云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢新模式

文/楊英儀 鄭友亮 沈映娜 吳昊

作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，變電站的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行直接關(guān)系到電網(wǎng)的生產(chǎn)安全，進(jìn)而影響到社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。變電站巡檢主要是通過巡視人員對變電站所轄范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行定期巡視檢測、抄錄設(shè)備運(yùn)行參數(shù)來掌握設(shè)備運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷及可能引發(fā)的安全隱患，以便及時消除缺陷隱患，保障設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，變電站及其設(shè)備的數(shù)量不斷增加。以廣東電網(wǎng)為例，截至2020年3月，投產(chǎn)的變電站達(dá)2526座、主變壓器5619臺、變電容量48456萬千伏安。在變電站設(shè)備數(shù)量及安全可靠性要求日益提高的背景下，傳統(tǒng)落后的人工巡檢方式、嚴(yán)重不足的人員配備是導(dǎo)致巡視不到位、潛在隱患易忽略等問題的直接原因。傳統(tǒng)人工巡檢已不能適應(yīng)變電站智能化運(yùn)維的需求，而具備自動化巡檢能力的變電站巡檢機(jī)器人則成為變電站巡檢的重要發(fā)展方向。通過對自主導(dǎo)航、傳感檢測、智能分析等技術(shù)手段的綜合運(yùn)用，變電站巡檢機(jī)器人所具備的“代人”能力大大減少了巡檢作業(yè)的人員投入，降低了人員勞動強(qiáng)度和人身安全風(fēng)險，極大提升了變電站巡檢的自動化、智能化和無人化水平。

變電站巡檢機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

變電站巡檢機(jī)器人是典型的特種移動機(jī)器人。隨著研究深入和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，在國際上已經(jīng)形成了獨(dú)有的電力特種機(jī)器人應(yīng)用研究領(lǐng)域。

國外最早研發(fā)電力相關(guān)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)包括日本三菱公司、巴西圣保羅大學(xué)和加拿大魁北克水電公司等。20世紀(jì)80年代，日本三菱公司聯(lián)合東京電力公司聯(lián)合開發(fā)了基于軌道行駛的500kV變電站巡檢機(jī)器人，配備了紅外、可見光采集設(shè)備獲取變電站實(shí)時信息。2008年，巴西圣保羅大學(xué)研制的設(shè)備監(jiān)測機(jī)器人采用高空行走軌道在站內(nèi)移動，利用紅外熱像儀進(jìn)行設(shè)備熱點(diǎn)監(jiān)測。加拿大魁北克水電公司研制的變電站巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控并配備遙控裝置，支持對機(jī)器人的實(shí)時控制。

相對于國外而言，我國在變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較晚，但隨著機(jī)械、傳感、信息等基礎(chǔ)支撐技術(shù)的迅速發(fā)展，我國在該領(lǐng)域的研究得到了迅猛發(fā)展。山東魯能智能技術(shù)有限公司最早于1999年開始變電站巡檢機(jī)器人的研究，并于2004年成功研制了第一臺巡檢機(jī)器人功能樣機(jī)，經(jīng)過多年的發(fā)展，其巡檢機(jī)器人已經(jīng)歷了五次迭代，積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的巡檢機(jī)器人適應(yīng)了北方冰雪天氣下的全天候巡檢，但是其固定軌道式的設(shè)計(jì)影響了設(shè)備全方位監(jiān)測效果。此外，深圳朗馳、浙江國自、成都慧拓等公司也開展了相關(guān)機(jī)器人的研制，在一定程度上推動了機(jī)器人自主移動、智能檢測等技術(shù)的進(jìn)步。

近年來，中國南方電網(wǎng)公司（以下簡稱“南方電網(wǎng)”或“公司”）大力推動基于人工智能的“智慧生產(chǎn)”系統(tǒng)建設(shè)，并在公司《智能技術(shù)在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用路線方案》中明確，將“設(shè)備狀態(tài)一目了然”作為生產(chǎn)管理體系的主要目標(biāo)之一，而以機(jī)器人為主的智能裝備的研發(fā)制造是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要舉措。根據(jù)公司的智能化巡視規(guī)劃，到2020年年底將實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)220kV及以上變電站無軌式巡視機(jī)器人全覆蓋；到2025年年底實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)110kV及以上變電站無軌式巡視機(jī)器人全覆蓋。

為助力這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，南方電網(wǎng)在2017年就以廣東電網(wǎng)電力科學(xué)研究院為依托，專門成立了以產(chǎn)品研發(fā)為導(dǎo)向的智能機(jī)器人重點(diǎn)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，并先后自主研發(fā)了變電站室外巡檢機(jī)器人和首臺具有五自由度的變電站室內(nèi)巡檢機(jī)器人，形成了面向變電站全站的智能巡檢裝備研發(fā)與制造能力。目前，通過技術(shù)升級與產(chǎn)品迭代，南方電網(wǎng)研制出了小型化機(jī)器人、軌道式機(jī)器人等變電站巡檢系列產(chǎn)品，可適應(yīng)于不同變電站環(huán)境和不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

變電站巡檢機(jī)器人推廣應(yīng)用的挑戰(zhàn)

盡管國內(nèi)外變電站巡檢機(jī)器人技術(shù)在近年來取得了長足進(jìn)步，但由于變電站所處環(huán)境復(fù)雜多變，電網(wǎng)設(shè)備缺陷類型多樣、缺陷處理實(shí)時性要求高等問題，變電站巡檢機(jī)器人在設(shè)備巡檢實(shí)時性、檢測結(jié)果有效性和分析能力智能化等方面仍存在不足。此外，由于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)安全等方面的問題，生產(chǎn)臺賬類數(shù)據(jù)和巡檢控制類數(shù)據(jù)在不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的交互仍然沒有得到有效解決，這在很大程度上影響了變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用效果。

具體而言，當(dāng)前變電站巡檢機(jī)器人在推廣應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.機(jī)器人巡視智能化水平仍有待進(jìn)一步提升。

目前，機(jī)器人現(xiàn)場可見光巡視主要采集變電站設(shè)備的外觀、儀表等圖像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺，再利用圖像處理方法進(jìn)行分析，從而判斷電力系統(tǒng)是否存在異常。由于變電站表計(jì)安裝高度、位置、角度等情況各不相同，而現(xiàn)場環(huán)境背景、光線、氣候變化等也會對設(shè)備外觀產(chǎn)生影響，常規(guī)的圖像處理方法在泛化能力上表現(xiàn)不佳，變電站巡檢機(jī)器人基于圖像處理分析的智能化水平仍有待進(jìn)一步提升。

2.站端系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)通信存在不足。

當(dāng)前，戶外輪式巡視機(jī)器人站端系統(tǒng)的主流通信方式為站內(nèi)專用Wi-Fi方式，這種方式要求在變電站現(xiàn)場建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)，變電站巡檢機(jī)器人與站端系統(tǒng)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)交互，但其加密和網(wǎng)絡(luò)安防措施不能滿足公司相關(guān)要求。此外，由于變電站巡檢機(jī)器人與站端系統(tǒng)之間傳輸?shù)闹饕且曨l、圖像等多媒體數(shù)據(jù)，對無線網(wǎng)絡(luò)在帶寬、速度方面的需求較高，在變電站電磁環(huán)境下的抗干擾能力也面臨著較大的挑戰(zhàn)。

3.變電站機(jī)器人系統(tǒng)仍是“孤島”運(yùn)行。

變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)與生產(chǎn)信息系統(tǒng)仍未聯(lián)通，未能為人機(jī)協(xié)同巡視提供系統(tǒng)支撐。目前,機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)備臺賬信息、巡視計(jì)劃、巡視數(shù)據(jù)、缺陷管理等還沒有與生產(chǎn)管理相關(guān)系統(tǒng)聯(lián)動，需要人工手動錄入，這增加了重復(fù)補(bǔ)錄和維護(hù)的工作量。各變電站機(jī)器人巡檢數(shù)據(jù)采集、機(jī)器人檢查維護(hù)、臨時任務(wù)下發(fā)執(zhí)行等工作仍需依賴運(yùn)行人員前往現(xiàn)場開展，缺乏高級分析應(yīng)用功能，系統(tǒng)應(yīng)用效率不高，機(jī)器代人效果尚未彰顯。

面對這一系列挑戰(zhàn)，云計(jì)算、人工智能、移動通信等新一代技術(shù)的融合應(yīng)用提供了有利手段，尤其是隨著近年來以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)變電站機(jī)器人巡檢必將迎來新一輪技術(shù)變革，逐步發(fā)展出融合人工智能技術(shù)與云-端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢新模式（見圖1）。

云－端協(xié)同的機(jī)器人智能巡檢

云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢以變電站巡檢機(jī)器人為物理載體，以人工智能為核心技術(shù)，充分利用云端大規(guī)模計(jì)算集群提供智能化升級迭代能力，利用裝備端側(cè)小型化、低功耗嵌入式智能硬件提供實(shí)時智能推理能力，既滿足了變電站巡檢機(jī)器人前端實(shí)時巡檢分析需求，又可實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)共享與智能聯(lián)動的協(xié)同，逐步形成云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢新模式，助力機(jī)器人巡檢產(chǎn)品的規(guī)?；渴鹋c推廣應(yīng)用。

1.應(yīng)用架構(gòu)。

從業(yè)務(wù)邏輯來看，云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢是一種涵蓋整個變電站巡檢周期內(nèi)設(shè)備精確定位、裝備智能控制、多模態(tài)數(shù)據(jù)融合、預(yù)測模型生成、缺陷實(shí)時感知、結(jié)果可視管控、運(yùn)維輔助決策等多種關(guān)鍵智能化能力的復(fù)雜任務(wù)。實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜任務(wù)需要依賴于“云+端”協(xié)同的智能技術(shù)，形成具備大規(guī)模計(jì)算、智能化感知、持續(xù)性升級的智能巡檢新模式。

機(jī)器人智能巡檢新模式以人工智能技術(shù)為核心，在業(yè) 務(wù)應(yīng)用層上構(gòu)建變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)（見圖2）。該系統(tǒng)主要依賴于云和端兩側(cè)的智能化能力，其中，云端智能借助云端大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器集群提供的強(qiáng)大并行運(yùn)算能力及大數(shù)據(jù)工具進(jìn)行歷史巡檢大數(shù)據(jù)的預(yù)處理，再通過圖形處理器（GPU）、專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片等智能硬件支持的深度學(xué)習(xí)計(jì)算框架進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)感知、故障診斷、缺陷分析、狀態(tài)評價、趨勢研判；端側(cè)智能則將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等能力從云端向前端延伸到變電站巡檢機(jī)器人本體，借助多種傳感器的智能融合、模式識別和視覺即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）等技術(shù)手段，利用小型化、低功耗的智能芯片（如FPGA、NPU等）實(shí)現(xiàn)邊緣端的智能推理，支持面向變電站設(shè)備的實(shí)時性、智能化巡檢。

圖2 變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)

變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)具有如下幾個特點(diǎn)：一是云－端智能兼?zhèn)?，技術(shù)深度協(xié)同。一方面，現(xiàn)場巡檢數(shù)據(jù)通過端側(cè)變電站巡檢機(jī)器人及其搭載的傳感檢測設(shè)備的采集、傳輸，逐漸匯聚、累積形成海量巡檢樣本，支持云端深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模訓(xùn)練與智能模型形成；另一方面，深度學(xué)習(xí)模型通過剪枝、蒸餾、壓縮等優(yōu)化處理，可向資源有限的端側(cè)機(jī)器人本體遷移，并在機(jī)載智能硬件的支持下進(jìn)行實(shí)時推理與分析。二是業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互，智能裝備聯(lián)動。通過與其他變電生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立聯(lián)通接口，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)的共享與交互，云－端協(xié)同支持的變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)既具備運(yùn)檢業(yè)務(wù)輔助決策能力，也具備面向邊緣側(cè)變電站室內(nèi)外多種類型、多臺巡檢機(jī)器人的智能決策管控能力。三是服務(wù)巡檢領(lǐng)域，支持?jǐn)U展延伸。云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢新模式，是以變電站智能巡檢為業(yè)務(wù)場景，以變電站智能巡檢機(jī)器人為端側(cè)物理載體，以變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)為云端大規(guī)模推理分析引擎，通過云－端智能協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備巡檢、故障數(shù)據(jù)分析、缺陷智能診斷、狀態(tài)趨勢預(yù)測等核心功能。圍繞這一新模式的軟硬件構(gòu)建形式與系統(tǒng)運(yùn)作方式，支持相關(guān)方法、算法、技術(shù)和能力的持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，且可逐漸推廣應(yīng)用于電網(wǎng)其他生產(chǎn)領(lǐng)域乃至其他垂直行業(yè)領(lǐng)域。

2.技術(shù)架構(gòu)。

以變電站智能化巡檢為目標(biāo)，云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢新模式的形成需要云端和邊緣端核心技術(shù)的支持，也需要包括基礎(chǔ)設(shè)施資源、輔助工具等各類基礎(chǔ)軟硬件的支撐。作為模式具體載體的變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

（1）智能與通信：技術(shù)演進(jìn)。

近年來，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，在電網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。從2012年開始，深度學(xué)習(xí)方法在計(jì)算機(jī)視覺、語音識別、自然語言處理等方面取得了較大突破，不少任務(wù)性能在大規(guī)模數(shù)據(jù)集上得到了大幅度地提升。在變電站機(jī)器人領(lǐng)域，“電力深度視覺”的概念也被提出。它指的是基于深度學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，對機(jī)器人、無人機(jī)及視覺傳感裝置等智能化裝備拍攝到的影像進(jìn)行包括目標(biāo)檢測、圖像分割、定位跟蹤等視覺方面的分析和處理，從而快速、準(zhǔn)確地感知和理解電力對象的信息。當(dāng)前，南方電網(wǎng)已經(jīng)圍繞此類技術(shù)進(jìn)行了多方面的探索和研究，并在變電站巡檢領(lǐng)域開展了系列試點(diǎn)應(yīng)用。隨著云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢新模式的提出，以深度學(xué)習(xí)為核心的智能視覺感知技術(shù)將得到進(jìn)一步的推廣和運(yùn)用。

變電站巡檢在通信場景中主要?dú)w屬采集類業(yè)務(wù)，因?yàn)樽冸娬狙矙z機(jī)器人主要是對變電站范圍內(nèi)的設(shè)備、缺陷、狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，有大量高清視頻回傳需求，在局部帶寬需求上達(dá)到100Mbps的量級。在變電站巡檢機(jī)器人的具體應(yīng)用中，既有時延和可靠性要求不高的應(yīng)用（如數(shù)據(jù)備份、訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集等），也有實(shí)時視頻傳輸交互，甚至對時延和可靠性要求都非常高的機(jī)器人運(yùn)動控制、遠(yuǎn)程操控等，因此，此類場景通常采用eMBB（增強(qiáng)移動寬帶）切片， 該切片的帶寬可達(dá)到4~100Mbps，延遲小于200ms，滿足了新模式云－端協(xié)同的需求。

（1）端側(cè)：機(jī)器人服務(wù)提升。

“端”在靠近設(shè)備并產(chǎn)生實(shí)時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源端提供智能化服務(wù)。針對所搭載的可見光、紅外傳感器云臺采集的視頻圖像數(shù)據(jù)，變電站巡檢機(jī)器人可以利用嵌入集成到機(jī)器人移動平臺上的智能硬件進(jìn)行前端推理，結(jié)合應(yīng)用廣泛的智能傳感器、檢測設(shè)備和監(jiān)測系統(tǒng)，機(jī)器人可通過模式識別和信號分析等能力，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控對象的智能識別、異常感知、缺陷診斷與實(shí)時預(yù)警，為現(xiàn)場巡視工作提供快速響應(yīng)和支持，提高巡檢效率，保證數(shù)據(jù)安全與隱私。

（3）云端：機(jī)器人能力增強(qiáng)。

“云”憑借強(qiáng)大的計(jì)算集群和大數(shù)據(jù)工具對所積累的海量巡檢樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、去噪等預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上通過機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能方法開展設(shè)備狀態(tài)分析與潛在價值挖掘，形成智能計(jì)算分析能力；同時，靈活協(xié)調(diào)變電站智能巡檢機(jī)器人巡檢，為運(yùn)維人員提供預(yù)測性維護(hù)建議，為巡檢部門提供靈活協(xié)調(diào)機(jī)器人巡檢作業(yè)的依據(jù)，為管理人員提供管理決策輔助支持，全面提高變電站設(shè)備運(yùn)檢質(zhì)量和智能化管理水平。此外，云端大規(guī)模訓(xùn)練推理的一個重要優(yōu)勢在于：通過云端迭代訓(xùn)練形成的智能模型，可以通過剪枝、蒸餾、壓縮等優(yōu)化，形成可遷移并分發(fā)到機(jī)器人端提供智能推理的端側(cè)模型，從而達(dá)到云－端智能協(xié)同的良性循環(huán)。

結(jié)論與展望

當(dāng)前，變電站巡檢機(jī)器人已經(jīng)得到了廣泛的研究和發(fā)展，但是其大規(guī)模的推廣應(yīng)用面臨著通信互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)交互、智能協(xié)同等方面的挑戰(zhàn)。憑借新一代智能技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，建立變電站智能裝備巡檢系統(tǒng)，搭建云－端快速互聯(lián)互通渠道，充分發(fā)揮云端高性能計(jì)算能力和邊緣端實(shí)時推理能力，將能夠有效形成云－端協(xié)同的變電站機(jī)器人智能巡檢新模式，助力變電站巡檢機(jī)器人的大規(guī)模部署運(yùn)用，并最終促進(jìn)變電設(shè)備可靠性和運(yùn)維智能化，提升電網(wǎng)自動化、無人化和智能化管理水平。