發(fā)電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人安全監(jiān)測研究

秦 源

（國電投河南工程運(yùn)維有限公司，河南鄭州 450000）

隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在能源行業(yè)中，發(fā)電廠升壓站是一個(gè)至關(guān)重要環(huán)節(jié)，其負(fù)責(zé)將發(fā)電廠產(chǎn)生的電能升壓并送往輸電網(wǎng)。然而，由于升壓站通常位于偏遠(yuǎn)或危險(xiǎn)的地區(qū)，人工巡檢存在一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)。為解決這個(gè)問題，研究人員開始探索利用智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行安全監(jiān)測的可能性，發(fā)電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人的研究應(yīng)運(yùn)而生，智能巡檢機(jī)器人可通過搭載各種傳感器和攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測升壓站的工作狀態(tài)和安全狀況。它們可自主巡檢，并能夠在檢測到異常情況時(shí)立即發(fā)出警報(bào)。智能巡檢機(jī)器人的研究不僅可提高升壓站的安全性和穩(wěn)定性，還可提高巡檢效率和減少人力物力的投入，并且機(jī)器人的通信和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)也需具備高度的安全性和可靠性，以保證巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和機(jī)密性。

1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

利用紅外熱成像技術(shù)對火力發(fā)電廠的電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到及時(shí)診斷和處理故障的目的。該系統(tǒng)的架構(gòu)分為客戶端和服務(wù)端，如圖1所示?？蛻舳搜b置安裝在后臺(tái)監(jiān)視主機(jī)上，用于獲取被監(jiān)視設(shè)備的信息和圖像，并在監(jiān)視屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。后臺(tái)工作人員會(huì)根據(jù)屏幕上顯示的信息，給機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)的巡檢命令，由機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)。服務(wù)端安裝在機(jī)器人上，通過控制單元控制機(jī)器人的移動(dòng)、巡檢及對障礙物的清理。

圖1 發(fā)電廠升壓站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 檢測模塊選擇

在進(jìn)行電氣設(shè)備巡視時(shí)，機(jī)器人搭載了多種傳感器，如紅外熱像儀、可見光照相機(jī)、紅外廣域傳感器和超聲波探測器，以采集電氣設(shè)備的多源數(shù)據(jù)并進(jìn)行辨識(shí)和分析，了解電廠升壓站電氣設(shè)備的工作狀況。在檢測模塊選擇中，選擇了FLIRA310型紅外溫度計(jì)和DS-2CD1201D-I3型可視化照相機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對變壓器的監(jiān)測和故障識(shí)別。這種方法可避免與電力設(shè)備直接接觸，提高巡視工作的安全性，并避免停電帶來的不便。

1.3 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊采用了STM32中央處理器作為系統(tǒng)核心，其擁有充足的存儲(chǔ)器和邏輯資源，具備良好的擴(kuò)展性。在中央控制器的控制下，驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)PWM波的寬度來控制車輛的行駛速度。機(jī)器人配備的電廠升壓站智能巡視機(jī)器人有4個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都配備了微型操縱器，這些操縱器的驅(qū)動(dòng)采用了MWN 波形。舵機(jī)的供電電壓范圍在3～7V，其扭矩和角度范圍為0°～90°。因?yàn)閮蓚€(gè)系統(tǒng)間的通訊接口不同，為實(shí)現(xiàn)電廠升壓站巡視機(jī)器人和中央控制系統(tǒng)的串行通訊，需要切換通訊接口，該設(shè)備通過無線裝置向中央控制器發(fā)送控制命令，并通過轉(zhuǎn)發(fā)模塊對云臺(tái)進(jìn)行控制。發(fā)電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人控制單元如圖2所示。

圖2 發(fā)電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)控制單元

1.4 通信模塊設(shè)計(jì)

為確保巡檢機(jī)器人與監(jiān)測中心間的暢通通信，需采用可提供良好信號(hào)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)；同時(shí)當(dāng)信號(hào)質(zhì)量不佳時(shí)需采取措施保障其不受影響，以保證控制中心能夠接收到正確的探測數(shù)據(jù)。

同時(shí)，電網(wǎng)設(shè)計(jì)充分考慮了國計(jì)民生，對發(fā)電廠升壓站的網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行了考慮，在通信過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。針對電廠升壓站特殊環(huán)境，文章采用了多網(wǎng)橋模式建立無線通信系統(tǒng)，以防止高壓磁場對通信信號(hào)的影響，確保通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。

電廠升壓站巡視機(jī)器人通過無線設(shè)備來完成數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸工作。由于圖像信息和數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和沉雜性，因此須對資料進(jìn)行壓縮處理才能傳輸?shù)胶笈_(tái)。①巡檢機(jī)器人會(huì)采集影像資料信息并進(jìn)行壓縮，將其傳輸?shù)讲季€裝置；②在布線裝置中解壓這些壓縮影像資料，并將其傳輸?shù)街鳈C(jī)端；③由后勤部的員工進(jìn)行監(jiān)控。在中央控制器方面，其使用無線網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)連接，并在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)了發(fā)送和接收功能，直接對主機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。通過使用通信轉(zhuǎn)換模塊，中央控制器與路由間實(shí)現(xiàn)了連接，以確保指令的順暢接收，使發(fā)電廠升壓站巡檢機(jī)器人能夠成功完成相應(yīng)的巡檢任務(wù)。

2 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文章采用TCP/IP 技術(shù)構(gòu)建的電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)，包括警鐘控制器模組、巡視追蹤模塊、工作調(diào)度管理系統(tǒng)、控件與通信接口部分等。該系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 發(fā)電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 巡檢機(jī)器人工作流程

文章描述的電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人具備自主巡檢的能力，可按照預(yù)設(shè)的軌道進(jìn)行定期檢查。若軌道上有無法通過的障礙物，機(jī)器人將停止運(yùn)行，并將信息發(fā)送給后端，以供相關(guān)人員處理。當(dāng)給定路線上沒有障礙物干擾時(shí)，智能巡檢機(jī)器人將按照給定路線對發(fā)電廠升壓站進(jìn)行巡檢和監(jiān)控，并將采集到的圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)識(shí)別設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，將自動(dòng)報(bào)警，并使用機(jī)械手臂清除異物。若未找到異物，機(jī)器人將返回初始位置，結(jié)束巡檢。具體工作流程如圖4所示。

圖4 發(fā)電廠升壓站巡檢機(jī)器人工作流程

2.3 智能巡檢子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)包括視頻處理單元、高清IP 攝像機(jī)、標(biāo)清IP 攝像機(jī)、高清模擬攝像機(jī)、標(biāo)清模擬攝像機(jī)及各種攝像機(jī)的控制、傳輸附件。視頻處理單元是視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的核心，起到承上啟下的關(guān)鍵作用。通過網(wǎng)絡(luò)與站端智能巡檢輔助平臺(tái)進(jìn)行通信，接收站端智能輔助平臺(tái)的控制命令，向站端智能輔助平臺(tái)傳輸視頻信息。視頻處理單元和IP 攝像機(jī)都接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)視頻處理單元對攝像機(jī)的管理及視頻的傳輸、控制。環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)包括環(huán)境處理單元、安全警衛(wèi)子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)及消防子系統(tǒng)。

2.3.1 巡檢機(jī)器人

巡檢機(jī)器人的構(gòu)造較為復(fù)雜，主要包括巡檢機(jī)器人、主機(jī)、操作室、安全接入模塊和交換機(jī)等組件。安全接入模塊可有效地將巡檢機(jī)器人和主機(jī)連接起來，在傳輸協(xié)議時(shí)可使用DL/T 634.5104。

2.3.2 攝像頭布點(diǎn)

在布設(shè)攝像頭時(shí)，須滿足變電站周圍的環(huán)境、出入口、制高點(diǎn)和設(shè)備的監(jiān)視要求，以提高攝像機(jī)的監(jiān)控范圍，可采用全景攝像頭。

3 智能巡檢機(jī)器人的安全監(jiān)測

3.1 紅外線檢測功能

在升壓站內(nèi)，每臺(tái)裝置都安裝了對應(yīng)的紅外探測器，以便智能巡視機(jī)器人可檢測裝置的溫度。此外，為適應(yīng)不同裝置的特性，它們都設(shè)定了不同的溫度敏感值。當(dāng)巡視機(jī)器人發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常工作時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)被啟動(dòng)。若機(jī)器人的溫度檢測超過設(shè)定的范圍，后臺(tái)軟件將立即做出反應(yīng)，并將異常溫度信息傳輸?shù)奖O(jiān)控控制界面，供運(yùn)維人員分析并處理。

3.2 儀表識(shí)別功能

發(fā)電廠擁有各種復(fù)雜的儀器設(shè)備，這些設(shè)備分布在廣闊的區(qū)域內(nèi)，這導(dǎo)致了人工巡視的耗時(shí)。若能夠精確識(shí)別各類儀器，就可大幅減少巡檢的頻率。借助CCD 彩色攝像機(jī)具有的噪聲抑制能力，可對圖像進(jìn)行采集與抑制，有效解決外部因素導(dǎo)致圖像模糊的問題。采集完成后，借助紅外熱成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可對圖像進(jìn)行分析和處理。此外，由于圖像所處的環(huán)境，如風(fēng)、雪等，極易導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，因此可使用粒子濾波器對圖像中的噪聲進(jìn)行過濾，以達(dá)到提高圖像清晰度的目的。其算法的具體過程如下。

設(shè)圖像噪聲的原始坐標(biāo)為（x0、y0），噪聲的具體位置可用以下公式進(jìn)行表示：

通過建立數(shù)據(jù)模型，設(shè)備的工作狀態(tài)和噪聲點(diǎn)可用方程形式表達(dá)。利用這種方法，可得到裝置的運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)動(dòng)矩陣和噪聲點(diǎn)移動(dòng)矩陣的初始狀態(tài)。在圖像信息中，圖像易受到高斯噪聲的影響。因此，可將用于獲取圖像的裝置工作狀態(tài)變量函數(shù)設(shè)置為而裝置的工作狀態(tài)運(yùn)動(dòng)矩陣可表示為：

采集到的設(shè)備的噪聲點(diǎn)移動(dòng)矩陣G可表示為：

式中，T為圖像的采樣間隔。

在圖像信息中，圖像極易受到γ噪聲干擾。因此，在進(jìn)行噪聲測量時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)備的工作角度R。若采集設(shè)備的工作角度是θ，角速度是α，不同設(shè)備的采集周期為1，則可將工況移動(dòng)矩陣表示為系列矩陣：

設(shè)備工況的噪聲點(diǎn)移動(dòng)矩陣G可表示為：

在使用上述方法對不清晰圖像進(jìn)行過濾后，可使圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦鷪D像。

3.3 局部放電檢測功能

智能化巡查配備了監(jiān)控設(shè)備，包括升降平臺(tái)和傳感器等。其使用電波和超聲檢測技術(shù)，可檢測設(shè)備的放電。同時(shí)，利用測量技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，可為維修人員提供重要的數(shù)據(jù)參考。

3.4 巡檢功能

智能機(jī)器人主要由以下兩種巡檢方式：①自動(dòng)巡檢模式。自動(dòng)化巡檢是指通過在機(jī)器中設(shè)定巡檢路線的方式來實(shí)現(xiàn)巡檢。這種方式的巡檢又可分為普通巡檢與特別巡檢兩種類型，并能靈活地應(yīng)用于實(shí)際的檢查工作當(dāng)中。②人工遙控巡檢。通過手動(dòng)巡檢的方式，維護(hù)人員可對智能機(jī)器人進(jìn)行控制，并用手動(dòng)方式鎖定設(shè)備，由機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行情況。當(dāng)機(jī)器人設(shè)備出現(xiàn)異常工作狀態(tài)時(shí)，其所攜帶的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)向運(yùn)維人員報(bào)警，運(yùn)維人員可第一時(shí)間手動(dòng)將機(jī)器人送至設(shè)備處，利用機(jī)器人判斷設(shè)備是否正常，從而提高設(shè)備故障處理的效率。

3.5 實(shí)時(shí)監(jiān)控與環(huán)境檢測功能

巡邏車可使用無線網(wǎng)絡(luò)終端將采集到的升壓站數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器內(nèi)存中，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其傳送到客戶機(jī)，并在管理界面上顯示所收集的數(shù)據(jù)。此外，由于該機(jī)器人配備了各種偵測設(shè)備，其可實(shí)時(shí)探測升壓站的各種環(huán)境信息并將其傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺(tái)。同時(shí)，在機(jī)器人內(nèi)部可設(shè)定警報(bào)器閾值，當(dāng)提升站內(nèi)環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，警報(bào)器可立即啟動(dòng)，從而在一定程度上防止操作人員判斷錯(cuò)誤并減少危險(xiǎn)。

4 應(yīng)用效果

為進(jìn)一步評(píng)估智能巡檢機(jī)器人在發(fā)電廠升壓站中的監(jiān)督效果，將智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用于某發(fā)電廠升壓站，并為其設(shè)置巡檢路線。該升壓站位于某地東南側(cè)，毗鄰礦工路鐵路，交通便利。該風(fēng)電場總裝機(jī)容量為450MW，其中包括1～4號(hào)主要變壓器和1～9號(hào)連接變壓器，以及位于220kV 開關(guān)廠內(nèi)部的開關(guān)和刀閘等設(shè)備。

通過表1可知，升壓站的氣候條件相當(dāng)惡劣，極端最高溫度為39℃，極端最低溫度為-37.9℃，雷雨天氣為24.3d。因此，使用機(jī)器人進(jìn)行巡視非常必要。

表1 區(qū)域條件

在本項(xiàng)目中，將智能機(jī)器人巡檢技術(shù)引入現(xiàn)場，以應(yīng)對傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在的安全隱患，如工作量大、效率低、誤差大、無法全面、及時(shí)地檢測設(shè)備隱患等問題。該系統(tǒng)在提升巡檢質(zhì)量、縮短巡檢周期、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面發(fā)揮了積極作用。在此基礎(chǔ)上，增設(shè)了巡視機(jī)器人，突破了以往巡視方式的局限，對升壓站的異常現(xiàn)象進(jìn)行了有效的處理。因此，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式到系統(tǒng)存儲(chǔ)模式的轉(zhuǎn)換，而系統(tǒng)的存儲(chǔ)模式將直接影響整個(gè)裝置的使用壽命。

5 結(jié)束語

在發(fā)電廠升壓站智能巡檢機(jī)器人的安全監(jiān)測研究中，焦點(diǎn)集中在傳感器和監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)上，旨在實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人周圍環(huán)境條件的全面監(jiān)測。這些環(huán)境條件包括但不限于氣體泄漏、溫度、濕度等，它們是評(píng)估工作場所安全性的關(guān)鍵因素。同時(shí)，研究還著力于智能算法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型的開發(fā)，以對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效分析，實(shí)時(shí)識(shí)別潛在的安全威脅。這種技術(shù)的融合使得機(jī)器人系統(tǒng)能夠更精確地感知和響應(yīng)危險(xiǎn)，從而提高了升壓站巡檢的效率和安全性。