變電站室內(nèi)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王智杰 李永生 牛碩豐 賈斌 閆靜靜 馮飛 曹淑英

摘 要：在復(fù)雜空間環(huán)境和強(qiáng)電磁干擾下，研發(fā)一套室內(nèi)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，改進(jìn)機(jī)器人室內(nèi)圖像識(shí)別方法，提出室內(nèi)巡檢機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及室內(nèi)安裝方案，基于軌道系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)，集成紅外和可見光檢測(cè)裝置，通過自主或遙控方式，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)設(shè)備的巡視，利用智能分析模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常的自動(dòng)判斷并告警。解決了室內(nèi)設(shè)備缺乏有效巡檢手段的問題，在一定程度上可代替變電站運(yùn)維人員進(jìn)行日常巡視，并通過HZ變電站室內(nèi)巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，驗(yàn)證方案的可行性。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人;S曲線軌道;室內(nèi)智能巡檢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.153

0 引言

目前，國家電網(wǎng)公司已投運(yùn)17個(gè)跨區(qū)直流輸電工程，建設(shè)31座換流站，輸送容量已達(dá)6886萬千瓦，直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系整個(gè)電網(wǎng)的安全。針對(duì)變電站的運(yùn)行維護(hù)，目前基于站內(nèi)全局路徑規(guī)劃的變電站機(jī)器人巡檢已得到推廣應(yīng)用[1-4]。而直流換流站內(nèi)換流閥、水冷卻系統(tǒng)、高壓套管等直流輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，由于對(duì)運(yùn)行環(huán)境較高，均布置于封閉的戶內(nèi)環(huán)境中。受限于室內(nèi)空間的不規(guī)則布局及強(qiáng)電磁干擾，目前巡檢手段仍非常有限，僅能依靠少量監(jiān)控設(shè)備作為輔助巡檢，巡檢結(jié)果的客觀性缺乏保障，巡檢數(shù)據(jù)無法及時(shí)、準(zhǔn)確的錄入信息管理系統(tǒng)。由于巡檢手段的局限性，導(dǎo)致運(yùn)維人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和隱患，國內(nèi)換流站曾發(fā)生由于換流閥失火未及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致全部核心部件損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元，間接經(jīng)濟(jì)損失更是難以估量，嚴(yán)重影響社會(huì)和諧穩(wěn)定。

在上述背景下，有必要研究一種結(jié)構(gòu)緊湊可靠，能夠在閥廳、戶內(nèi)直流場(chǎng)、繼電小室、閥水冷室等強(qiáng)電磁、狹窄空間內(nèi)長時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，且能夠精確識(shí)別、精確檢測(cè)的室內(nèi)軌道式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)設(shè)備全覆蓋巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，代替人工巡檢，提高巡檢效率。

1 系統(tǒng)組成

本文研發(fā)室內(nèi)多維軌道式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，集成紅外和可見光檢測(cè)裝置，基于運(yùn)動(dòng)控制模塊和室內(nèi)軌道實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)巡檢及控制，自動(dòng)讀取室內(nèi)設(shè)備溫度、開關(guān)分合狀態(tài)以及儀表讀數(shù)等，通過電力載波將檢測(cè)信息上傳監(jiān)控主站系統(tǒng)，利用智能分析模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常的自動(dòng)判斷并告警。通過系統(tǒng)匯總的數(shù)據(jù)及智能分析進(jìn)行報(bào)警信息的推送、機(jī)器人巡檢控制、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理等服務(wù)，應(yīng)用于室內(nèi)運(yùn)維。

系統(tǒng)采用站控層和終端層兩層架構(gòu)。站控層由監(jiān)控主站及智能控制與數(shù)據(jù)分析軟件組成;終端層為室內(nèi)機(jī)器人，室內(nèi)機(jī)器人包括閥廳、戶內(nèi)直流場(chǎng)、繼電小室、閥水冷戶內(nèi)的組合式空中軌道機(jī)器人，室內(nèi)機(jī)器人包括軌道系統(tǒng)和機(jī)器人本體兩部分。架構(gòu)如圖1.1所示。

數(shù)據(jù)采集由終端機(jī)器人完成，包括移動(dòng)站主機(jī)和監(jiān)控裝置，可完成紅外圖像采集、可見光圖像采集、狀態(tài)信息采集、導(dǎo)航信號(hào)采集、其他傳感器信號(hào)采集以及運(yùn)動(dòng)控制。

監(jiān)控主站匯總終端機(jī)器人上傳的檢測(cè)信息，利用基于局部特征的圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)識(shí)別、儀表讀數(shù)等，通過智能分析和控制模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常的自動(dòng)識(shí)別及告警。系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖1.2所示。

檢測(cè)功能：通過集成的紅外和可見光傳感器檢測(cè)變電站室內(nèi)設(shè)備外觀、發(fā)熱缺陷、開關(guān)狀態(tài)。

自動(dòng)巡航功能：基于軌道系統(tǒng)和規(guī)劃任務(wù)自動(dòng)巡視。

分析告警功能：基于閾值的設(shè)備異常狀態(tài)識(shí)別及自動(dòng)報(bào)警。

控制功能：運(yùn)維人員可在監(jiān)控主站查看巡視記錄，同時(shí)可對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)控制或自動(dòng)規(guī)劃指令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)設(shè)備巡視的遠(yuǎn)方操作。

2 基于局部特征的圖像識(shí)別技術(shù)研究

目前智能巡檢機(jī)器人在數(shù)據(jù)采集、控制、傳輸?shù)确矫婕夹g(shù)已經(jīng)比較成熟[1-3]。但對(duì)于室內(nèi)設(shè)備，機(jī)器人巡檢時(shí)需外加光源，導(dǎo)致光亮不均勻影響圖像的識(shí)別，因此，本文基于室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢的特點(diǎn)，以戶內(nèi)開關(guān)、儀表為例簡要說明基于局部特征的圖像處理技術(shù)及應(yīng)用。

2.1 戶內(nèi)弱光下去除陰影和光暈的方法

對(duì)圖像進(jìn)行多尺度Retinex增強(qiáng)，進(jìn)而采用mean sift濾波進(jìn)行有限次迭代，消除噪聲點(diǎn)，平滑圖像。采用光照歸一化方法去除低光陰區(qū)域，通過OTSU閾值分割圖像，得到二值化圖像繼續(xù)處理?？蓪⑷豕庀碌年幱凹肮鈺炗行コＡ舾嘤行畔?，效果如圖2.1和2.2所示。

2.2 戶內(nèi)數(shù)字儀表圖像識(shí)別

充分利用圖像所攜帶的顏色信息，提取R分量，設(shè)定閾值轉(zhuǎn)化為二值圖像，利用腐蝕方法預(yù)處理，消除孤立點(diǎn)和小區(qū)域塊的干擾;利用投影法定位并分割出每個(gè)字符;最后利用sift算法[6]檢測(cè)特征點(diǎn)匹配，獲得結(jié)果，算法具有適用性和魯棒性。采用算法后的識(shí)別效果如圖所示。

2.3 戶內(nèi)開關(guān)狀態(tài)圖像識(shí)別

現(xiàn)場(chǎng)采集圖像：

圖像標(biāo)定方法：

算法處理過程：

圖像識(shí)別結(jié)果：

3 巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

機(jī)器人本體包括云臺(tái)、檢測(cè)組件、線、升降機(jī)構(gòu)，利用機(jī)械對(duì)接方式實(shí)現(xiàn)本體與軌道的連接。檢測(cè)組件包括可見光攝像機(jī)，升降機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。如圖所示。

檢測(cè)組件通過雙通道視頻采集模塊實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)設(shè)備的檢測(cè)。由視頻服務(wù)器板卡、高清攝像機(jī)、紅外熱像儀、云臺(tái)等組成，檢測(cè)元件將采集的圖像、視頻信息通過視頻服務(wù)器壓縮后，經(jīng)由通訊設(shè)備傳送到后臺(tái)顯示?？傮w結(jié)構(gòu)如圖所示。

操作人員可通過監(jiān)控主站向PTZ發(fā)送控制命令，且PTZ可以設(shè)置多個(gè)預(yù)置位，當(dāng)下次執(zhí)行設(shè)備檢測(cè)時(shí)可直接調(diào)用預(yù)置位，預(yù)設(shè)零點(diǎn)存儲(chǔ)在PTZ控制板中。視頻服務(wù)器可以將檢測(cè)組件采集的視頻信息和圖像信息傳給后臺(tái)機(jī)，監(jiān)控主站實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)畫面，以備相關(guān)人員進(jìn)行后續(xù)分析。