一種牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李育冰

0 引言

鐵路發(fā)展已成為帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要渠道。近年來，鐵路發(fā)展迅速，牽引變電所作為鐵路供電系統(tǒng)的核心，為了確保其供電的可靠性和穩(wěn)定性，日常檢測(cè)、運(yùn)維顯得尤為重要。變電所巡檢是保障供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作。傳統(tǒng)變電所巡檢通常采用人工巡視、手工記錄的作業(yè)模式，存在諸多難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在受限制條件多、巡檢點(diǎn)位分散、手段單一、人為因素影響、巡檢效率低等。

隨著科技的不斷進(jìn)步、體制的不斷改革以及無人值守的普及，牽引變電所自動(dòng)化程度也在不斷提高，牽引變電所巡檢工作逐漸趨于無人化或少人化。2018年年底，原中國鐵路總公司《關(guān)于發(fā)布〈牽引供變電所實(shí)施無人值班值守工作的指導(dǎo)意見〉的通知》（工電函[2018]101號(hào)）明確了《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》，強(qiáng)調(diào)了牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)牽引供變電所無人值班值守的必要硬件設(shè)施。

為了實(shí)現(xiàn)鐵總關(guān)于“推進(jìn)‘機(jī)器人’+無人值守/值班牽引變電所建設(shè)，推廣應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)診斷、智能巡檢系統(tǒng)，打造安全、高效、大數(shù)據(jù)化的少人值守運(yùn)維管理系統(tǒng)”的落地應(yīng)用，綜合利用視頻識(shí)別、多傳感器綜合探測(cè)、綜合導(dǎo)航和精確對(duì)準(zhǔn)、故障精確診斷等多項(xiàng)技術(shù)，開發(fā)了一種牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過智能巡檢機(jī)器人監(jiān)測(cè)牽引變電所內(nèi)各種一次供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變電所無人值守和設(shè)備運(yùn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)基本組成包括：巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，機(jī)器人充電子系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，平臺(tái)管理子系統(tǒng)。

1.2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)包含了底盤模塊、供電模塊、云臺(tái)模塊、氣體檢測(cè)傳感器模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、語音對(duì)講模塊，如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)底盤模塊具備高運(yùn)動(dòng)能力，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的底盤，支持原地轉(zhuǎn)彎，能適應(yīng)多種路況；激光雷達(dá)導(dǎo)航可實(shí)現(xiàn)全所覆蓋，巡檢作業(yè)可跨室內(nèi)外區(qū)域，在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)無死角；底盤驅(qū)動(dòng)模塊具有自身短路、斷路、過流、過壓、欠壓、過溫檢測(cè)功能和實(shí)時(shí)通信監(jiān)測(cè)功能，發(fā)生異常時(shí)可上傳報(bào)警信息并自動(dòng)停車。

供電模塊采用充電電池，電池裝置有信號(hào)觸頭和正負(fù)極觸頭，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主充電。

云臺(tái)模塊搭載了高清攝像機(jī)以及紅外熱成像儀，采用全向型云臺(tái)，支持水平方向360°和垂直方向90°旋轉(zhuǎn)，可以控制高清攝像頭與紅外熱像儀在巡檢過程中的拍攝角度。云臺(tái)配有補(bǔ)光燈和雨刷，以支持夜間和雨天的巡檢。

氣體檢測(cè)傳感器模塊采用紅外吸收檢測(cè)原理的氣體傳感器模組，用于測(cè)量所內(nèi)的SF6氣體，還可檢測(cè)氧氣、一氧化碳、甲烷、硫化氫等氣體。

溫濕度檢測(cè)模塊包括溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)牽引變電所室內(nèi)和管廊內(nèi)部溫濕度，并具有預(yù)防傳感器結(jié)露功能。

語音對(duì)講模塊包括拾音器和對(duì)講機(jī)，用于內(nèi)部人員與后臺(tái)人員通話指導(dǎo)。

1.2.2 機(jī)器人充電子系統(tǒng)

帶電檢測(cè)機(jī)器人在變電所長期值守、完全自治，必須能快速高效、安全可靠地自主充電，因此需要設(shè)計(jì)有效實(shí)用的自主充電樁。系統(tǒng)采用電極對(duì)接的有線充電方式進(jìn)行充電，通過在充電樁附近鋪設(shè)磁軌，或利用紅外對(duì)射模塊引導(dǎo)機(jī)器人自行導(dǎo)航至充電樁處。充電時(shí)機(jī)器人位置和充電臂位置均可調(diào)整，以便充電插頭與充電座自動(dòng)對(duì)接。另外，在充電樁上還設(shè)計(jì)有誤差容忍和自主糾錯(cuò)機(jī)構(gòu)，可以滿足機(jī)器人在小范圍偏差內(nèi)仍能與充電裝置對(duì)接成功。

1.2.3 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)完成監(jiān)控目標(biāo)的視頻信息采集和傳輸，包括室外高速球型攝像機(jī)以及硬盤錄像機(jī)，通過對(duì)室外高速球機(jī)的預(yù)置位設(shè)置，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控巡視功能，并在牽引變電所場坪一次設(shè)備動(dòng)作時(shí)自動(dòng)控制攝像機(jī)和云臺(tái)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)、變焦，完成監(jiān)控的快速聚焦定位，拾取現(xiàn)場視頻及圖片。系統(tǒng)具有對(duì)圖像的切換、自由存放、硬盤錄像、回放及逐幀搜索畫面功能。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)還具有報(bào)警聯(lián)動(dòng)視頻功能，各個(gè)子系統(tǒng)的告警和狀態(tài)變化都可以作為視頻聯(lián)動(dòng)的條件，并能進(jìn)行邏輯組合，一個(gè)觸發(fā)條件可并發(fā)2臺(tái)以上攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)。

1.2.4 通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由站端無線網(wǎng)絡(luò)及有線網(wǎng)絡(luò)組成，主要實(shí)現(xiàn)信息交互、通道切換、系統(tǒng)對(duì)時(shí)等功能。無線網(wǎng)絡(luò)主要由部署于牽引變電所房屋頂部的無線AP實(shí)現(xiàn)場坪全覆蓋，完成巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)與平臺(tái)管理子系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)通信。站端有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)與平臺(tái)管理子系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)通信。信息交互內(nèi)容包括機(jī)器人狀態(tài)信息、檢測(cè)設(shè)備信息、環(huán)境信息、監(jiān)控后臺(tái)控制指令信息及各類預(yù)警告警信息。通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)在通信中斷等異常情況下將發(fā)出告警信息，并能保證圖像、語音等各類數(shù)據(jù)不丟失，在通信恢復(fù)后可自動(dòng)續(xù)傳。

1.2.5 平臺(tái)管理子系統(tǒng)

平臺(tái)管理子系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與固定監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息深度融合，包括站端子站平臺(tái)以及上級(jí)主站平臺(tái)。平臺(tái)管理子系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)管理子系統(tǒng)架構(gòu)

站端子站平臺(tái)主要完成對(duì)巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的管控與分析工作，包括巡檢任務(wù)的派發(fā)、遠(yuǎn)程遙控作業(yè)以及圖像智能分析等，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在場坪一次設(shè)備動(dòng)作時(shí)向視頻監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)出巡視指令，完成快速定位聚焦，拾取現(xiàn)場視頻及圖片。上級(jí)主站平臺(tái)主要完成對(duì)站端一個(gè)或多個(gè)站端子站平臺(tái)的集中管控與大數(shù)據(jù)分析。一套主站平臺(tái)可完成對(duì)多個(gè)站端子站平臺(tái)的監(jiān)視管理工作，解決了上級(jí)平臺(tái)無法集中管控現(xiàn)場巡檢情況的難題。平臺(tái)借助標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)，可與既有系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)與視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的高效協(xié)同聯(lián)動(dòng)，彼此監(jiān)管、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 智能巡檢管理平臺(tái)

智能巡檢管理平臺(tái)軟件基于NET架構(gòu)，采用Microsoft Visual Studio的C#語言開發(fā)，可以在Windows的各個(gè)版本操作系統(tǒng)跨平臺(tái)運(yùn)行。結(jié)合先進(jìn)的人工智能技術(shù)、現(xiàn)場實(shí)時(shí)精準(zhǔn)采集的數(shù)據(jù)以及豐富的設(shè)備檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)大的后臺(tái)軟件能對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷，并能通過趨勢(shì)分析提前發(fā)現(xiàn)事故先兆，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。軟件功能模塊包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、任務(wù)管理、遠(yuǎn)程遙控、歷史查詢、報(bào)警管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等模塊。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊用于查看機(jī)器人運(yùn)行過程中的任務(wù)信息、圖像信息、現(xiàn)場環(huán)境信息和機(jī)器人本體狀態(tài)、電池狀態(tài)和車體行進(jìn)信息等。

（2）任務(wù)管理模塊分為例行巡檢規(guī)劃、特巡任務(wù)規(guī)劃和遙控巡檢3種模式，不同任務(wù)模式間可隨時(shí)切換。例行巡檢規(guī)劃可提前生成若干巡檢任務(wù)，執(zhí)行每天定期巡檢；特巡任務(wù)規(guī)劃可在特殊情況下實(shí)時(shí)生成臨時(shí)巡檢任務(wù)；遙控巡檢通過局端遠(yuǎn)程控制機(jī)器人巡檢，獲取變電所內(nèi)設(shè)備實(shí)時(shí)信息。

（3）遠(yuǎn)程遙控模塊可通過手柄實(shí)時(shí)遙控調(diào)整云臺(tái)方位和俯仰角，控制行進(jìn)方向和車體速度，并遙控高清攝像機(jī)和紅外檢測(cè)儀聚焦檢測(cè)目標(biāo)，完成規(guī)定任務(wù)。

（4）報(bào)警管理模塊實(shí)時(shí)獲取并顯示報(bào)警信息，生成報(bào)警報(bào)告，報(bào)警統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)警預(yù)告等。

（5）歷史查詢和數(shù)據(jù)分析模塊用于對(duì)機(jī)器人巡檢獲得的音視頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、表計(jì)讀數(shù)等信息的集中存儲(chǔ)、分析診斷和分類查詢。

2.2 智能巡檢機(jī)器人

智能巡檢機(jī)器人是智能巡檢系統(tǒng)的核心，由巡檢機(jī)器人本體、本地監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)程集控后臺(tái)、機(jī)器人充電室、導(dǎo)航設(shè)施及其他輔助設(shè)施組成。自主移動(dòng)平臺(tái)上搭載可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀和聲音采集器等檢測(cè)設(shè)備。智能巡檢機(jī)器人如圖3所示。

圖3 智能巡檢機(jī)器人

智能巡檢機(jī)器人在導(dǎo)航技術(shù)和運(yùn)動(dòng)四驅(qū)底盤基礎(chǔ)上集成了圖像識(shí)別、自動(dòng)控制等多種技術(shù)，可以自主或遙控的方式在不斷電的情況下完成對(duì)室內(nèi)（外）高壓設(shè)備進(jìn)行紅外溫度監(jiān)測(cè)和儀表油位的圖像識(shí)別等任務(wù)，具有遙控巡檢、視頻監(jiān)控、噪聲監(jiān)測(cè)、氣體泄漏檢測(cè)、紅外測(cè)溫、故障報(bào)警等功能。智能巡檢機(jī)器人基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 智能巡檢機(jī)器人性能參數(shù)

2.3 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)主要設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)NVR及高清攝像機(jī)。高清攝像機(jī)主要布置在需要進(jìn)行視頻監(jiān)控的場所，如二次設(shè)備室、高壓室、室外變壓器側(cè)、饋線側(cè)等。攝像機(jī)一般選用高清高速球機(jī)（性能指標(biāo)見表2）。攝像機(jī)通過同軸電纜連接至智能巡檢系統(tǒng)機(jī)柜的NVR，NVR通過局域網(wǎng)與智能巡檢系統(tǒng)后臺(tái)管理機(jī)相連，進(jìn)行視頻監(jiān)控和聯(lián)動(dòng)操作等。智能巡檢管理平臺(tái)從NVR中讀取攝像機(jī)列表，進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示、錄像管理、攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置。當(dāng)有告警或主要監(jiān)控設(shè)備發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)，觸發(fā)攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)，軟件系統(tǒng)發(fā)送調(diào)用預(yù)置位的命令給NVR，采集現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻和圖片。

表2 高速球機(jī)性能參數(shù)

2.4 通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)分為3層，分別為監(jiān)控層、通信層和終端層。監(jiān)控層是智能巡檢系統(tǒng)管理平臺(tái)中的三維實(shí)景監(jiān)控平臺(tái)；通信層由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)建立監(jiān)控層與智能終端層的網(wǎng)絡(luò)通道；終端層包括輪式智能巡檢機(jī)器人、紅外熱成像儀和固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。終端層機(jī)器人的巡檢信息數(shù)據(jù)通過通信層上傳至工作站的三維實(shí)景監(jiān)控平臺(tái)。最終實(shí)現(xiàn)的通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

2.5 機(jī)器人充電子系統(tǒng)

機(jī)器人充電房由充電柜、充電座、無線通信設(shè)備和自動(dòng)卷簾門組成，采用220 V交流供電。機(jī)器人工作狀態(tài)包括巡檢、充電、空閑3種。收到巡檢命令后，機(jī)器人首先檢查電池電量是否充足，充足即進(jìn)入巡檢狀態(tài)，按任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行設(shè)備巡檢，否則拒絕執(zhí)行并報(bào)警。巡檢完成后，機(jī)器人返回充電房。機(jī)器人在巡檢中實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電量，若電量不足則立即返回充電房充電，充電過程完全自動(dòng)化。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了以下核心功能：

（1）數(shù)據(jù)全面采集。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)包括紅外測(cè)溫、儀表讀數(shù)、刀閘變位、開關(guān)及指示燈狀態(tài)、噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、微氣象數(shù)據(jù)及高清視頻的全面采集，還能接入現(xiàn)場第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)語音對(duì)講，實(shí)時(shí)下達(dá)巡檢指令。

（3）智能識(shí)別。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)表計(jì)、開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備溫度、SCADA遠(yuǎn)動(dòng)信息、火災(zāi)的智能識(shí)別。

（4）高清顯示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微氣象、現(xiàn)場視頻、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、分析結(jié)果、操作日志等信息的高清顯示。

（5）預(yù)警研判。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，作出趨勢(shì)研判和預(yù)警提示等功能。

（6）遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控行進(jìn)、遠(yuǎn)控SCADA確認(rèn)、自動(dòng)聯(lián)動(dòng)卷簾門、遠(yuǎn)程雙向語音對(duì)講功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

該智能巡檢系統(tǒng)在京張高鐵小白楊220 kV牽引變電所投入使用，智能機(jī)器人可按預(yù)設(shè)程序?qū)υ撟冸娝?70臺(tái)設(shè)備和現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)巡檢巡查，也可遠(yuǎn)程控制智能機(jī)器人和視頻監(jiān)控設(shè)備完成設(shè)備綜合巡檢，一次巡檢用時(shí)2 h。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，巡檢覆蓋率達(dá)到100%，識(shí)別精度均達(dá)到98%以上。

通過智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化巡檢，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異?，F(xiàn)象，規(guī)避設(shè)備運(yùn)行隱患，提高工作效率和巡視質(zhì)量，使巡檢更加及時(shí)高效。另外，當(dāng)維護(hù)人員現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)和設(shè)備維修時(shí)，可觸發(fā)機(jī)器人的作業(yè)保障功能，保障工作人員的作業(yè)環(huán)境安全，同時(shí)實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程監(jiān)督。

當(dāng)智能巡檢系統(tǒng)接收到站端設(shè)備故障信號(hào)時(shí)，可觸發(fā)機(jī)器人進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)環(huán)繞巡視，幫助遠(yuǎn)程專家快速鎖定問題根源，在最短時(shí)間內(nèi)完成應(yīng)對(duì)策略。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，技術(shù)專家可在段/局級(jí)遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場操作人員進(jìn)行音視頻指導(dǎo)，確保關(guān)鍵操作正確無誤。巡檢機(jī)器人能夠代替人工完成變電所檢測(cè)中的急、難、險(xiǎn)、重和重復(fù)性工作，減輕工作人員的工作負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)語

牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)以智能巡檢機(jī)器人為核心，具有遙控巡檢、視頻監(jiān)控、噪聲監(jiān)測(cè)、氣體泄漏檢測(cè)、紅外測(cè)溫、故障報(bào)警等功能。該系統(tǒng)用于牽引變電所設(shè)備和環(huán)境的巡檢巡查及實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，成功解決了傳統(tǒng)巡檢方式受限制條件多、巡檢點(diǎn)位分散、手段單一、人為因素影響、巡檢效率低等問題，提高了牽引變電所設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，為高鐵運(yùn)行安全提供了保障，具有良好的推廣應(yīng)用前景。