基于智能視覺(jué)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視

沈海平++姚楠+黃薛凌

摘 要： 為了縮減變電站維修成本，提出基于智能視覺(jué)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視方法，設(shè)計(jì)巡視系統(tǒng)。通過(guò)分析智能視覺(jué)基本結(jié)構(gòu)，構(gòu)建智能視覺(jué)巡視坐標(biāo)系，給出機(jī)器人在變電站中的最優(yōu)巡視路線，巡視路線的重要參數(shù)包括最優(yōu)距離和機(jī)器人巡視角度。介紹了巡視系統(tǒng)中圖像智能解析、無(wú)線通信、伺服管理、機(jī)器人導(dǎo)航和遠(yuǎn)程遙控五項(xiàng)基本功能，并以此擬定系統(tǒng)巡視方案，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與市面上廣泛應(yīng)用的巡視系統(tǒng)相比，依據(jù)該方法設(shè)計(jì)的巡視系統(tǒng)的巡視準(zhǔn)確程度更高。

關(guān)鍵詞： 智能視覺(jué)； 變電站； 設(shè)備狀態(tài)； 智能巡視

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）09?0169?04

Abstract： In order to reduce the maintenance cost of substation， a substation equipment state intelligent patrol method based on intelligent vision is proposed to design the patrol system. The basic structure of the intelligent vision is analyzed in the method to construct the intelligent vision patrol coordinate system. The optimal patrol route of the robot in substation is given. The important parameters of the patrol route include the optimal patrol distance and robot′s patrol vision. Five fundamental functions of the patrol system are introduced， including the image intelligent analysis， wireless communication， servo management， robot navigation and remote control. On these basis， the system patrol scheme is set， and the system structure is designed. The experimental results show that， in comparison with the widely?used patrol system in the market， the patrol system according to the proposed method has higher patrol accuracy.

Keywords： intelligent vision； substation； equipment state； intelligent patrol

0 引 言

變電站是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，它負(fù)責(zé)控制智能電網(wǎng)中的電壓輸出和電能流通方向，是電網(wǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的聚集地點(diǎn)，有著協(xié)調(diào)電網(wǎng)內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)交互的作用[1]。變電站中存在多種類(lèi)型、多方功能的變電設(shè)備，設(shè)備狀態(tài)人工巡視已不能取得良好成效[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)因設(shè)備漏檢、誤檢等原因造成的經(jīng)濟(jì)損失已高達(dá)28億元人民幣。在信息化高度發(fā)展的二十一世紀(jì)，變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視逐漸受到了業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注。

變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視需要借助機(jī)器人，在機(jī)器人內(nèi)部安裝紅外探測(cè)儀器、攝像機(jī)、傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)全天候、全方位的智能巡視，為變電站管理人員提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)[3]。普及程度高一些的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)有軌道式巡視機(jī)器人和差分定位智能巡視系統(tǒng)。軌道式巡視機(jī)器人依靠紅外探測(cè)儀器的測(cè)溫原理，監(jiān)控變電站設(shè)備溫度，當(dāng)某一設(shè)備溫度存在問(wèn)題時(shí)，機(jī)器人將對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送至變電站管理人員進(jìn)行人工分析，適用于小型變電站[4]。差分定位智能巡視系統(tǒng)先將變電站中所有設(shè)備的定位信息和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)信息統(tǒng)一發(fā)送到云端進(jìn)行備份，在巡視過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)設(shè)備處于不正常工作狀態(tài)，則調(diào)取云端的設(shè)備信息發(fā)送給變電站管理人員，適用于大型變電站[5]。以上是兩種典型的巡視系統(tǒng)，此外還有RFID巡視系統(tǒng)、3D地圖導(dǎo)航巡視系統(tǒng)等，但均對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)感知力不足，巡視工作的準(zhǔn)確程度有待提高。根據(jù)上述分析，提出一種新的巡視方法，設(shè)計(jì)基于智能視覺(jué)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)。

1 智能視覺(jué)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視方法

1.1 智能視覺(jué)的邏輯設(shè)計(jì)

智能視覺(jué)是指通過(guò)視覺(jué)傳感器采集物體的多維圖像，利用圖像處理技術(shù)提取重要信息，指引機(jī)器人行為。智能視覺(jué)是在人眼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出的，在有光線存在的情況下，人眼看到的事物被視網(wǎng)膜構(gòu)建出虛擬圖像，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞發(fā)出脈沖信號(hào)傳輸?shù)酱竽X皮層進(jìn)行解析，此后人類(lèi)便能感知到眼前的事物。智能視覺(jué)用計(jì)算機(jī)替代人體大腦皮層，用攝像機(jī)替代視網(wǎng)膜，用各類(lèi)處理和通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的發(fā)出和傳輸[6]。圖1給出了智能視覺(jué)基本結(jié)構(gòu)。

分析圖1可知，在變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)中，智能視覺(jué)通過(guò)攝像機(jī)和傳感器采集設(shè)備的位置和狀態(tài)，采集到的多維圖像經(jīng)由圖像處理設(shè)備提取出設(shè)備狀態(tài)特征，傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析。計(jì)算機(jī)的解析依據(jù)是傳感器中設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

1.2 智能視覺(jué)巡視坐標(biāo)系

構(gòu)建智能視覺(jué)巡視坐標(biāo)系的目的是給出機(jī)器人在變電站中的最優(yōu)巡視路線，在保證巡視任務(wù)能夠被準(zhǔn)確完成的前提下，以最短的時(shí)間進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)巡視。

智能視覺(jué)攝像機(jī)的成像原理是小孔成像，攝像機(jī)鏡頭相當(dāng)于小孔，光線入射到鏡頭在方焦面形成一個(gè)光點(diǎn)，經(jīng)反射得到多維圖像，如圖2所示。依據(jù)圖2中的成像原理構(gòu)建智能視覺(jué)巡視坐標(biāo)系，如圖3所示。

在圖3中，智能視覺(jué)巡視坐標(biāo)系由軸、軸、軸組成，坐標(biāo)系的中心點(diǎn)點(diǎn)就是圖2中的光點(diǎn)，軸與方焦面平行，軸與攝像機(jī)鏡頭同光點(diǎn)的連線平行，軸的最高點(diǎn)是攝像機(jī)鏡頭的質(zhì)心，軸的正向長(zhǎng)度在數(shù)值上等同于焦距，用表示[7]。攝像機(jī)所得的多維圖像的平面與軸平行，從軸最高點(diǎn)引出一條直線，經(jīng)過(guò)多維圖像的成像位置，終止于圖像邊緣，可得到物距。

設(shè)成像位置在智能視覺(jué)巡視坐標(biāo)系的坐標(biāo)點(diǎn)為為了方便理解，給出成像位置在現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系（軸與地平線平行）中的坐標(biāo)點(diǎn)在實(shí)際工作中通常無(wú)法直接給出而是已知的，故需要將坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化[8]。兩坐標(biāo)點(diǎn)存在如下關(guān)系：

機(jī)器人在變電站中最優(yōu)巡視路線的主要參數(shù)是和智能視覺(jué)攝像機(jī)參數(shù)是巡視路線中的輔助參數(shù)，都是必不可少的?；谥悄軘?shù)據(jù)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視方法運(yùn)算量小，巧妙避免了因變電站環(huán)境變化對(duì)攝像機(jī)工作數(shù)據(jù)的影響，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)巡視效果更加明顯。

2 變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能與巡視方案設(shè)計(jì)

在確定基于智能數(shù)據(jù)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)之前，應(yīng)先設(shè)計(jì)出系統(tǒng)所能提供的功能，并擬定巡視方案。

為了保證巡視工作的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定輸出，基于智能數(shù)據(jù)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)提供了五項(xiàng)基本功能，分別是圖像智能解析、無(wú)線通信、伺服管理、機(jī)器人導(dǎo)航和遠(yuǎn)程遙控。

智能解析指當(dāng)機(jī)器人采集到可能存在故障的變電站設(shè)備狀態(tài)圖像時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始圖像解析，在輸出設(shè)備定位信息的同時(shí)發(fā)出警報(bào)，給出故障處理方案并進(jìn)行智能預(yù)處理；無(wú)線通信要求機(jī)器人可無(wú)差別地發(fā)送設(shè)備狀態(tài)圖像、接收控制指令；伺服管理是指系統(tǒng)控制中心能夠根據(jù)變電站中設(shè)備位置的臨時(shí)變動(dòng)情況，指揮機(jī)器人開(kāi)始新的巡視路線；機(jī)器人導(dǎo)航把最優(yōu)巡視路線提供給機(jī)器人，在變電站管理人員需要查找某一設(shè)備時(shí)，機(jī)器人可進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航；遠(yuǎn)程遙控指變電站管理人員能夠足不出戶(hù)地遙控機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)巡視。

系統(tǒng)在變電站設(shè)備間布置了機(jī)器人軌跡路線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，也能減少機(jī)器人發(fā)生故障的幾率[9]。為了減輕機(jī)器人重量，系統(tǒng)的設(shè)備檢測(cè)元件應(yīng)安裝在變電器設(shè)備周?chē)?，?shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)信息。當(dāng)機(jī)器人途經(jīng)變電器設(shè)備并完成拍攝時(shí)，相應(yīng)的檢測(cè)元件通過(guò)無(wú)線通信將信息傳輸給機(jī)器人。系統(tǒng)使用三個(gè)智能視覺(jué)攝像機(jī)對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)圖像、設(shè)備定位圖像以及機(jī)器人路線圖像進(jìn)行采集。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能與巡視方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，圖5描述的是系統(tǒng)組裝成功后的機(jī)器人實(shí)物圖。

由圖4可知，基于智能數(shù)據(jù)的變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)由系統(tǒng)管理中心和智能巡視端組成，兩部分通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備連接。系統(tǒng)管理中心負(fù)責(zé)下達(dá)變電站設(shè)備巡視任務(wù)、顯示機(jī)器人拍攝到的圖像，并從細(xì)節(jié)上控制智能巡視端工作流程，調(diào)整系統(tǒng)不良狀態(tài)。

智能巡視端由機(jī)器人和伺服管理中心組成，機(jī)器人內(nèi)部還配備了修復(fù)模塊、路線設(shè)計(jì)模塊和導(dǎo)航模塊，三個(gè)模塊的技術(shù)支持都是智能視覺(jué)。修復(fù)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)機(jī)器人故障，提供故障修復(fù)方案。路線設(shè)計(jì)模塊負(fù)責(zé)提供最優(yōu)巡視路線。導(dǎo)航模塊對(duì)系統(tǒng)的機(jī)器人導(dǎo)航功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

伺服管理中心的管理方式有云臺(tái)管理和驅(qū)動(dòng)管理。驅(qū)動(dòng)管理負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人拍攝圖像時(shí)，云臺(tái)管理將提供最優(yōu)拍攝角度，并控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)智能巡視系統(tǒng)而言，巡視工作的準(zhǔn)確程度是最為重要的性能[10]。本文使用Simulink組件對(duì)變電站進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，在模型中添加了150臺(tái)設(shè)備。設(shè)備的初始狀態(tài)均為正常工作狀態(tài)，故障狀態(tài)代碼由Simulink組件自動(dòng)隨機(jī)生成。目前，市面上應(yīng)用最為廣泛的變電站設(shè)備狀態(tài)巡視系統(tǒng)有軌道式巡視機(jī)器人和差分定位智能巡視系統(tǒng)，將這兩個(gè)系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在相同條件下同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

設(shè)置三個(gè)系統(tǒng)的機(jī)器人初始拍攝仰角為80°，控制機(jī)器人的拍攝高度依次為0.5 m，1 m和1.5 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)三個(gè)系統(tǒng)均能準(zhǔn)確識(shí)別出變電站中存在故障的設(shè)備，但三個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)阶冸娬驹O(shè)備管理人員的故障設(shè)備狀態(tài)信息卻不相同。將故障設(shè)備狀態(tài)信息與Simulink組件模擬出的實(shí)際設(shè)備信息進(jìn)行對(duì)比，利用誤差率公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

誤差率與巡視系統(tǒng)的巡視工作準(zhǔn)確程度成正比。由表1可知，三個(gè)系統(tǒng)的誤差率均達(dá)標(biāo)（不高于2.5%）。從平均誤差率來(lái)看，軌道式巡視機(jī)器人高于本文算法1.5倍，差分定位智能巡視系統(tǒng)高于本文算法1.4倍，證明本文方法的巡視工作準(zhǔn)確程度要明顯高于其他兩個(gè)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文基于智能視覺(jué)對(duì)巡視系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的巡視系統(tǒng)由系統(tǒng)管理中心和智能巡視端組成，智能巡視端包括機(jī)器人和伺服管理中心。系統(tǒng)又基于智能視覺(jué)為機(jī)器人添加了修復(fù)模塊、路線設(shè)計(jì)模塊和導(dǎo)航模塊，給出巡視路線，對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航等功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。最后利用實(shí)驗(yàn)證明了該巡視系統(tǒng)擁有很高的巡視準(zhǔn)確度。

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