基于云平臺的熱像儀巡檢系統(tǒng)

江 灝 生綠偉 唐 輝 湯沙沙

上海振華重工集團(股份)有限公司

1 引言

早期診斷變電站帶電運行設(shè)備的發(fā)熱隱患對電力系統(tǒng)安全運行、可靠供電十分重要。紅外熱像儀具有非接觸性特點及先進的成像技術(shù)，便于在線進行電氣設(shè)備的發(fā)熱檢測，使電氣設(shè)備故障診斷和維修變得簡單方便，電網(wǎng)設(shè)備維修從傳統(tǒng)的預(yù)防性檢修轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)知性維護，可有效減輕運行維護人員的負(fù)擔(dān)[1-2]。為滿足智能監(jiān)控的需求，將紅外熱像儀安裝在運動機構(gòu)上，利用多軸運動控制器控制運動機構(gòu)按照設(shè)定的路徑運動，從而擴展更大的監(jiān)控范圍，能夠?qū)崟r檢測電氣柜內(nèi)電氣設(shè)備運行情況，發(fā)送高溫報警信息到監(jiān)控系統(tǒng)控制器。同時推送報警視頻、圖片等信息給手機客戶端，便于及時了解故障，解決問題，并實時記錄設(shè)備溫度，通過和歷史數(shù)據(jù)比較評估電氣設(shè)備使用壽命。

2 系統(tǒng)整體組成

系統(tǒng)主要由熱像儀傳感器、運動部分、監(jiān)控云平臺、客戶端部分組成(見圖1)。運動部分主要由運動控制器、二維運動機構(gòu)組成。運動控制器發(fā)送指令控制二維機構(gòu)支架，運動機構(gòu)攜帶熱像儀按周期運動，并將實時位置信息和支架運動狀態(tài)等發(fā)送到云平臺。監(jiān)控云平臺由視頻數(shù)據(jù)庫、圖片數(shù)據(jù)庫、溫度值數(shù)據(jù)庫、圖片處理和WEB服務(wù)器組成，分布式地監(jiān)控各運動機構(gòu)。視頻數(shù)據(jù)庫主要保存溫度達(dá)到閾值時的視頻數(shù)據(jù)，提供給客戶端檢查；圖片數(shù)據(jù)庫主要也是保存溫度達(dá)到閾值時設(shè)備圖片信息，通過圖片處理技術(shù)可以分析出具體設(shè)備的溫度情況，故障狀態(tài)；溫度值數(shù)據(jù)庫通過實時溫度和歷史溫度的比較，了解設(shè)備使用壽命；WEB服務(wù)器將監(jiān)控系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)化為WEB服務(wù)，提供監(jiān)控系統(tǒng)的對外接口；云平臺上的數(shù)據(jù)庫具有圖片處理、數(shù)據(jù)保存等功能，為WEB服務(wù)器提供溫度信息和視頻圖片分發(fā)的資源，用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問WEB服務(wù)器，獲取實時的視頻、溫度值，運動狀態(tài)以及歷史報警信息等。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 熱像儀巡檢系統(tǒng)設(shè)計

熱像儀巡檢系統(tǒng)主要包含二維運動機構(gòu)、運動控制器、伺服驅(qū)動器、熱像儀和云平臺。

3.1 二維運動機構(gòu)

運動機構(gòu)設(shè)計成門字型框架，熱像儀安裝在滾珠絲桿組合滑臺上面，橫向伺服電機通過滾珠絲桿的傳動方式控制熱像儀水平運動，頂部的伺服電機通過鏈條驅(qū)動的方式控制熱像儀縱向運動，運用運動控制系統(tǒng)對伺服電機實施精確控制。其機械結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 二維運動機構(gòu)示意圖

運動機構(gòu)的技術(shù)要求如下：

(1)整個運動支架需采用防腐防生銹材料，總重量應(yīng)小于10 kg，整體穩(wěn)固，抗擺動。

(2)驅(qū)動電機為伺服電機(豎直方向帶剎車)，通訊接口RS485,通訊協(xié)議Modbus RTU。

(3)水平方向和垂直方向的起始位置和終點位置均配置安全保護限位。

(4)水平方向行程0.9 m，垂直方向行程1.5 m。

(5)水平方向和垂直方向的速度范圍控制在0.5～3 m/s。

(6)運動機構(gòu)負(fù)載1 kg。

3.2 運動控制器

采用基于以太網(wǎng)或串行總線的以DSP作為核心處理器的開放式運動控制器。這類運動控制器以DSP芯片作為運動控制器的核心處理器，具有強大的信息處理能力、較高的開放程度、運動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點。能提供多軸協(xié)調(diào)運動控制和復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃、實時地插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。

選用支持Modbus RTU協(xié)議的伺服驅(qū)動器，運動控制器可以控制多臺運動機構(gòu)工作。Modbus RTU主站設(shè)備(客戶端)通過串行網(wǎng)絡(luò)向伺服驅(qū)動器(服務(wù)器)發(fā)送查詢信息。網(wǎng)絡(luò)上的每一個伺服驅(qū)動器都有1個唯一的設(shè)備地址，根據(jù)特定的從站設(shè)備或者特定的廣播地址進行查詢。需要回應(yīng)的查詢不可用廣播地址。接到1個完整的非廣播查詢后，從站必須向主站發(fā)送1個回應(yīng)消息。當(dāng)主站接收到1個完整的回應(yīng)時，查詢/回應(yīng)的一個周期就完成了，從站不會響應(yīng)廣播查詢。當(dāng)發(fā)送廣播查詢之后，在完成這個周期并發(fā)下一個查詢之前，主站必須等待一個特定的時間。某些廣播查詢會包含命令，要求從站執(zhí)行特定動作。

3.3 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器作為從站，接受來自運動控制器的指令，驅(qū)動伺服電機運動。通過位置模式對伺服電機進行閉環(huán)控制，從而可以實現(xiàn)高精度的定位。低速度的平緩運動使得熱像儀傳回的視頻比較流暢，不會出現(xiàn)抖動的畫面。

3.4 熱像儀

紅外測溫技術(shù)是利用紅外探測技術(shù)獲取設(shè)備的紅外輻射狀態(tài)的熱信息，然后轉(zhuǎn)換成溫度進行顯示的技術(shù)，是一種非接觸精確測溫方式，與傳統(tǒng)測溫方式相比具有很多優(yōu)點：它的測量不干擾被測溫度場，不影響溫度場分布，從而具有較高的精準(zhǔn)度；理論測量范圍寬；不需要與被測對象達(dá)到熱平衡就能讀出被測物體的溫度，所以測溫實時性強。紅外熱像儀的實時視頻圖片信息可以很直觀地反應(yīng)出故障點。

3.5 云平臺

云平臺從用戶體驗的角度出發(fā)分為3種模式：SaaS、PaaS、IaaS。云計算平臺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)合，可以將基于云平臺的紅外視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為紅外視頻數(shù)據(jù)采集、用戶訪問、云計算服務(wù)器集群等模塊。紅外熱像儀和運動控制器通過網(wǎng)絡(luò)直接和云服務(wù)相連，云平臺采用基于B/S架構(gòu)的模式，用戶可以通過移動設(shè)備或者PC計算機快速訪問，獲取視頻信息、給運動控制器發(fā)送指令。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 機構(gòu)運動路線規(guī)劃

運動機構(gòu)攜帶熱像儀對目標(biāo)電氣柜區(qū)域進行定期巡檢，需要對運動機構(gòu)的路徑進行合理規(guī)劃。對低溫區(qū)域降低巡檢頻率，對局部高溫區(qū)域進行標(biāo)記并增加掃描頻率。

按工況將運動機構(gòu)的路徑規(guī)劃劃分為3個階段。

(1)復(fù)位階段。整個系統(tǒng)上電復(fù)位后，熱像儀、伺服機構(gòu)等進入初始化階段。運動結(jié)構(gòu)進行位置歸零操作，依靠水平和垂直和限位開關(guān)，將機構(gòu)運動到如電氣柜邊角的零點位置。

(2)巡檢搜索階段。設(shè)置好起始點和目標(biāo)點的前提下，結(jié)合電子地圖規(guī)劃全局的道路路線。集合熱像儀視場角以及熱像儀到被測物體的距離，計算出水平運動方向和垂直方向的目標(biāo)位置后，將所有的目標(biāo)位置保存到電子地圖中，然后運動起始。按照先水平后垂直的交替運動方式，經(jīng)過所有目標(biāo)位置，完成對整個電氣柜的掃描。

(3)區(qū)域監(jiān)控階段。將巡檢搜索階段記錄的溫度值進行統(tǒng)計，尋找局部高溫區(qū)域，對這些區(qū)域進行路徑規(guī)劃重點關(guān)注。通過區(qū)域監(jiān)控和巡檢搜索相結(jié)合的方式，熱像儀巡檢儀能更高效地完成電氣柜的監(jiān)控工作。

4.2 視頻流

熱像儀采用RTSP(Real Time Streaming Protocol)實時流傳輸協(xié)議，而在移動端的顯示需要HLS(HTTP Live Streaming)視頻流媒體播放。目前在iOS、Android等主流移動端都可以播放HLS視頻流。為了將RTSP視頻流轉(zhuǎn)化成HLS視頻流輸出，采用FFmpeg作為視頻流轉(zhuǎn)換的工具。云平臺的監(jiān)控流媒體服務(wù)程序?qū)@取的RTSP視頻流根據(jù)需求進行HLS轉(zhuǎn)化處理，HLS生成的ts視頻切片序列和對應(yīng)的索引文件存儲在云平臺上，并更新該設(shè)備HLS的索引文件。手機客戶端訪問WEB服務(wù)器，根據(jù)用戶選擇從數(shù)據(jù)庫中查找對應(yīng)的熱像儀，獲取實時的視頻信息，可從WEB服務(wù)器上下載HLS索引和視頻切片進行播放[5-6]。

4.3 智能數(shù)據(jù)處理

云平臺服務(wù)器接收到手機客戶端運動機構(gòu)位置狀態(tài)信息的請求后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫配置的對應(yīng)運動控制器，通過Modbus RTU協(xié)議獲取實時位置信息，再推送到手機客戶端。在智能化方面，通過分析H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)，提出在視頻壓縮域使用運動矢量與宏塊分割類型相結(jié)合的顯著運動檢測方法，對實時視頻進行分析，智能視頻處理模塊從平臺接口接入系統(tǒng)，調(diào)用微信公眾號接口向用戶推送報警信息。

在云服務(wù)器上分別有視頻服務(wù)器、圖片數(shù)據(jù)庫、溫度值數(shù)據(jù)庫，主要功能是采集和存儲視頻數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和報警圖片數(shù)據(jù)。系統(tǒng)自動截取每次報警時的圖片保存到圖片數(shù)據(jù)庫，實時溫度信息會保存到數(shù)據(jù)庫并和歷史數(shù)據(jù)比較，會獲得該設(shè)備的壽命、使用年限等信息[7]。

熱像儀支持Modbus TCP協(xié)議。當(dāng)被監(jiān)控設(shè)備的溫度達(dá)到閾值時，截取視頻流，將此時的圖片保存到圖片數(shù)據(jù)庫，通過圖片處理技術(shù)獲取到溫度達(dá)到閾值的設(shè)備，云平臺立刻向熱像儀發(fā)送獲取溫度值請求，收到來自熱像儀的實時溫度信息，將溫度信息和到達(dá)閾值的設(shè)備名以及時間等信息保存到數(shù)據(jù)庫。

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)平臺以及工業(yè)大數(shù)據(jù)分析所建立的熱像儀巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)了電氣設(shè)備的實時、智能工作溫度監(jiān)測，對電氣柜等設(shè)備的全壽命周期安全管理具有十分重要的意義，能夠提高工作效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，有效減少設(shè)備停機時間。