隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

文/何璐佳 楊墨 毛杰勇 劉世強(qiáng)

（湖南陽光電力科技有限公司 湖南省長沙市 410000）

電纜隧道作為一種城市電力傳輸方式，部分替代了常見的架空線路傳輸，得以廣泛應(yīng)用。但是隧道空間有限，環(huán)境情況復(fù)雜，所以加強(qiáng)對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境、電纜的監(jiān)測以保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。

長期以來，電纜隧道一般采用人工巡視的模式，靠感官以及檢測儀器進(jìn)行簡單定性、經(jīng)驗(yàn)判斷為主的檢查，由于其勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等原因，導(dǎo)致人工巡視難以對(duì)隧道的情況監(jiān)控到位。

隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)是為適應(yīng)隧道及管廊環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行巡檢、監(jiān)控和消防的一體化巡檢系統(tǒng)。巡檢系統(tǒng)以機(jī)器人本體為核心，搭載各類聲光像采集設(shè)備、輔助檢測組件及自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備等，在無人或少人值守的電纜隧道、綜合管廊等對(duì)高低壓設(shè)備和電纜線路進(jìn)行全自主監(jiān)測和智能診斷，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)環(huán)境、電纜、設(shè)備等隱患的前期預(yù)警及后期的狀態(tài)評(píng)估，保障隧道的結(jié)構(gòu)安全和電纜、設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)簡介

隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)基于綜合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，由軌道總成、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及機(jī)器人本體組成，機(jī)器人本體又包括行走組件、檢測組件、定位組件、電源及通訊組件等。如圖1所示，系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，包括基站層、通訊層和終端層?；緦佑珊笈_(tái)軟件、服務(wù)器、NVR、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成。通訊層主要由安裝在隧道內(nèi)的控制箱以及無線AP設(shè)備等構(gòu)成，負(fù)責(zé)建立基站層與終端層的網(wǎng)絡(luò)通道。終端層包括機(jī)器人本體、軌道總成及輔助系統(tǒng)。其中，輔助系統(tǒng)為自動(dòng)防火門總成、控制箱總成[1]。

隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)能夠以全自主、本地或遠(yuǎn)方遙控的模式代替或輔助人工進(jìn)行隧道巡檢，巡檢內(nèi)容包括可見光檢測、基于紅外熱圖的電纜設(shè)備缺陷檢測、環(huán)境溫濕度檢測、有害氣體檢測等，具有檢測方式多樣化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)巡視內(nèi)容、時(shí)間、路線、報(bào)表管理的一體化，實(shí)現(xiàn)了巡檢全過程自動(dòng)管理，并能夠提供數(shù)據(jù)分析與決策支持。

2 隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖像智能識(shí)別

機(jī)器人云臺(tái)內(nèi)搭載一體化高清相機(jī)和紅外熱成像儀，用于隧道現(xiàn)場的可見光檢測和熱監(jiān)控，獲取電纜、儀表、指示燈等對(duì)象的圖片，提前預(yù)知設(shè)備狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的預(yù)知性維修。系統(tǒng)經(jīng)圖像預(yù)處理和濾波技術(shù)，消除隧道內(nèi)可能存在的光線差、水霧等因素對(duì)圖像清晰度造成的影響，再通過圖像精確匹配和模式識(shí)別技術(shù)，可進(jìn)行設(shè)備外觀狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別。后臺(tái)軟件基于紅外熱診斷技術(shù)，結(jié)合設(shè)備專家圖像庫，能夠準(zhǔn)確分析和及時(shí)發(fā)現(xiàn)各類設(shè)備溫度異常與各類電流致熱性故障，監(jiān)控的對(duì)象包括電纜接頭、接地箱、電纜終端頭與終端瓷瓶、電纜終端接地情況在內(nèi)的多種設(shè)備。

指針式儀表的讀數(shù)識(shí)別流程為：圖像預(yù)處理、表盤提取、表針提取、示數(shù)讀??；對(duì)數(shù)字式儀表的讀數(shù)識(shí)別流程為：圖像預(yù)處理、數(shù)字區(qū)域提取、數(shù)字識(shí)別；依托于最新的圖像處理技術(shù)與模式識(shí)別算法，對(duì)不同類型的儀表分類處理，結(jié)合優(yōu)化的程序模塊，可以達(dá)到對(duì)單針類儀表100%的識(shí)別率、對(duì)數(shù)字儀表的高識(shí)別率[2]。

圖1：隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：隧道巡檢機(jī)器人本體示意圖

設(shè)備外觀異常檢測對(duì)電纜設(shè)備圖像進(jìn)行檢測，通過圖像預(yù)處理、模式識(shí)別、紋理分析等技術(shù)，判斷設(shè)備的外觀是否異常。同時(shí)檢測隧道內(nèi)指定區(qū)域是否有異常外來物，如塑料袋、小動(dòng)物等。系統(tǒng)通過圖像預(yù)處理改變圖像質(zhì)量，再對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行特征提取、匹配處理分析，有異物的區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行智能分類后獲取識(shí)別結(jié)果[3]。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)器人小車行走控制組件采用步進(jìn)式伺服電機(jī)，基于總線控制方式和高精度編碼器的空間矢量電流控制算法，實(shí)現(xiàn)全速度范圍的優(yōu)異性能。利用高速響應(yīng)的伺服控制技術(shù)，強(qiáng)化步進(jìn)電機(jī)固有的剛性特質(zhì)；根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整電流大小，合理降低機(jī)器人的能耗和發(fā)熱[4]。機(jī)器人通過伺服電機(jī)編碼器和RFID標(biāo)簽定位結(jié)合的方式進(jìn)行定位，保證控制器和后臺(tái)可以實(shí)時(shí)了解機(jī)器人的位置信息。而且機(jī)器人前后均裝有內(nèi)置微處理器的超聲傳感器，采用中斷方式完成測距計(jì)算，測距結(jié)果精度高，實(shí)時(shí)響應(yīng)能力好。運(yùn)行過程中，如發(fā)現(xiàn)前進(jìn)方向的一定扇形范圍內(nèi)有障礙物，即發(fā)出警報(bào)并停止運(yùn)動(dòng)。

云臺(tái)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含直流伺服電機(jī)、角度傳感器、硬件限位和云臺(tái)控制板，分別負(fù)責(zé)云臺(tái)水平和垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)、位置反饋、行程保護(hù)和系統(tǒng)控制，滿足水平0～360°旋轉(zhuǎn)和±90°俯仰運(yùn)動(dòng)的檢測范圍要求。

機(jī)器人沿著隧道頂部鋪設(shè)的鋁合金軌道運(yùn)行，實(shí)際工程實(shí)施時(shí)，可根據(jù)隧道現(xiàn)場地形設(shè)計(jì)和預(yù)制相應(yīng)的彎曲度和坡度軌道。機(jī)器人具備自動(dòng)巡航、例行檢查、專項(xiàng)檢查、特殊巡檢等模式，根據(jù)需要來靈活配置、切換。巡檢過程中接近任務(wù)點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人將提前減速、停止，調(diào)整云臺(tái)轉(zhuǎn)向，對(duì)任務(wù)點(diǎn)電纜、設(shè)備進(jìn)行信息采集。

2.3 電池管理和無線充電

機(jī)器人為鋰電池供電方式，搭載電壓監(jiān)測組件為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的電量評(píng)估。且具備過流保護(hù)和熔斷機(jī)制，限制功率異常部件對(duì)電池的損害。若機(jī)器人電量低于安全閾值時(shí)，電源管理組件會(huì)上報(bào)后臺(tái)電池的電量狀況，無緊急事件時(shí)機(jī)器人將返回充電樁充電。充電過程中機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)，若隧道內(nèi)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，機(jī)器人可隨時(shí)結(jié)束充電而執(zhí)行巡檢任務(wù)[5-6]。

供電系統(tǒng)采用220V市電，經(jīng)過工頻整流濾波電路變?yōu)橹绷麟?，然后斬波電路調(diào)整輸入到高頻逆變電路中電壓大小，利用高頻逆變電路將調(diào)整過的直流電轉(zhuǎn)換為諧振頻率的交流電。變化的高頻電流在發(fā)射線圈的周圍產(chǎn)生交變磁場，接收線圈可感生出相同頻率的電壓，整流、濾波后供給機(jī)器人使用。充電樁根據(jù)現(xiàn)場工況靈活布置，機(jī)器人到達(dá)充電區(qū)域時(shí)即可自動(dòng)充電。無線充電距離2～5cm，不需要精確對(duì)準(zhǔn)，具有極高的安全性。

2.4 無線通信

機(jī)器人本體采用無線通信，通訊層與基站層之間采用光纖通信方式。通過數(shù)字加密、身份認(rèn)證、地址綁定、終端隔離、功率控制、隱藏SSID等相關(guān)技術(shù)手段，消除無線通信方式存在的安全隱患。機(jī)器人本體控制信號(hào)和視頻信號(hào)均為網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與控制后臺(tái)的通訊。

機(jī)器人移動(dòng)終端上搭載支持IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的高性能無線設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)場測試網(wǎng)絡(luò)吞吐量、信號(hào)靈敏度、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等通信技術(shù)指標(biāo)，驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，合理規(guī)劃無線AP點(diǎn)的布置，使無線信號(hào)高質(zhì)量的覆蓋整個(gè)隧道，保證機(jī)器人通信的可靠性[7-8]。

2.5 后臺(tái)管理

后臺(tái)系統(tǒng)是整個(gè)巡檢系統(tǒng)的指揮、控制和監(jiān)視中心，能夠通過機(jī)器人的可見光、紅外圖像與視頻實(shí)時(shí)了解隧道情況，并通過全自主或手動(dòng)的方式控制機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)。后臺(tái)提供巡檢報(bào)表打印、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢和檢測數(shù)據(jù)的分析診斷功能，同時(shí)提供與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的接口。

后臺(tái)軟件平臺(tái)采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)，基于Windows操作系統(tǒng)和.Net Framework運(yùn)行平臺(tái)。軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)共4層，分別為數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、功能層和表示層。各模塊基于接口編程，廣泛應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，降低模塊間的耦合。

后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理功能包括數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警查詢、任務(wù)管理、歷史曲線查詢、運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等；后臺(tái)對(duì)機(jī)器人的控制功能有：任務(wù)下發(fā)、任務(wù)定制、運(yùn)行控制、被測對(duì)象的識(shí)別功能、GIS（Geographic Information System）地圖呈現(xiàn)等。

以GIS地圖呈現(xiàn)技術(shù)為例，系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)通過三維GIS地圖，以圖標(biāo)的方式展示設(shè)備、充電樁、巡檢點(diǎn)等關(guān)鍵設(shè)施，真實(shí)的反映了隧道周圍的地理環(huán)境信息。并且點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)后，可獲得該設(shè)備的詳細(xì)信息和歷史巡檢數(shù)據(jù)。同時(shí)GIS地圖上實(shí)時(shí)顯示巡檢機(jī)器人位置及規(guī)劃路徑，滿足快速對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位、控制的要求。

2.6 自動(dòng)防火門控制

防火門一般情況下呈常閉狀態(tài)，以滿足隧道內(nèi)的防火要求。機(jī)器人可聯(lián)動(dòng)或自主打開防火門，通過后再聯(lián)動(dòng)或自主將其關(guān)閉。為杜絕對(duì)現(xiàn)有消防設(shè)施的有害改造，采用在防火墻上部加裝專用自動(dòng)防火門的設(shè)計(jì)，專用自動(dòng)防火門與原防火門獨(dú)立工作，不存在物理干涉和性能影響。

防火門控制系統(tǒng)包括防火門本體、控制箱，控制箱接收后臺(tái)、機(jī)器人的信號(hào)控制，來配合機(jī)器人自由穿越防火門。一旦發(fā)現(xiàn)火情，巡檢系統(tǒng)將聯(lián)動(dòng)關(guān)閉所有防火門，同時(shí)機(jī)器人快速到達(dá)火警點(diǎn)核實(shí)，采集現(xiàn)場圖像與視頻實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)系統(tǒng)，幫助運(yùn)維人員迅速處理火情，降低火情造成的損失和影響[9]。

2.7 協(xié)同聯(lián)動(dòng)

隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)提供與隧道內(nèi)其它監(jiān)控系統(tǒng)和信息一體化平臺(tái)的接口，保證系統(tǒng)多元化管理模式的兼容性和可拓展性。通過網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和燈光、窗簾、防火門、消防設(shè)施、在線視頻監(jiān)控等輔助系統(tǒng)之間的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，并由綜合管理平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)度。

3 結(jié)語

通過搭建隧道機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)環(huán)境及電纜運(yùn)行狀態(tài)的全方位、自主化巡檢的目的，提高電纜運(yùn)行的可靠性，降低隧道巡檢的運(yùn)維成本，協(xié)助運(yùn)維人員提升巡檢質(zhì)量。并根據(jù)巡檢系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和監(jiān)測結(jié)果，不斷完善與綜合管理平臺(tái)的對(duì)接，達(dá)到隧道巡檢信息一體化、設(shè)備巡視智能化、隧道運(yùn)維科學(xué)化的目標(biāo)。