基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守機房智能巡檢管理模式研究

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(海南電網(wǎng)信息通信分公司，海南 ?？?570100)

0 引言

自動化機房是保障電力供應(yīng)的重要環(huán)節(jié)，機房設(shè)備的安全穩(wěn)定運行是確保電網(wǎng)安全可靠運行的關(guān)鍵，因此有必要及時準(zhǔn)確地掌握機房設(shè)備的運行狀態(tài)，而機房設(shè)備巡檢能夠及時發(fā)現(xiàn)機房設(shè)備的異常隱患和缺陷[1-2]。當(dāng)前大部分自動化機房采用人員現(xiàn)場值守模式，且自動化機房的巡檢方式采用的是人工巡檢方式，主要是通過值班工作人員手動攜帶檢測終端對機房設(shè)備進(jìn)行檢測。由于自動化機房設(shè)備點多面廣，增加了人工巡檢方式的工作量和難度，同時人工巡檢方式容易受工作人員主觀因素影響，從而導(dǎo)致可靠性差以及效率低等問題，且很多機房設(shè)備存在的故障隱患難以直觀被發(fā)現(xiàn)[3-4]。

針對上述自動化機房設(shè)備巡檢所面臨的問題和挑戰(zhàn)，目前被廣泛應(yīng)用的方法之一是遠(yuǎn)程無人值守的智能巡檢方式[5-6]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，將電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動化機房設(shè)備巡檢相結(jié)合，給自動化機房值守模式和設(shè)備巡檢模式帶來了新的方式。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在信息感知、信息存儲、信息傳輸和信息處理方面具有獨特的優(yōu)勢，其具有全面狀態(tài)感知、快速靈活組網(wǎng)、高效信息融合、通信方式靈活、信息高速處理、應(yīng)用方便靈活和智能化程度高等基本特征，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7-8]。但是與電力系統(tǒng)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，自動化機房無人值守和設(shè)備巡檢在管理和控制方面具有一定的差異性。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于無人值守機房智能巡檢是未來的發(fā)展趨勢，也面臨著較大的挑戰(zhàn)。

鑒于此，本文在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)上，分析和設(shè)計了一種無人值守機房智能巡檢管理模式。介紹了應(yīng)用于自動化機房的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、無人值守機房智能巡檢總體架構(gòu)、無人值守自動化運行方案、智能巡檢機器人以及智能巡檢優(yōu)化策略等關(guān)鍵技術(shù)。最后實際應(yīng)用結(jié)果驗證了所設(shè)計的無人值守機房智能巡檢管理模式的有效性。

1 自動化機房物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 需求分析

電力物聯(lián)網(wǎng)的基本含義是電力系統(tǒng)不同元件之間以及元件與人員之間，通過不同類型的信息傳感設(shè)備，結(jié)合已有的大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成一個巨大的電力網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具備的功能主要有：感知系統(tǒng)不同元件的運行狀態(tài)；監(jiān)測不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電氣信息量；評估電網(wǎng)各類設(shè)備的健康狀態(tài)；實時跟蹤運維人員；管理系統(tǒng)設(shè)備的基本信息。電力物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的萬物互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)互動，有效整合多源信息數(shù)據(jù)，能夠提高電力系統(tǒng)的可靠性和可用性，優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行和管理。

因此，自動化機房物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)能夠支撐機房智能化、數(shù)字化和信息化管理水平，為構(gòu)建無人值守機房提供技術(shù)支撐。采用物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)無人值守機房采用的基本原則是實用性、先進(jìn)性、可靠性、靈活性以及擴展與集成性等。無人值守機房以基于物聯(lián)網(wǎng)的軟硬件平臺為基礎(chǔ)，其核心是自動化機房的中央控制系統(tǒng)，實現(xiàn)整個巡檢作業(yè)自動化運行。物聯(lián)網(wǎng)平臺以機房中央控制系統(tǒng)作為核心，全面感知、采集和獲取機房生產(chǎn)運行信息，并通過優(yōu)化算法實現(xiàn)無人值守機房的智能巡檢。

1.2 總體架構(gòu)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于無人值守機房智能巡檢的總體架構(gòu)如圖1所示。無人值守機房智能巡檢系統(tǒng)的組成部分主要包括采集層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中采集層以智能巡檢機器人作為載體，主要是對巡檢任務(wù)進(jìn)行接收并優(yōu)化巡檢策略，且對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并對被巡檢機房設(shè)備的信息進(jìn)行采集和處理，最后將所采集到的信息數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層；網(wǎng)絡(luò)層是以新一代通信技術(shù)來建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息交互通道，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)類型分為內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)外網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層具有多樣化的通信方式，不同電力業(yè)務(wù)應(yīng)用場景根據(jù)需求來選取合適的通信方式；平臺層主要是存儲和管理無人值守機房智能巡檢業(yè)務(wù)的海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)信息的互通和共享，平臺層不僅收集網(wǎng)絡(luò)層所傳輸?shù)亩嘣磾?shù)據(jù)而且為智能巡檢業(yè)務(wù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)；應(yīng)用層是基于海量的智能巡檢運行數(shù)據(jù)，結(jié)合無人值守機房設(shè)備的巡檢周期要求和運行特點，生成設(shè)備巡檢策略并發(fā)送到采集層，同時應(yīng)用層結(jié)合機房設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，采用智能算法建立機房設(shè)備狀態(tài)評估、故障診斷模型。

圖1 無人值守機房智能巡檢物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 無人值守智能巡檢管理模式

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守機房智能巡檢管理模式，對應(yīng)的綜合架構(gòu)如圖2所示。該架構(gòu)將智能巡檢管理系統(tǒng)分為調(diào)度模塊、通信模塊、感知模塊、控制模塊和應(yīng)用模塊。其中調(diào)度模塊是巡檢管理系統(tǒng)的最頂層，根據(jù)系統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口來接收調(diào)度中心的巡檢任務(wù)指令，并將接收到的任務(wù)依據(jù)通訊子模塊下發(fā)給控制模塊。而通信模塊基本功能是通過有線和無線專網(wǎng)通信協(xié)議為調(diào)度模塊和感知模塊提供信息傳輸?shù)耐ǖ?。感知模塊則是接收調(diào)度指令的巡檢任務(wù)信息并對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合和處理，同時為系統(tǒng)的控制模塊中提供信息來源?？刂颇K是智能巡檢管理系統(tǒng)的執(zhí)行層，其處在系統(tǒng)最底層，依據(jù)感知層的巡檢任務(wù)信息來生成巡檢任務(wù)指令，實現(xiàn)對智能巡檢系統(tǒng)中巡檢機器人的速度和位置控制。應(yīng)用模塊主要是對無人值守機房的故障分析、告警和診斷等，通過紅外、可見光等傳感器來采集無人值守機房設(shè)備的運行特征數(shù)據(jù)，并通過人工智能算法進(jìn)行自動在線分析，實現(xiàn)無人值守機房的異常檢測。

因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守機房智能巡檢管理模式的具體實現(xiàn)步驟主要有：

a.巡檢機器人收到巡檢任務(wù)指令后，通過智能巡檢身份識別進(jìn)入智能巡檢功能，通過無線通信單元將接收到的巡檢任務(wù)和巡檢策略下載至巡檢機器人的智能巡檢管理模塊。

b.巡檢機器人根據(jù)巡檢管理模塊中的巡檢任務(wù)和巡檢策略進(jìn)行巡檢，依據(jù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)識別機房設(shè)備信息并導(dǎo)航巡檢機器人達(dá)到指定位置。

c.通過巡檢機器人的智能傳感模塊、圖像識別模塊對無人值守機房設(shè)備的相關(guān)信息進(jìn)行采集，并將采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息通過信息存儲、處理模塊進(jìn)行存儲和預(yù)處理，同時通過新一代無線通信模塊將采集到的設(shè)備信息傳輸?shù)綉?yīng)用層。

d.應(yīng)用層通過接收采集層的數(shù)據(jù)信息，對無人值守機房設(shè)備的實時狀態(tài)進(jìn)行評估和故障診斷，并對當(dāng)前機房設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行存儲，為下一次設(shè)備巡檢優(yōu)化策略的制定提供理論依據(jù)。

圖2 無人值守機房智能巡檢綜合架構(gòu)

2.1 無人值守自動化運行

基于電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，無人值守機房采用無人值守自動化運行管理模式。對于自動化機房多區(qū)域多設(shè)備的管理，依據(jù)“集中管控，統(tǒng)一調(diào)度”思想，構(gòu)建機房無人值守的自動化管理模式。

2.1.1 自動化運行

通過電網(wǎng)內(nèi)機房自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)機房的無人值守自動化運行，控制程序能夠依據(jù)實際需求對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行自動的調(diào)節(jié)，不需要人為的干預(yù)和操作。采用冗余思想對自動化機房的核心設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，能夠在故障情況下進(jìn)行備用設(shè)備的投入?；谖锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)的自動化機房無人值守運行模式，自主驅(qū)動機房運行設(shè)備來實現(xiàn)所需要的控制目標(biāo)，并對控制策略進(jìn)行不斷持續(xù)的優(yōu)化，以獲得更優(yōu)的控制效果，能夠適應(yīng)不同工況下的高效運行。

2.1.2 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控

自動化機房調(diào)控中心通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對無人值守機房的運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，能夠遠(yuǎn)程顯示設(shè)備的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到機房設(shè)備存在異常時，可實時發(fā)布設(shè)備的預(yù)警、報警信息，并能夠在監(jiān)控大屏上進(jìn)行直觀的顯示。通過智能巡檢機器人的巡檢大數(shù)據(jù)信息，結(jié)合智能算法能夠?qū)崿F(xiàn)智能巡檢系統(tǒng)的監(jiān)測、預(yù)警和診斷的一體化。

2.2 智能巡檢機器人

在自動化機房無人值守自動化運行基礎(chǔ)上，機房智能巡檢技術(shù)能夠滿足自主巡檢技術(shù)。自主巡檢技術(shù)不需要人工輔助操作，在整個機房設(shè)備的巡檢過程中都是自主完成。智能巡檢機器人的自主巡檢目標(biāo)一般是機房的不同運行設(shè)備等，根據(jù)不同設(shè)備目標(biāo)來設(shè)定對應(yīng)的巡檢參數(shù)，并自動調(diào)整傳感器的方向和視場。當(dāng)巡檢機器人處于設(shè)備近區(qū)時，對設(shè)備的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測并指揮其控制系統(tǒng)機房設(shè)備進(jìn)行反復(fù)的拍攝。 因此為實現(xiàn)自主巡檢功能，巡檢機器人的功能模塊主要包括導(dǎo)航定位模塊、圖像識別模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電源管理模塊和地面監(jiān)控后臺模塊等。其基本功能模塊組成如圖3所示。

圖3 自主巡檢功能模塊

2.2.1 導(dǎo)航定位模塊

智能巡檢技術(shù)對巡檢機器人導(dǎo)航定位模塊的精確性要求極高，文中采用基于多源信息融合的高精度導(dǎo)航定位模塊。該模塊的多源數(shù)據(jù)采集單元主要包括行走輪編碼器、傾角傳感器和霍爾計數(shù)器，在對設(shè)備的巡檢過程中采集和處理定位功能所需的數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史知識專家?guī)熘械亩ㄎ粎⒖紨?shù)據(jù)來完成巡檢過程中的定位功能。其中，具體的導(dǎo)航定位方式采用的是超聲波、 RFID以及激光技術(shù)相結(jié)合的組合定位系統(tǒng)。

2.2.2 圖像識別模塊

在巡檢機器人安裝高清攝像機，并結(jié)合圖像識別技術(shù)，對機房設(shè)備的實時運行進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并對機房設(shè)備的外觀進(jìn)行對比分析與記錄，自動形成記錄報表，并發(fā)出機房設(shè)備是否發(fā)生異常的預(yù)警信號，同時拍攝對應(yīng)的視頻拍攝，并對拍攝的內(nèi)容進(jìn)行存檔。為實現(xiàn)高精度的視頻圖像識別率，巡檢過程中的攝像頭對機房設(shè)備反復(fù)的檢測和拍攝。另外，結(jié)合智能目標(biāo)搜索優(yōu)化算法以及目標(biāo)伺服跟蹤技術(shù)，實現(xiàn)對機房不同設(shè)備的目標(biāo)搜索和識別，將視頻拍攝中心對準(zhǔn)拍攝目標(biāo)，并放大焦距以獲取更高識別率的圖像。

2.2.3 信息存儲與處理模塊

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成了巡檢過程中多源數(shù)據(jù)采集工作后，采用云計算服務(wù)中心的信息存儲與處理模塊，能夠?qū)⑺杉降脑O(shè)備實時運行數(shù)據(jù)、專業(yè)巡檢記錄，以及設(shè)備檢驗記錄等數(shù)據(jù)信息寫入數(shù)據(jù)倉庫中，并進(jìn)行綜合分析和管理[9]。信息存儲與處理模塊有效地增強了無人值守機房智能巡檢系統(tǒng)的運行和管理效能。除此之外，基于云服務(wù)平臺的信息存儲與處理模塊提高了多源設(shè)備數(shù)據(jù)的綜合利用效率和信息共享水平，有利于智能巡檢管理系統(tǒng)深度分析及處理該類數(shù)據(jù)。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

智能巡檢技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要是完成巡檢機器人內(nèi)部功能模塊以及與調(diào)度控制中心之間的信息交互，網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)主要包括上行通信數(shù)據(jù)和下行通信數(shù)據(jù)。其中，上行通信數(shù)據(jù)主要是自動化機房調(diào)度中心對巡檢機器人下發(fā)的巡檢指令，而下行通信數(shù)據(jù)則是巡檢過程中所采集到的傳感器監(jiān)測信息、圖像視頻信息以及機房設(shè)備巡檢狀態(tài)信息等。采用第五代無線通訊專網(wǎng)技術(shù)作為智能巡檢的信息交互載體[10]，該通信技術(shù)具有更快的傳輸速率和更短的傳輸時延，有效提升基于物聯(lián)網(wǎng)的智能巡檢效能。

2.2.5 電源管理模塊

電源模塊主要是為巡檢機器人導(dǎo)航定位模塊、圖像識別模塊、信息存儲與處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊等進(jìn)行供電，是保證巡檢任務(wù)正常運行的前提。電源管理模塊基本組成包括電源監(jiān)測、電壓轉(zhuǎn)換、電源管控、電源保護(hù)和故障預(yù)警等。文中智能巡檢機器人電源模塊采用新一代鋰電池，可通過鋰電池的充電、放電曲線特性和當(dāng)前電量來評估電源的剩余電量，并可依據(jù)電源模塊當(dāng)前剩余電量來對可巡檢時長進(jìn)行評估和計算。

2.2.6 后臺管理模塊

為了遠(yuǎn)程監(jiān)測無人值守機房巡檢機器人所采集的機房設(shè)備信息，設(shè)計了智能巡檢機器人監(jiān)控后臺管理模塊。采用物聯(lián)網(wǎng)體系有效開展無人值守機房智能巡檢的多維度采集與流程化傳遞，實現(xiàn)了巡檢的輔助分析和優(yōu)化管理。后臺管理模塊主要是對巡檢機器人的管控指令、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及巡檢信息分析、處理等。后臺管理模塊主要由調(diào)度中心管控，其主要功能包括巡檢任務(wù)制定、巡檢任務(wù)下發(fā)、多信道無線通信、實時在線遠(yuǎn)程監(jiān)控、巡檢過程可視化、故障預(yù)警和故障診斷等。

2.3 智能巡檢優(yōu)化策略

無人值守機房設(shè)備發(fā)生缺陷和故障具有一定的不確定性，科學(xué)規(guī)劃智能巡檢任務(wù)是提升智能巡檢管理效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對影響無人值守機房設(shè)備運行狀態(tài)的關(guān)鍵因素收集，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效預(yù)處理，構(gòu)建機房設(shè)備的風(fēng)險模型。以無人值守機房設(shè)備的風(fēng)險概率為目標(biāo)函數(shù)，采用改進(jìn)的蟻群智能優(yōu)化算法來建立智能巡檢的規(guī)劃模型[11]。結(jié)合自主巡檢技術(shù)，提出可靠有效的巡檢方案庫，使得巡檢任務(wù)下達(dá)后能夠自動匹配，從而提高巡檢效率。

除此之外，結(jié)合智能巡檢機器人的多源異構(gòu)狀態(tài)信息量，對機房設(shè)備運行狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型和來源進(jìn)行分析，在多源數(shù)據(jù)融合處理的基礎(chǔ)上，建立科學(xué)合理的無人值守機房設(shè)備的運行狀態(tài)評估指標(biāo)體系和評估方法。通過劃分機房設(shè)備狀態(tài)和提取指標(biāo)參數(shù)，采用數(shù)據(jù)流處理方法對不同屬性的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行量化分析，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法建立無人值守機房設(shè)備的狀態(tài)評估和故障診斷模型[12]，實現(xiàn)機房設(shè)備運行狀態(tài)的評估和綜合診斷，提高智能巡檢決策能力。智能巡檢優(yōu)化策略如圖4所示。

圖4 智能巡檢優(yōu)化策略

3 實際應(yīng)用

為驗證智能巡檢管理模式在無人值守機房巡檢應(yīng)用中的有效性，在國內(nèi)某無人值守機房進(jìn)行了智能巡檢功能應(yīng)用。分別對多工況下的智能巡檢功能進(jìn)行了測試，對應(yīng)的多工況現(xiàn)場應(yīng)用測試方案分別如下：

a.自主巡檢。調(diào)控中心根據(jù)機房設(shè)備的巡檢目標(biāo)、時間和周期制定特定的巡檢任務(wù)，智能巡檢管理模式能夠響應(yīng)巡檢任務(wù)的指令進(jìn)行自動巡檢。

b.固定巡檢。調(diào)控中心選擇自動化機房固定的設(shè)備作為巡檢目標(biāo)來制定巡檢任務(wù)，智能巡檢管理模式能夠根據(jù)設(shè)定的固定巡檢目標(biāo)來執(zhí)行該巡檢任務(wù)。

c.遙控巡檢。調(diào)控中心根據(jù)后臺管理模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程手動控制巡檢機器人完成來完成指定的設(shè)備巡檢任務(wù)。

上述現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守機房智能巡檢管理模式能夠根據(jù)無人值守機房巡檢作業(yè)方案來完成自主巡檢、固定巡檢以及遙控巡檢等功能，有效提高了無人值守機房設(shè)備的運維效率及效益。

4 結(jié)束語

針對我國自動化機房值守及設(shè)備巡檢的實用化需求，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守機房智能巡檢管理模式，給出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能巡檢管理模式中的應(yīng)用需求和聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)。從無人值守自動化運行方案、智能巡檢機器人以及智能巡檢優(yōu)化策略等關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)闡述了智能巡檢管理模式的總體實現(xiàn)方法，并重點分析了導(dǎo)航定位模塊、圖像識別模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電源管理模塊和地面監(jiān)控后臺模塊等巡檢機器人的功能模塊。該智能巡檢管理模式能夠根據(jù)無人值守機房巡檢作業(yè)方案來完成自主巡檢、固定巡檢和遙控巡檢等巡檢任務(wù)需求。通過在實際自動化機房設(shè)備巡檢應(yīng)用，較好地完成了多工況巡檢方式的執(zhí)行，所提的智能巡檢管理模式在自動化機房運維中的應(yīng)用具有重大推廣意義。