自適應(yīng)移動(dòng)式巡視識(shí)別在配電站室智能巡檢中的應(yīng)用

呂培強(qiáng)，方 琪，周 雷，羊 群，耿 玲，宋國亮

(1.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215008；2．蘇州安賽電力科技有限公司，江蘇 蘇州 215021)

配電站室內(nèi)部巡視定位是自主移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要問題[1-3]，是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人自助導(dǎo)航、軌跡控制的先決條件。在多種定位方法中, 基于概率的定位方法是目前應(yīng)用最為廣泛、最有效的[4]，其中分布式控制方法[5-6]是一種自助確定自行捕獲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為目標(biāo)并進(jìn)行軌跡運(yùn)算的方法。由于固定位置獲得的數(shù)據(jù)限制，分布式控制方案部分功能不能滿足現(xiàn)場全景式多變性的客觀應(yīng)用條件。

目前，國內(nèi)外對(duì)充電定位與對(duì)接已開展了多層面的研究，文獻(xiàn)[7]定位于一種通過光線束引導(dǎo)機(jī)器人與充電站進(jìn)行自主充電的方法，主要適應(yīng)在戶內(nèi)光照影響較小的作業(yè)場所；文獻(xiàn)[8]使用已知確定導(dǎo)航坐標(biāo)，引導(dǎo)環(huán)境識(shí)圖機(jī)器人與對(duì)接充電站，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自助充電。

對(duì)于自主巡檢任務(wù)來說，視覺感知起著十分重要的作用。根據(jù)攝像截取的視覺信息對(duì)實(shí)際站位和形態(tài)進(jìn)行觀測即為視覺測量，將視覺測量功能復(fù)制到行進(jìn)過程控制中達(dá)到單一或全程觀察，以視覺定量反饋預(yù)置或?qū)崟r(shí)點(diǎn)位與狀態(tài)進(jìn)行糾偏，確認(rèn)自主完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤[9-10]、捕獲[11]等多類別[12-13]輔助業(yè)務(wù)，提高了識(shí)別物像的自助適應(yīng)能力和智能應(yīng)用水平。為了將巡檢人員從單調(diào)重復(fù)的巡檢工作中解放出來，提出一種遙感觀測與地面執(zhí)行巡檢兩者相結(jié)合的解決方案，融合了激光雷達(dá)、機(jī)器視覺TK-GPS等多種傳感器，但成本較高[14-16]；文獻(xiàn)[17]研究了基于GPS與機(jī)器視覺感知作業(yè)機(jī)器人，采用模糊識(shí)別控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡，但只能用于適當(dāng)精度的成像捕獲。文獻(xiàn)[18]提出了在ZMP穩(wěn)定裕度約束下優(yōu)化振蕩器參數(shù)，以降低質(zhì)心振動(dòng)幅度和ZMP曲線回繞程度的方法，并在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了更加快速穩(wěn)定的行走。但該方法不足以應(yīng)對(duì)現(xiàn)場突發(fā)性與臨時(shí)性變更軌跡的實(shí)際目標(biāo)。

本文針對(duì)配電站室傳統(tǒng)人工巡視所存在的現(xiàn)場問題，重點(diǎn)關(guān)注此領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，提出自適應(yīng)移動(dòng)式巡視識(shí)別新方案，深入研究“三遙”外數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新特征，創(chuàng)新智能巡視識(shí)別數(shù)據(jù)分析方法，適應(yīng)多視角特性的現(xiàn)場應(yīng)用，滿足現(xiàn)場行進(jìn)路線設(shè)置、觀測信息的多樣性以及控制策略簡易性的新需求，綜合提升中低壓配網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠供電能力，科學(xué)實(shí)現(xiàn)“減人增效”新目標(biāo)。同時(shí)，也為相關(guān)制造企業(yè)、社會(huì)資源參與智能配電網(wǎng)項(xiàng)目研發(fā)提供新的案例參考。

1 基于空間軌跡控制問題的自適應(yīng)遺傳算法

1.1 智能巡檢空間的表示以及檢測的布置方式

無人值守配電站所智能巡檢更多的目標(biāo)在于最大限度減少人為巡視的差錯(cuò)率，提高特定時(shí)限對(duì)實(shí)時(shí)信息的獲取。地面行走智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)架構(gòu)見圖1。遠(yuǎn)程維護(hù)突出周期巡檢與特例巡檢布置，實(shí)時(shí)性監(jiān)控動(dòng)態(tài)、運(yùn)行模擬圖、開關(guān)柜狀態(tài)、變壓器溫控、低壓分支線工況等信息，并設(shè)置異常報(bào)警(告警)、自動(dòng)化操作監(jiān)控等工作場景。優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)置方便自助巡檢規(guī)劃路徑、運(yùn)行參數(shù)預(yù)置、友好界面交互，并融合配網(wǎng)多業(yè)務(wù)共享需求。

圖1 地面行走智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.2 行進(jìn)路線的產(chǎn)生

文獻(xiàn)[19-21]提出了多種形態(tài)的不同控制方法來達(dá)到軌跡呈集群圓周方向運(yùn)動(dòng)，所描述的圓形特征中心由軌跡初設(shè)狀態(tài)確定。在一些生產(chǎn)實(shí)際場景，需要模糊點(diǎn)位以期望的縮減率逼近工作位置。

根據(jù)二維地圖建立算法基本都依賴于概率估計(jì)，如：Gmapping、HectorSLAM、KartoSLAM 等[22]，結(jié)合現(xiàn)場時(shí)效性的工作特點(diǎn), 優(yōu)選了直接數(shù)據(jù)獲取方式。

行進(jìn)路線產(chǎn)生的可以讀取的二進(jìn)制碼的需用信息為

(1)

可讀取的ASCII 碼符響應(yīng)數(shù)量為

(2)

考慮一個(gè)由全程布局的目標(biāo)點(diǎn)n所組成的行進(jìn)軌跡模型，假設(shè)通常條件下軌跡運(yùn)動(dòng)存在于二維平面中，既忽略可能的高程帶來的誤差，由單積分動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)確定的目標(biāo)信息狀態(tài)為

(3)

(4)

從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)目標(biāo)駐點(diǎn)行進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中，在理想狀態(tài)下，始端是勻加速運(yùn)動(dòng)，中間過程是勻速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)駐點(diǎn)附近再進(jìn)入勻減速運(yùn)動(dòng)。但問題出現(xiàn)在步長、步速的細(xì)微變化，導(dǎo)致到達(dá)下一個(gè)目標(biāo)駐點(diǎn)的實(shí)際偏差值不容樂觀。解決這個(gè)偏差值，所采用的糾偏方案是圍繞目標(biāo)駐點(diǎn)的可變半徑的縮減率，依次得到均方樣本，漸次到達(dá)目標(biāo)駐點(diǎn)。

到達(dá)目標(biāo)駐點(diǎn)的行進(jìn)軌跡如圖2所示。運(yùn)動(dòng)軌跡在勻減速狀態(tài)下，抽樣進(jìn)入第四象限，交割到駐點(diǎn)預(yù)置發(fā)散圓弧，觸點(diǎn)交匯第二較小圓弧且停止運(yùn)動(dòng)。繼而以圓弧積分算法朝著圓心點(diǎn)歸位，并以駐點(diǎn)±2 mm允許偏差落點(diǎn)就位，完成一次采樣并繼續(xù)按程序?qū)で笙乱粋€(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

圖2 到達(dá)目標(biāo)駐點(diǎn)的行進(jìn)軌跡

1.3 目標(biāo)駐點(diǎn)

輪式運(yùn)動(dòng)構(gòu)架下依次在坐標(biāo)中行進(jìn), 所能控制行進(jìn)的精度主要依靠原動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下車輪旋轉(zhuǎn)的精度。在一般情形下, 勻速控制行進(jìn)到坐標(biāo)(x1，y1)，繼續(xù)前行到達(dá)(x2，y2)， 然后可應(yīng)用平面直線夾角公式計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度θ。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，假如在坐標(biāo)(x1，y1)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)θ后再往前運(yùn)動(dòng)，角度θ的實(shí)施精度對(duì)于其逼近坐標(biāo)(x2，y2)擾動(dòng)非常大, 所以重點(diǎn)研究可控范圍的旋轉(zhuǎn)精度才能滿足實(shí)際需求，準(zhǔn)確定位行進(jìn)坐標(biāo)[23-24]。

現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)軌跡的抽樣表明并大概率發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過駐點(diǎn)附近第一、第四象限，或者第二、第三象限，幾乎在橫軸兩側(cè)徘徊擺動(dòng)。由于現(xiàn)場不可避免行走路徑的微小變化，以及驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性所帶來的實(shí)際誤差。

但反觀其步長云算法的前提下，重點(diǎn)關(guān)注減速過程的“慢動(dòng)節(jié)奏”，可實(shí)現(xiàn)削弱機(jī)械行進(jìn)的必要誤差，專注于于勻減速階段可方便找準(zhǔn)的優(yōu)勢，漸次取樣逼近最小圓弧，以減速時(shí)間換空間準(zhǔn)度，應(yīng)用回歸算法達(dá)到目標(biāo)駐點(diǎn)。

考慮到現(xiàn)場輔助節(jié)點(diǎn)的磨損、遺失等實(shí)際狀況，不僅僅依賴下一個(gè)駐點(diǎn)，當(dāng)其中這樣一個(gè)駐點(diǎn)不存在時(shí)，提供的軌跡算法可以繼續(xù)向下下一個(gè)節(jié)點(diǎn)行進(jìn)，有效規(guī)避了小缺陷而導(dǎo)致的全局路徑的停滯或是失效。

1.4 方向糾偏

從均方根取樣的實(shí)踐效果分析，考慮到軌跡行程必要的速差比，勻減速進(jìn)入可觀察目標(biāo)三與目標(biāo)二之間的機(jī)率大概率上升，也就是到達(dá)目標(biāo)駐點(diǎn)的行程能夠穩(wěn)定縮減，可控范圍內(nèi)的駐點(diǎn)糾偏能夠滿足現(xiàn)場實(shí)際需求。糾編適應(yīng)目標(biāo)駐點(diǎn)如圖3所示。

圖3 糾偏適應(yīng)目標(biāo)駐點(diǎn)

=kx+b

(5)

同樣可表示為極坐標(biāo)：

(6)

算法求解過程中的主要目標(biāo)點(diǎn)參數(shù)為

(7)

式中λ——待選行進(jìn)方向軌跡權(quán)值矩陣；?ij——待選行進(jìn)方向軌跡i→j的權(quán)值。

由于智能自助巡檢形態(tài)受限于步速、步長等因素，導(dǎo)致到達(dá)下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位?存在誤差，即存在一個(gè)計(jì)算偏離值。

(8)

(9)

式中ρ′——方向誤差矩陣，表示智能自助巡檢實(shí)際行進(jìn)與計(jì)算控制的偏移量；η——行程誤差系數(shù)；η·ΔZ——表示行程誤差。

1.5 召測集合與目標(biāo)集合

計(jì)及三維空間上的升降軌跡，側(cè)重于觀測的精度與準(zhǔn)度。實(shí)際測試階段反映出來的模糊駐點(diǎn)的特征顯示，必須關(guān)注到延伸線上“記憶”駐點(diǎn)的算法應(yīng)用，以免遺漏必需的觀測點(diǎn)。通常上升過程通道，以地面30 cm為基準(zhǔn)，到達(dá)所需兩點(diǎn)2 m高程，實(shí)施后再折回另一個(gè)觀察角度。反行之先以最高觀測點(diǎn)入手，再勻減速返回地面觀測最低點(diǎn)，這樣在縮短觀測行程時(shí)間的同時(shí)，最大化完成了一次升降所能得到的最佳觀測量。三維駐點(diǎn)與升降的行程見圖4。

圖4 三維駐點(diǎn)與升降的行程

描述的封閉趨向性特征可包括確定性矩陣λ=(?ij)，其中：

?ij=

(10)

適應(yīng)召測任意觀測點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間確定性軌跡的集合。以觀測點(diǎn)期望的半徑r>0漸次達(dá)到目標(biāo)：

(11)

以期望的目標(biāo)點(diǎn)之間距離的連續(xù)性:

(12)

式中 0<εij<(0.5-1.0)r——目標(biāo)點(diǎn)之間的期望距離；n——實(shí)際觀測點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)集合。

由于空間軌跡的靈活觀測，也滿足特例行動(dòng)的功能需求。面對(duì)配電站室戶內(nèi)過載、超溫缺陷，甚至火警險(xiǎn)情，不得不重視多角度觀測災(zāi)害性場景，得益于勻布與非規(guī)則高層設(shè)置原則與應(yīng)用，使得高程方向的特例密布規(guī)則強(qiáng)于一般場景下的獲得量，實(shí)際為遠(yuǎn)程指揮提供了全新實(shí)時(shí)的信息，有利于在第一時(shí)間內(nèi)采取針對(duì)性措施，防止事故進(jìn)一步惡化。

表1 成套低壓開關(guān)柜塑殼斷路器狀態(tài)判別參數(shù)信息

2 試點(diǎn)實(shí)踐

2.1 觀測信息的多樣性

移動(dòng)式智能巡視裝置不僅考慮到常規(guī)巡視路線的起止點(diǎn)、全程“觀測”設(shè)備數(shù)量的需求，而且設(shè)置靈活巡視路徑、時(shí)長、觀測點(diǎn)數(shù)量，可滿足現(xiàn)場“日周期多點(diǎn)巡視”、“重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)巡視”、“保電設(shè)備24 h監(jiān)控”等需求。行進(jìn)路線全面覆蓋配電站室，靈活的鏡像識(shí)別新技術(shù)，可“擇時(shí)”回傳其所在方位“上、下、左、右、前、后”周遭捕捉信息，通過圖模、數(shù)顯巧妙轉(zhuǎn)換，直接得到運(yùn)維工作人員所需要的分析數(shù)據(jù)。

由于智能識(shí)別數(shù)據(jù)不局限于傳統(tǒng)“測量”、“變位”等信息，更關(guān)注于“漸變量”，原有人工巡視方式下，一些滯后或者事后被動(dòng)維護(hù)方式，可通過“漸變量”的獲取與趨勢分析，提早進(jìn)入告警狀態(tài)，方便運(yùn)維監(jiān)控人員擇時(shí)“檢修”，提高設(shè)備安全運(yùn)行質(zhì)量。

2.2 核查電力一次設(shè)備運(yùn)行工況

采用圖像識(shí)別現(xiàn)場一次模擬圖，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行工況，開關(guān)量狀態(tài)，對(duì)比有否“差異”，結(jié)果信息上傳系統(tǒng)后臺(tái)，與調(diào)控人員實(shí)時(shí)確認(rèn)運(yùn)行工況“正確無誤”?？梢詮浹a(bǔ)調(diào)控遠(yuǎn)程操作時(shí)，由于現(xiàn)場配電站房無人值守，開關(guān)是否操作到位等作業(yè)場景的安全性問題。

遇到開關(guān)異常變位(或跳閘)，通過“異常聲響”聲吶追蹤，調(diào)整巡檢路徑，第一時(shí)間替代運(yùn)維人員觀測“險(xiǎn)情”，相關(guān)圖文信息按需回傳到調(diào)控(搶修)中心。

在開關(guān)正常運(yùn)行狀態(tài)下，輔助觀測配電“表計(jì)”、開關(guān)位置“指示燈”、操作電源“指示燈”、防誤操作鑰匙等異常缺陷，實(shí)時(shí)記錄缺陷，方便日后跟蹤處理。

采用BBF[25]算法對(duì)基于KDTree的算法逼近可進(jìn)一步降低開銷，以成套低壓開關(guān)柜塑殼斷路器狀態(tài)判別參數(shù)信息為例。

成套低壓開關(guān)柜塑殼斷路器狀態(tài)判別參數(shù)信息見表1。

表1中，狀態(tài)變量a1，2，…n分別表示開關(guān)合閘位置，開關(guān)分閘位置，開關(guān)跳閘位置，合閘指示燈，分閘位置燈，電流表(A)，電壓表(V)等狀態(tài)判別參數(shù)信息。

(13)

判斷某塑殼斷路器狀態(tài)信息，其表達(dá)式：

S：a1Ua2Ua3Ua4Ua5Ua6Ua7

判斷某塑殼斷路器某時(shí)刻在正常通流狀態(tài)，其表達(dá)式：

S1：01U00U00U01U00U256U391

2.3 控制策略的簡易性

依托“二維碼”地面可視標(biāo)貼，運(yùn)用“矩陣”分布算式，勻布巡視軌跡，最大化滿足智能巡視路徑可選、優(yōu)選與特殊性巡視指令要求。這樣可以大范圍去除傳統(tǒng)密布攝像頭感應(yīng)輔助裝置，其“自主、自助“修偏”新功能， “記憶、繞障” 新功效，科學(xué)解決了路線偏離、局部識(shí)別缺失等造成的“迷航”問題。自助二維碼的地面標(biāo)識(shí)及巡視路徑如圖5所示。

圖5 自助二維碼地面標(biāo)識(shí)及巡視路徑

在預(yù)設(shè)勻速行進(jìn)的條件下，其他機(jī)械設(shè)置僅再初設(shè)賦值狀態(tài)，行程一所示，經(jīng)過一定距離的直行，其跟蹤軸線上的上下振幅偏移較大，反映出初始狀態(tài)設(shè)置不盡合理。同樣往復(fù)試驗(yàn)二，對(duì)機(jī)械步長規(guī)劃與速差比進(jìn)行了估值調(diào)整，可見行程二所完成的規(guī)定距離內(nèi)相對(duì)振幅有了縮減，平滑性得到了可控的提升。勻速前行的測試與調(diào)整如圖6所示。

圖6 勻速前行的測試與調(diào)整

過標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)條件下的跟蹤設(shè)置，可有效克服機(jī)械部分本體所必需的誤差性，再回到實(shí)際現(xiàn)場，重新規(guī)劃到達(dá)下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的微量偏角與步長預(yù)置，可見其完成一個(gè)觀測距離內(nèi)偏差進(jìn)一步縮小，直線行進(jìn)狀態(tài)下的“多余”步長可縮減到可控范圍，平穩(wěn)勻速與預(yù)偏控制都達(dá)到了期望效果。

由ROUND1 和ROUND2可知行進(jìn)過程運(yùn)動(dòng)軌跡不是很光滑，但與ROUND3中得到的運(yùn)動(dòng)軌跡相比較，ROUND3明顯要平滑很多，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)踐。從而證明提出的微量偏角與步長預(yù)置處理方法的可行性，在局部重要信息觀測應(yīng)用中還要從平衡控制系統(tǒng)和平滑穩(wěn)定性等方面考慮進(jìn)行深度優(yōu)化，這將是接下來本課題要重點(diǎn)研究的方向之一。

3 結(jié)語

本文提出了一種應(yīng)用于配電站所空間軌跡控制問題的自適應(yīng)遺傳算法。主要工作有:(1)提出了基于擾動(dòng)情形下幾何糾偏法的環(huán)繞目標(biāo)駐點(diǎn)逼近算法，該算法能在很大程度上減少下一個(gè)目標(biāo)駐點(diǎn)的實(shí)際偏差值；(2)針對(duì)配電站室空間信息獲取的具體問題, 設(shè)計(jì)了三維空間升降軌跡的召測、記憶、點(diǎn)檢和目標(biāo)空間集合,這些集合對(duì)于需用數(shù)據(jù)的有效縮短時(shí)間和可靠獲取具有至關(guān)重要的作用；(3)采用了一種新的模糊邏輯控制算法自適應(yīng)地研判配電裝置狀態(tài)參數(shù)和識(shí)別信息；(4)進(jìn)行了依托“二維碼”自助軌跡和在線調(diào)節(jié)的實(shí)踐研究。

通過和相關(guān)文獻(xiàn)所采用的算法實(shí)際比較可以發(fā)現(xiàn)，提出的改進(jìn)空間軌跡控制算法具有以下三個(gè)特點(diǎn):具有較快的識(shí)別速度(較少的擾動(dòng)影響)；能夠得到更加可靠的有效識(shí)別結(jié)果(較短的時(shí)效匹配)；具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。