基于視覺識別的智能巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計

丁寧 陳波 蔡鈞宇 譚文正

摘 要：本項目研究一種基于具有視覺識別功能的自動巡線機器人，以及對應(yīng)數(shù)據(jù)集中監(jiān)控服務(wù)，構(gòu)成電力生產(chǎn)部門嵌入式智慧集控模式。系統(tǒng)具有現(xiàn)場采集圖像信息、信號故障自動識別、故障報警、區(qū)域溫度報警、趨勢分析及報警、自動生成巡檢報告功能。

關(guān)鍵詞：機器人；智能巡檢；實施方案

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0086-02

Abstract： This project studies a kind of automatic inspection robot with vision recognition function and corresponding data centralized monitoring service， which forms embedded intelligent centralized control mode in power production department. The system has the functions of collecting image information on the spot， automatic identification of signal faults， fault alarm， regional temperature alarm， trend analysis and alarm， automatic generation of inspection report.

Keywords： robot； intelligent inspection； implementation scheme

引言

視頻監(jiān)控很早已被引入電力設(shè)備運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視中。早期利用“遙視”和機器人實現(xiàn)的生產(chǎn)環(huán)境中圖像監(jiān)測，只實現(xiàn)了圖像、聲音信號的數(shù)字化以及遠距離傳送，為解決生產(chǎn)環(huán)境中遠程多媒體監(jiān)控系統(tǒng)提供了全面的技術(shù)支持。但是缺乏對信息進行處理的功能，不能對監(jiān)控目標(biāo)進行智能化的主動識別分析，需要操作員隨時觀察分析圖像，無形中增加了調(diào)度人員的負擔(dān)[1]。另外，人工判斷具有主觀性，人眼容易疲勞，很難達到電力設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測自動化的要求。并在一定程度上忽略了事后對事故發(fā)展的準確判斷并降低了對事故處理的快速反應(yīng)能力。延誤了排除缺陷的時間，影響了售電量和服務(wù)承諾。[2]

圖像分析技術(shù)可從根本上解決目前電力設(shè)備在線監(jiān)測中存在的一些實際問題。智能化巡檢設(shè)備可實現(xiàn)無紙化信息紀錄并對設(shè)備性能進行動態(tài)分析， 可以有效的提高規(guī)范程度和真實性。既克服了傳統(tǒng)巡檢管理中存在的各種弊端， 同時又加強了傳統(tǒng)巡檢工作所追求的效果。[3]

本方案設(shè)計具有視覺識別功能的智能巡檢機器人和相關(guān)巡檢信息管理系統(tǒng)?？稍O(shè)置智能巡檢機器人按時按指定路線在現(xiàn)場巡檢。智能巡檢機器人識別待檢測區(qū)域設(shè)備，通過高清攝像機采集圖像，識別出設(shè)備類型和當(dāng)前狀態(tài)，判斷設(shè)備運行情況。識別出故障后，給出告警信號。對有故障趨勢的設(shè)備，給出預(yù)警信號。

2 設(shè)計內(nèi)容

2.1 整體框架圖（見圖1）

2.2 主要實現(xiàn)的功能

（1）研究實現(xiàn)利用工業(yè)相機實時采集的圖像定位各種數(shù)顯及動圈儀表監(jiān)測設(shè)備，并獲取儀表圖像信息，通過圖像識別，分析監(jiān)控設(shè)備的實時讀數(shù)，在儀表讀數(shù)發(fā)生異常時發(fā)出報警信息。（2）集中上傳巡檢中采集的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析數(shù)據(jù)變化趨勢，對有故障趨勢的設(shè)備，給出預(yù)警信號。（3）研制輪式機器人，具有現(xiàn)場監(jiān)控功能。機器人系統(tǒng)具有遠程視頻監(jiān)控、遠程遙控以及溫度濕度監(jiān)測功能。（4）建設(shè)智能巡檢信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)運行管理中現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備信息采集分析和數(shù)據(jù)集中監(jiān)控服務(wù)器的信息機房嵌入式智慧集控模式。

2.3 主要研究內(nèi)容

（1）研制輪式現(xiàn)場監(jiān)控機器人系統(tǒng)，具有遠程視頻監(jiān)控、遠程遙控以及溫度濕度監(jiān)測功能。（2）巡檢機器人的工業(yè)相機定位獲取各種監(jiān)控設(shè)備圖像，基于計算機圖像處理技術(shù)，對采集的圖像進行圖像處理、自動識別所需信息，自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。（3）設(shè)計相關(guān)信息管理系統(tǒng)，存儲和查詢檢測數(shù)據(jù)，管理設(shè)備基本信息、機柜基本信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)中硬件設(shè)計包括智能巡檢機器人。還包括后臺服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)通訊等設(shè)備。

智能巡檢機器人和主控室的控制端軟件協(xié)同實現(xiàn)智能巡檢功能。智能巡檢機器人為輪式移動機器人，具有巡線、遙控等移動方式。巡線方式是按照事先標(biāo)記的線路移動，在特定位置停留并測量數(shù)據(jù)，并可以設(shè)置按時巡檢。智能巡檢機器人實現(xiàn)自動讀取儀表讀數(shù)、顯示巡檢結(jié)果、操作員確認結(jié)果、趨勢分析、各事故報警等巡檢功能。

4 信息處理功能

以智能設(shè)備為基礎(chǔ)的智能巡檢系統(tǒng)，包含以下關(guān)鍵信息的計算和處理：圖像識別、趨勢判斷、巡檢數(shù)據(jù)記錄、信息系統(tǒng)管理。

4.1 圖像識別

智能巡檢系統(tǒng)中，圖像識別技術(shù)部分是系統(tǒng)的核心技術(shù)，分為四部分：儀表刻度識別和設(shè)備編號二維碼識別。

根據(jù)在電廠的現(xiàn)場調(diào)研，電廠儀表盤分為5大類：液柱、電子表、指針表、油壺、液晶屏。

不同的儀表盤，計算機圖像識別特征不同，因此設(shè)計不同的圖像分析識別算法來識別不同類型的儀表盤讀數(shù)。研究每種類型儀表盤的表盤布局、刻度范圍、指針位置和移動等特點，運用圖像識別理論和開發(fā)技術(shù)，設(shè)計不同算法程序。

所有圖像識別算法程序配置在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用服務(wù)器中運行。應(yīng)用服務(wù)器獲得智能巡檢機器人拍攝的儀表盤圖像后，通過圖像識別算法分析圖像，識別出當(dāng)前儀表盤讀數(shù)。

所有巡檢觀測的生產(chǎn)設(shè)備，基本信息不同，包括設(shè)備位置、設(shè)備類型、測量值安全范圍、測量值單位等。數(shù)據(jù)中心記錄所有基本信息，在巡檢過程中，巡檢機器人和巡檢控制臺程序通過基本信息獲得被檢測設(shè)備特征。設(shè)備特征通過設(shè)備編號唯一標(biāo)識。巡檢系統(tǒng)安裝階段，為所有巡檢觀測設(shè)備安裝設(shè)備編號二維碼。智能巡檢機器人通過識別二維碼，獲得編號，將編號和被識別圖像傳至數(shù)據(jù)中心應(yīng)用服務(wù)器。

4.2 趨勢判斷

除了巡檢獲得的測量值超出安全范圍發(fā)生故障報警，智能巡檢系統(tǒng)還會對每個測量值的變化趨勢做出分析，預(yù)判可能將要發(fā)生的故障，并給出預(yù)判警報。

趨勢判斷功能由數(shù)據(jù)中心趨勢判斷應(yīng)用服務(wù)器實現(xiàn)。當(dāng)圖像識別應(yīng)用服務(wù)或巡檢數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用服務(wù)將巡檢測量值提交至數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)后，趨勢判斷應(yīng)用服務(wù)對每個測量值進行趨勢判斷，當(dāng)某一測量值在定義時間段內(nèi)，發(fā)生連續(xù)上升或下降變化時，變化速度或范圍超出經(jīng)驗范圍，則生成趨勢預(yù)判警報，警報信息被立即發(fā)送到主控室巡檢控制臺。

4.3 巡檢數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)智能巡檢機器人在執(zhí)行巡檢過程中，識別到設(shè)備編號二維碼，拍攝儀表等設(shè)備圖像，發(fā)送至數(shù)據(jù)中心圖像識別應(yīng)用服務(wù)器，該服務(wù)器將識別的測量值，作為巡檢測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫，記錄標(biāo)注為機器人自動巡檢生成。

4.4 信息管理系統(tǒng)

智能巡檢后臺信息管理系統(tǒng)具有對部門、機柜設(shè)備、巡檢機器人以及相關(guān)人員的基本信息管理，匯總和分析各類監(jiān)控數(shù)據(jù)，自動生成巡檢報告等功能。滿足生產(chǎn)運行管理中監(jiān)控設(shè)備信息采集分析和數(shù)據(jù)集中監(jiān)控服務(wù)器的嵌入式智慧集控模式。

5 軟件設(shè)計

智能巡檢系統(tǒng)中軟件功能包括5部分：智能巡檢機器人軟件部分、圖像識別應(yīng)用服務(wù)器軟件、趨勢判斷應(yīng)用服務(wù)器軟件、事故判斷應(yīng)用服務(wù)、信息管理系統(tǒng)服務(wù)器軟件部分。

智能巡檢機器人除移動控制功能外，在主控室的控制端軟件的指揮和配合下，可以完成巡檢工作的自動讀取儀表讀數(shù)、顯示巡檢結(jié)果、操作員確認結(jié)果、趨勢分析、各事故報警等功能。

智能巡檢機器人和主控室的控制端軟件協(xié)同實現(xiàn)智能巡檢功能。智能巡檢機器人軟件部分控制高清攝像頭完成圖像信息采集功能。軟件對獲取圖像實時分析，尋找其中的二維碼信息，當(dāng)識別到有二維碼出現(xiàn)在圖像中，立刻截取當(dāng)前包括儀表結(jié)構(gòu)等的完整影像或電源背板熱量分布等紅外熱成像影像。初步判斷影像符合識別要求后，將二維碼影像和設(shè)備影像通過網(wǎng)絡(luò)上傳至圖像識別應(yīng)用服務(wù)器。

其中巡線方式是按照事先標(biāo)記的線路移動，在特定位置停留并測量數(shù)據(jù)，并可以設(shè)置按時巡檢。遙控方式是操作人員在主控室通過操作控制端軟件，遙控機器人完成巡檢任務(wù)。

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