智能巡檢系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應(yīng)用研究

王 勛，王 新，魏 舉 鋒

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

隨著智能化水平的不斷提高，化工、石油、電力、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)逐漸開始將智能巡檢技術(shù)運(yùn)用到巡檢中，各領(lǐng)域根據(jù)其需求不斷完善巡檢機(jī)器人功能，逐漸形成了符合行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的智能巡檢系統(tǒng)。

智能巡檢機(jī)器人集煙霧濃度及氣體傳感器、溫度傳感器、高清攝像頭等傳感器于一體，在化工廠能監(jiān)測(cè)有毒有害、易燃易爆氣體的濃度以及現(xiàn)場(chǎng)的溫度，具備自動(dòng)避障及報(bào)警功能[1]。油田巡檢系統(tǒng)已充分開發(fā)出機(jī)器人視覺識(shí)別功能，能對(duì)儀器儀表指示、信號(hào)燈指示進(jìn)行識(shí)別，完成氣體檢測(cè)及報(bào)警等功能[2]。此外，還在金屬礦山領(lǐng)域[3]以及GIS放電、SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)及輸電線、變電站、發(fā)電廠站等電力行業(yè)場(chǎng)所有所應(yīng)用[4-10]。

1 智能巡檢系統(tǒng)現(xiàn)狀

電力領(lǐng)域的智能巡檢主要起源于將機(jī)器人和無人機(jī)應(yīng)用于對(duì)變電站和輸電線路的巡檢。上世紀(jì)60年代，美國最先研制自主移動(dòng)機(jī)器人用于變電站巡檢，初步具備在復(fù)雜環(huán)境下識(shí)別對(duì)象、自主推理、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制等功能[11]。此后，機(jī)器人功能不斷完善，智能水平逐步提高。截至2008年，各國相繼研制的機(jī)器人已具備圖像識(shí)別、紅外成像、自動(dòng)避障、故障識(shí)別等功能，能完成線路、變電站等場(chǎng)所的自動(dòng)巡檢。當(dāng)前電力領(lǐng)域智能巡檢系統(tǒng)主要可分為移動(dòng)式和固定式兩種類型。

1.1 移動(dòng)式智能巡檢

移動(dòng)式智能巡檢主要是采用智能機(jī)器人和無人機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢。最早將機(jī)器人運(yùn)用到變電站巡檢的系統(tǒng)便是智能巡檢系統(tǒng)的初級(jí)形式，后來，各國主要將新型或更為完善的技術(shù)嵌入到機(jī)器人中。例如，2005年，A.Birk等率先將紅外成像圖譜設(shè)備安裝在變電站巡檢機(jī)器人上；2008年，美國電力研究院將優(yōu)化算法和機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)用到機(jī)器人中，使機(jī)器人能夠快速通過多種障礙物[12]。

智能機(jī)器人在變電站及線路巡檢中應(yīng)用最為廣泛。在高壓線路巡檢中采用可行走機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跨越輸電桿塔，多個(gè)行走機(jī)器人配合可實(shí)現(xiàn)全線路巡檢。部分線路巡檢采用無人機(jī)搭載傳感設(shè)備，將識(shí)別數(shù)據(jù)信息回傳至處理中心，對(duì)缺陷點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

智能機(jī)器人按其行走路徑主要分為固定軌道機(jī)器人和自主移動(dòng)機(jī)器人。固定軌道機(jī)器人即按照導(dǎo)軌路徑進(jìn)行巡檢，固定軌道機(jī)器人又分為懸掛式和地面導(dǎo)軌式機(jī)器人。前者在懸空的導(dǎo)軌或者線路上移動(dòng)巡檢，如高壓線路巡檢機(jī)器人。

1.2 固定式智能巡檢

固定式智能巡檢系統(tǒng)是將高清攝像頭、紅外成像儀、煙霧傳感器等元器件裝設(shè)在待巡檢設(shè)備附近的固定位置，對(duì)一定范圍內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將各元器件或設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析判斷，最后將巡檢結(jié)果傳送至終端設(shè)備系統(tǒng)。該類巡檢系統(tǒng)是針對(duì)某一區(qū)域或固定設(shè)備，常用于布置較為復(fù)雜，設(shè)備種類及數(shù)量較為龐大，地面崎嶇的場(chǎng)所。

例如，水電站水車室和風(fēng)洞噪音大，設(shè)備較多且復(fù)雜。若采用可移動(dòng)式機(jī)器人在這些區(qū)域巡檢，對(duì)機(jī)器人路徑規(guī)劃以及路障識(shí)別要求高，無疑增加技術(shù)難度和研發(fā)成本。而根據(jù)水車室和風(fēng)洞的特點(diǎn)在多個(gè)點(diǎn)布置高清攝像頭、紅外成像儀等固定設(shè)備及元件，通過傳感器對(duì)各點(diǎn)區(qū)域設(shè)備工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析判斷，能達(dá)到代替人工巡檢的目的。

2 智能巡檢系統(tǒng)市場(chǎng)

目前，在國內(nèi)智能巡檢機(jī)器人市場(chǎng)上，是山東魯能智能公司處于主導(dǎo)地位。我國巡檢系統(tǒng)設(shè)備的潛在市場(chǎng)龐大，僅變電站巡檢機(jī)器人領(lǐng)域市場(chǎng)的資金容量就近50億元，潛在市場(chǎng)規(guī)模接近120億元。國內(nèi)多數(shù)電廠開始打造“無人值守”電廠(即“智慧電廠”)，未來智能巡檢機(jī)器人的市場(chǎng)將更加龐大，同時(shí)，發(fā)電廠的智能巡檢系統(tǒng)將不局限于機(jī)器人巡檢，對(duì)固定式巡檢系統(tǒng)的需求也會(huì)持續(xù)增加。

圖1 懸掛式(左)和自主移動(dòng)式(右)巡檢機(jī)器人圖

3 智能巡檢系統(tǒng)的主要技術(shù)

智能巡檢系統(tǒng)是集多學(xué)科于一體的技術(shù)成果，除涉及傳統(tǒng)的較為完善的機(jī)械、電工電子、通信、自動(dòng)化等技術(shù)外，更融合圖像與視頻識(shí)別、紅外成像、定位導(dǎo)航、語音識(shí)別、人工智能等前沿技術(shù)。

3.1 圖像識(shí)別與視頻流識(shí)別

圖像識(shí)別和視頻流識(shí)別主要是在拍攝照片或錄制視頻后，對(duì)其進(jìn)行去噪處理，提取特征量后通過智能算法進(jìn)行對(duì)比識(shí)別，從而達(dá)到對(duì)圖像及視頻進(jìn)行識(shí)別判斷的作用。采用此技術(shù)，智能巡檢系統(tǒng)可以對(duì)表計(jì)讀數(shù)、指示等信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，還能夠識(shí)別油水系統(tǒng)的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，火災(zāi)及帶電設(shè)備放電等現(xiàn)象。視頻流識(shí)別其實(shí)質(zhì)屬于圖像識(shí)別，是一個(gè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)，主要對(duì)連續(xù)幀的視頻圖像做減法，減去相同的圖像元素和余下變化的差異部分，從而檢測(cè)出視頻圖像變化的異常信息。

3.2 紅外成像

在對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢過程中，大多采用紅外成像對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行檢測(cè)。紅外成像技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用十分廣泛的成熟技術(shù)，在智能巡檢設(shè)備上安裝紅外成像攝像頭或紅外成像元器件對(duì)巡檢區(qū)域進(jìn)行紅外成像，即可測(cè)量設(shè)備表面溫度。系統(tǒng)對(duì)紅外成像進(jìn)行圖像去噪處理，對(duì)圖像配準(zhǔn)疊加多幅圖像后，將去噪處理后的紅外圖像回傳至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。

紅外熱成像設(shè)備通常分為制冷焦平面熱像儀和非制冷焦平面熱像儀。因焦平面探測(cè)器材料以及工藝存在缺陷，通過對(duì)成像儀制冷以提高成像精度的方法稱為制冷焦平面熱成像技術(shù)[13]。隨著新材料的研發(fā)和制造工藝的提升，用于紅外成像焦平面陣列探測(cè)器不進(jìn)行冷卻即可滿足成像精度要求[14-15]。非制冷紅外熱像儀無需制冷、體積小、功耗低，是目前智能巡檢系統(tǒng)使用的主流產(chǎn)品。

3.3 定位技術(shù)

定軌巡檢機(jī)器人按照既定軌道巡檢時(shí)，巡檢設(shè)備通過識(shí)別導(dǎo)軌位置進(jìn)行定位?？勺灾饕苿?dòng)機(jī)器人，定位通過預(yù)先根據(jù)巡檢場(chǎng)所繪制的三維地圖進(jìn)行，在巡檢移動(dòng)時(shí)常采用激光無軌導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行路線巡檢。此外，巡檢設(shè)備使用的定位技術(shù)有視覺定位、激光反射、北斗/GPS等。研發(fā)人員根據(jù)巡檢機(jī)器人的具體應(yīng)用場(chǎng)所選擇相應(yīng)定位技術(shù)。例如，對(duì)于500kV變電站內(nèi)的重要設(shè)備，在巡檢過程中為獲取設(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)保障巡檢可靠性，機(jī)器人定位可采用成本較高且需要處理大量圖像數(shù)據(jù)的視覺定位技術(shù)。運(yùn)用于電廠等設(shè)備布置較為復(fù)雜見圖2，障礙較多場(chǎng)所的巡檢機(jī)器人定位，則采用激光反射定位技術(shù)。該定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其平行性及分辨性能優(yōu)越，便于巡檢機(jī)器人“越障”。

圖2 三維地圖模型

3.4 聲音識(shí)別

聲音識(shí)別屬于聲學(xué)“診斷”領(lǐng)域技術(shù)，應(yīng)用較為廣泛。遷移學(xué)習(xí)是聲音系統(tǒng)識(shí)別和應(yīng)用之前領(lǐng)域或任務(wù)中所學(xué)知識(shí)和技能的過程，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的多種噪聲混響中，挑出屬于設(shè)備運(yùn)行的聲音，并與建立的設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的“音庫”進(jìn)行比對(duì)，判斷出設(shè)備運(yùn)行是否正常。例如，水電站水車室，其噪聲混響嚴(yán)重且噪音較大，為了能將異常聲學(xué)信號(hào)檢測(cè)出來，硬件實(shí)現(xiàn)指向性拾音過程，并屏蔽無關(guān)區(qū)域的噪聲混響。故障導(dǎo)致的異常噪聲通常表現(xiàn)有如下特征：噪聲源的檢測(cè)位置是固定的，即異常噪聲源只在某個(gè)區(qū)域才能被監(jiān)聽到，在其他區(qū)域無法監(jiān)聽到此噪聲源。

但由于業(yè)內(nèi)仍無統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)和研究方法，加之缺乏海量有效的音頻特征庫，導(dǎo)致一方面廠家公布的測(cè)試結(jié)果識(shí)別率很高，實(shí)際使用中的確存在較大差異。

3.5 AI深度學(xué)習(xí)

AI深度學(xué)習(xí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能巡檢系統(tǒng)的核心所在，能否實(shí)現(xiàn)巡檢系統(tǒng)的“智能”在于系統(tǒng)是否具備自主學(xué)習(xí)能力，應(yīng)基本包含機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺。紅外成像分析、圖像及視頻流識(shí)別、語音識(shí)別、巡檢路徑自動(dòng)規(guī)劃、嗅覺識(shí)別等技術(shù)實(shí)質(zhì)上都采用了人工智能的深度學(xué)習(xí)技術(shù)。該技術(shù)通過長(zhǎng)期對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，建立電力行業(yè)專業(yè)化圖像、聲音識(shí)別等典型特征診斷模型，并不斷提高算法的準(zhǔn)確率，從而提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)是由多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)[16]。當(dāng)前，應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的算法種類較多。例如在圖像處理系統(tǒng)中應(yīng)用的常用算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、蟻群算法、模擬退火、粒子群算法等[17]。 ACO(蟻群優(yōu)化)、ABC(人工蜂群)則常用于路徑巡檢路線規(guī)劃[18]。各算法各具特點(diǎn)，在應(yīng)用中往往根據(jù)需要為研發(fā)人員使用。

3.6 通信技術(shù)

智能巡檢系統(tǒng)的通信系統(tǒng)一般采用常規(guī)無線或有線通信技術(shù)，但隨著5G通信技術(shù)的成熟，5G通信開始運(yùn)用于部分設(shè)備及系統(tǒng)。例如，深圳供電局已率先在智能巡檢機(jī)器人中采用5G移動(dòng)通信技術(shù)。

5G移動(dòng)通信與4G移動(dòng)通信相比，傳輸速度呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)提升，帶寬也顯著增強(qiáng)。此外，常運(yùn)用于智能巡檢系統(tǒng)的通信技術(shù)有LI-FI 技術(shù)、WIFI技術(shù)以及Mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。WIFI技術(shù)為使用較為廣泛的技術(shù)，設(shè)備裝置體積小，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，但設(shè)備應(yīng)用時(shí)消耗功率較大。Mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種新型的通信技術(shù)，傳輸效率高，帶寬容量大，廣泛應(yīng)用到電力智能巡檢設(shè)備的通信中。LI-FI 技術(shù)目前處于研究階段，其應(yīng)用尚需時(shí)間。

4 智能巡檢系統(tǒng)的功能定位

當(dāng)前人工智能巡檢系統(tǒng)主要為人工智能巡檢機(jī)器人，通過機(jī)器人搭載各種先進(jìn)的智能設(shè)備，使其具備數(shù)據(jù)采集、處理、識(shí)別等功能，機(jī)器人成為了該系統(tǒng)的核心部分。

同時(shí)，不同行業(yè)、不同場(chǎng)所的巡檢重要關(guān)注點(diǎn)不同，巡檢場(chǎng)所特點(diǎn)存在較大差異。智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和需求合理采用機(jī)器人與固定設(shè)備元件結(jié)合。例如變電站面積較小，設(shè)備種類少，布置較為簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人對(duì)設(shè)備的全覆蓋。但水電廠廠房布置較為復(fù)雜，巡檢涉及面廣，設(shè)備種類多，僅靠智能機(jī)器人無法滿足對(duì)全廠設(shè)備巡檢的全覆蓋。因此，智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)備布置和空間結(jié)構(gòu)布局與巡檢目標(biāo)需求相結(jié)合，滿足全天候、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能定位。

5 結(jié) 語

當(dāng)前智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，憑借其視覺識(shí)別及其學(xué)習(xí)功能，一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的“望、聞、問、切”的工效，有效解決了人工巡檢可靠性低、追溯性差、人身安全風(fēng)險(xiǎn)大、人力成本高等問題，提高了工作效率和生產(chǎn)力，也必將是未來安全生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展方向。但是，也存在諸多不足：(1)標(biāo)準(zhǔn)體系不足。當(dāng)前智能巡檢系統(tǒng)廠家林立，但由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其研發(fā)的系統(tǒng)智能化水平參差不齊，不便于推廣應(yīng)用。(2)智能化程度不高，巡檢識(shí)別率有待提高，海量巡檢數(shù)據(jù)需要后期人工處理，巡檢工作高度依賴專業(yè)人員，還無法完全代替人工巡檢，屬于“弱人工智能”。(3)部分功能有待提高，例如，對(duì)于氣味的捕捉和辨析還處于探索階段。(4)巡檢結(jié)果誤報(bào)率高。國內(nèi)智能巡檢系統(tǒng)還不能完全對(duì)某一行業(yè)巡檢實(shí)現(xiàn)全覆蓋。隨著人機(jī)交互形式更加多樣化，智模型庫的不斷豐富，智能算法不斷優(yōu)化，機(jī)器學(xué)習(xí)更加深入，未來智能巡檢系統(tǒng)的發(fā)展將朝著智能檢測(cè)和智能分析方向前進(jìn)。