機(jī)器人的安全。

按照功能的差異性，監(jiān)控系統(tǒng)可以分為3 個層次實(shí)現(xiàn)，如圖2所示：

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖

2.1 基礎(chǔ)層

該層主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對巡檢機(jī)器人上所有硬件的基本操作，使得上層功能的實(shí)現(xiàn)可以脫離開繁瑣的硬件調(diào)用流程。并且可以在網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量不好的情況下，仍然維持監(jiān)控系統(tǒng)對巡檢機(jī)器人的操控。機(jī)器人控制模塊的所有功能均是在本層中實(shí)現(xiàn)的。程序?qū)崿F(xiàn)時采用單例模式的方法封裝對各個硬件的控制模塊，這樣做既可以方便上層對硬件接口的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)模塊間的低度耦合，同時也避免了在系統(tǒng)中對同一硬件設(shè)備聲明兩個實(shí)體，造成資源訪問沖突的錯誤。除此以外，該層還負(fù)責(zé)管理監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間連接的建立與維持。方便上層更好的操作數(shù)據(jù)庫。

由于基礎(chǔ)層負(fù)責(zé)管理機(jī)器人硬件，因此巡檢日志中對設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)的記錄也是在這里完成的。

2.2 功能層

通過基礎(chǔ)層提供的豐富而魯棒的接口服務(wù)，該層可以方便的組織出高級控制功能。運(yùn)行模式控制便是在這一層實(shí)現(xiàn)的。

運(yùn)行模式中，自動巡檢是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能。由于該功能適用于無人條件下，不僅僅需要對巡檢機(jī)器人各個硬件設(shè)備進(jìn)行頻繁、有序的操作，更要具備一定的異常處理能力，應(yīng)對變電站現(xiàn)場復(fù)雜的工作環(huán)境，保障巡檢機(jī)器人自身安全性。

在巡檢流程中設(shè)置的自動/人工巡檢切換，則是方便操作人員在機(jī)器人巡檢途中，對未標(biāo)定的儀表進(jìn)行巡查。由于基礎(chǔ)層提供的良好接口，可以保證自動機(jī)啟動以后，可以按照步驟準(zhǔn)確的執(zhí)行指令，完成巡檢任務(wù)，如圖3所示：

圖3 自主巡檢流程圖

同時，考慮到巡檢途中機(jī)器人可能遇到的異常狀況，或由于機(jī)器人本身硬件發(fā)生故障導(dǎo)致巡檢任務(wù)無法繼續(xù)，自動機(jī)中還加入了異常處理環(huán)，當(dāng)進(jìn)入此狀態(tài)后，監(jiān)控系統(tǒng)將暫停巡檢任務(wù)，根據(jù)異常情況的不同，采取相應(yīng)的處理措施。除了提供運(yùn)行模式控制功能以外，功能層還負(fù)責(zé)管理監(jiān)控系統(tǒng)對各個數(shù)據(jù)庫的查詢，存貯與管理工作。

3 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)主要由紅外圖像測溫和高清圖像識別兩部分組成。前者利用紅外相機(jī)采集到的帶有溫度信息的紅外圖像，檢測圖像目標(biāo)區(qū)域溫度，與警戒溫度進(jìn)行對比，即可以找出處于異常工作溫度的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)起來較為容易，這里主要介紹高清圖像識別功能的實(shí)現(xiàn)。

高清圖像識別是指對于由高清攝像機(jī)拍攝到的儀表盤指針讀數(shù)，油位計(jì)液面高度進(jìn)行識別?；凇半x線標(biāo)定，在線識別”的思想，采取模板匹配的方法，識別儀表附近特征明顯的標(biāo)記物（Mark）或者紋理豐富的部件（表盤黑框輪廓等）作為模板，進(jìn)行離線標(biāo)定和在線識別。

上述過程中，均用此模板來進(jìn)行匹配，找到儀表位置并進(jìn)行識別。學(xué)習(xí)并獲取模板文件之后，進(jìn)行離線標(biāo)定，獲得被識別儀表的表盤輪廓、指針中心、表盤半徑等信息，選擇最適合該儀表的識別算法、識別空間，生成標(biāo)定文件存于相應(yīng)文件夾，作為在線識別時的參數(shù)。按照儀表種類的不同，有4 種不同的算法對圖像進(jìn)行識別。

對于指針式儀表，采用改進(jìn)的中心投影法。在HSV 空間內(nèi)遍歷表盤上每個像素，沿半徑方向向旋轉(zhuǎn)中心投影，計(jì)算灰度值的最大值或者最小值。制定評價標(biāo)準(zhǔn)，評估最佳空間最優(yōu)算法。

對于紅線液位表和紅指針液位表，采用自動閾值篩選法，以整個帶黑框的表盤作為模板進(jìn)行匹配。根據(jù)紅線占整個表盤面積的比例是個固定值這個特點(diǎn)，首先獲得儀表在H空間和S 空間的圖像，采用自動閾值設(shè)定的方法依次在表盤面積范圍內(nèi)搜索紅線。比較H 空間和S 空間的計(jì)算結(jié)果，取更靠近表盤中心的區(qū)域作為真實(shí)的指針標(biāo)出。然后根據(jù)紅線離Max 及Min 刻度的距離來得出液位表的示數(shù)。

對于紅色球面液位計(jì)，由于紅色在H 空間中特征顯著，直接在H 空間里搜索紅色閾值范圍之內(nèi)的區(qū)域，作為紅色液位的面積。然后以紅色區(qū)域的中心位置為圓心，以最大寬度為半徑生成一個圓形，比較紅色區(qū)域的面積占圓形區(qū)域面積的比例，獲得最終讀數(shù)。

對于無色液位計(jì)，以帶螺釘?shù)谋眍^作為特征，識別此模板并在識別時進(jìn)行匹配。根據(jù)表盤有液體部分和無液體部分呈現(xiàn)出不同這個特點(diǎn)，無液位部分表盤有明顯的豎狀條紋紋理。在彩色空間中檢測模板區(qū)域內(nèi)的直線，并將直線區(qū)域聯(lián)通作為無液位區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域的面積以及表盤的面積，兩者相比得出液體占表盤面積的比例。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中，主程序的主界面如圖4所示：

圖4 圖形操作界面

A 框中為巡檢機(jī)器人上各個視像傳感器的實(shí)時監(jiān)測畫面，從上到下依次是高清攝像機(jī)，紅外攝像機(jī)，兩部標(biāo)清攝像機(jī)的實(shí)時視像。B 框顯示機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，包括里程計(jì)讀數(shù)、速度、溫度等文字信息，下方是一個二維動態(tài)地圖，顯示機(jī)器人在變電站現(xiàn)場的實(shí)際位置。C 框中包括對機(jī)器人控制的常用操作按鈕，如云臺轉(zhuǎn)動、攝像機(jī)對焦、機(jī)器人移動以及定時巡檢等。

通過主界面的菜單欄，用戶還能夠訪問各個數(shù)據(jù)庫的信息，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)、操作人員、采集數(shù)據(jù)、巡檢任務(wù)的管理。如圖5所示：

圖5 不同類型的儀表示例

圖5 是對4 種典型的儀表運(yùn)用圖像處理算法后得到的結(jié)果?？梢钥吹剑瑢τ谥羔槂x表以及油位計(jì)，算法能夠準(zhǔn)確的找到指針位置；而對于液位類的儀表，算法也能夠標(biāo)記出液位所占據(jù)的圖像面積，從而可以以此計(jì)算得到液位的實(shí)際體積。

目前的巡檢系統(tǒng)的高清儀表識別受到天氣，光線等影響，識別率為80%。

5 總結(jié)

本文詳細(xì)講解變電站巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。從監(jiān)控終端平臺的功能設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)，還特別介紹了為完成自主巡檢任務(wù)而采用的圖像處理算法。監(jiān)控系統(tǒng)軟件由層次清晰的各個功能模塊組成，能夠控制巡檢機(jī)器人在變電站復(fù)雜工作環(huán)境下對相關(guān)設(shè)備儀表進(jìn)行巡檢，節(jié)省人力資源的同時，還提高了對異常設(shè)備的排查能力，確保安全生產(chǎn)。

目前的巡檢系統(tǒng)的高清儀表識別準(zhǔn)確率僅能達(dá)到80%，如何更好地應(yīng)用圖像處理算法提高識別準(zhǔn)確率，是該系統(tǒng)下一步的改進(jìn)方向。巡檢機(jī)器人雖然可以采集到現(xiàn)場設(shè)備工作時的聲音，卻沒有進(jìn)一步進(jìn)行處理，如何通過設(shè)備工作聲音來檢測設(shè)備工作狀態(tài)，判斷設(shè)備是否工作異常也是系統(tǒng)可以提高的地方。

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