變電站巡檢機器人路徑規(guī)劃策略

張永濤，徐 瀟，于倩倩

（國網(wǎng)河南省電力公司周口供電公司, 河南 周口466000）

變電站巡檢機器人作為信息獲取和運維的重要手段，逐漸走向變電站巡檢行業(yè)的多種應(yīng)用場合，實現(xiàn)更加復雜、多樣的巡檢任務(wù)。根據(jù)變電站巡檢機器人運行工況的不同，有針對性地規(guī)劃巡檢路線，將有效提高巡檢機器人的工作效率，有助于運維人員快速掌握設(shè)備的運行情況。

1 巡檢路線規(guī)劃

1.1 協(xié)助應(yīng)急處理

機器人巡檢模式下，當無人值守變電站設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變時，或獲得系統(tǒng)告警信息后，運維人員可以在后臺調(diào)用巡檢機器人，快速到達指定設(shè)備間隔，及時查看設(shè)備狀態(tài)并核實告警信息；當無人值守變電站發(fā)生事故時，運維人員可在后臺指揮機器人深入事故現(xiàn)場，快速定位故障區(qū)域，實時讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)[2]。

巡檢路線規(guī)劃時，以環(huán)境電子地圖的中心點為坐標原點，建立主直角坐標系，借助巡檢機器人在地圖上的起點和終點，確定輔助坐標系的原點，建立輔助直角坐標系，最后，根據(jù)巡檢機器人起點和終點的位置分布，判斷它們在兩個坐標系中的象限位置，獲取交集作為搜索區(qū)域[3]。

在限定的搜索區(qū)域內(nèi)，采用Dijkstra算法尋找起點到終點的最短路線。設(shè)起點為u0，終點為v0，已求出最短路徑節(jié)點的集合用S表示，其余未確定最短路徑節(jié)點的集合用T表示。Dijkstra算法的基本思想是：按照距離u0由近及遠的順序，依次求得u0到圖中的各節(jié)點的最短路線和距離，直至終點v0，算法結(jié)束[4]。算法步驟如下：

初始條件下，集合S中只包含起點u0，集合T中包含除起點外的其他節(jié)點，且T中節(jié)點距離的定義為起點u0到該節(jié)點的長度；

從集合T中選出距離最短的節(jié)點k，并將節(jié)點k加入到集合S中，從集合T中移除節(jié)點k；

利用節(jié)點k來更新T中各個節(jié)點到起點u0的距離。節(jié)點k作為中間節(jié)點，若T中各節(jié)點距離縮短，則采用新的距離值，否則各節(jié)點保持原來的距離；

重復步驟（2）、步驟（3），直到終點v0。

協(xié)助應(yīng)急處理時，變電站巡檢機器人路線優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 基于Dijkstra算法的巡檢路線優(yōu)化流程圖

1.2 缺陷定點跟蹤

對于受環(huán)境、電網(wǎng)負荷等影響，工作狀態(tài)變化較大的動態(tài)缺陷，可以充分利用機器人屬地化以及巡檢頻率高的優(yōu)勢，對缺陷進行跟蹤記錄[2]。

當變電站內(nèi)存在缺陷的設(shè)備數(shù)量較多時，機器人巡檢路線規(guī)劃屬于圖論中的旅行商問題，研究人員通常采用遺傳算法、模擬退火算法等對上述問題進行求解[3,5]。

畫出變電站巡檢機器人巡檢道路拓撲圖，采用圖論中Dijkstra算法，求解任意兩節(jié)點之間的最短距離矩陣；

對缺陷設(shè)備進行編號，并求解任意兩個缺陷設(shè)備之間的最短距離，構(gòu)造最短距離矩陣。假設(shè)巡檢道路上存在缺陷設(shè)備A和B，其位置如圖2所示，缺陷A 鄰近的節(jié)點為A1 和A2，缺陷B 鄰近的節(jié)點為B1 和B2，不同缺陷設(shè)備的鄰近節(jié)點兩兩組合，共有4 種方案，綜合考慮各缺陷設(shè)備到鄰近節(jié)點之間的距離，最終得到兩個缺陷設(shè)備之間的最短距離。

圖2 兩個缺陷設(shè)備之間最短距離計算示意圖

采用智能算法對缺陷設(shè)備的巡檢順序進行優(yōu)化排序，得到近似最優(yōu)巡檢路線。

變電站巡檢機器人缺陷定點跟蹤路徑規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 缺陷定點跟蹤路徑規(guī)劃流程

1.2 全站全巡

變電站巡檢機器人攜帶可見光相機、紅外熱成像儀對變電站開展例行巡視和全站紅外測溫。國家電網(wǎng)有限公司對變電站巡檢周期的要求如下：一類變電站每2天至少巡檢1次，二類變電站每3天至少巡檢1次，三類變電站每周不少于1次[2]。

為了提高巡檢機器人的作業(yè)效率，運維人員需要對機器人的巡檢路線進行規(guī)劃。畫出變電站巡檢機器人巡檢道路拓撲圖，對斷頭路進行簡化處理。連通圖中各節(jié)點關(guān)聯(lián)邊的個數(shù)稱為該節(jié)點的度，度為奇數(shù)的節(jié)點稱為奇點，度為偶數(shù)的節(jié)點稱為偶點。當奇點的個數(shù)為0 個時，機器人巡檢路線可以“一筆畫”，否則，需要對奇點進行配對，構(gòu)造歐拉圖。采用枚舉法或奇偶點圖上作業(yè)法對奇點進行配對優(yōu)化，降低機器人重復行走距離[6,7]。

巡檢道路拓撲圖中各節(jié)點均為偶點時，采用Fleury 算法對變電站巡檢機器人全站全巡路線進行規(guī)劃設(shè)計。Fleury 算法的基本思路是：依次描畫一條邊，在描畫過程的每一步，除非別無選擇，否則不走回頭路，不過獨木橋。算法步驟如下[4]：

（1）設(shè)G為無向歐拉圖，v代表點，e代表線，任取G中一頂點v0，令P0=v0；

（2）假設(shè)沿Pi=v0e1v1e2v2...eivi走到頂點vi，按下述方法從E(G)-{e1,e2,...,ei}中選ei+1：

（a）ei+1與vi相關(guān)聯(lián)；

（b）除非無別的邊可供選擇，否則ei+1不應(yīng)該是Gi=G-{e1,e2,...,ei}中的橋。

（3）當步驟（2）不能再進行時，算法停止。

2 機器人避障

在機器人巡檢過程中，需要對外界不確定性環(huán)境進行感知，其中包括躲避站內(nèi)人員、設(shè)備及其他障礙物。

機器人避障行為可分為停障和繞障兩種方式[1]。停障是指當機器人探測到行進路線上一定距離內(nèi)有障礙物阻擋時，機器人發(fā)出并執(zhí)行減速制動指令，待障礙物清除后繼續(xù)行進；繞障是指巡檢機器人嘗試直接繞過障礙物而繼續(xù)行進的避障方式。

障礙物通常可分為靜止障礙和移動障礙兩種。躲避靜止障礙可通過人工場勢法來實現(xiàn)[8]，在勢場中障礙物對機器人產(chǎn)生斥力，距離越近，斥力越大；目標點對機器人產(chǎn)生引力，引力與斥力相反，距離越近，引力越小，當機器人到達目標點時引力為零。通過設(shè)置最小安全距離來計算斥力、引力和合力，從而實現(xiàn)機器人的自主避障。

在移動情況下，常見的障礙物與機器人存在相遇和穿越行為。相遇行為是面對面的運動，即障礙物與機器人前進方向相反；穿越行為是垂直運動，即機器人前進的方向有障礙從面前穿越。躲避移動障礙可采用基于模糊邏輯理論的避障方法[9]，該避障方法是用Mandani 推理法得到一個精確的速度變化量，當障礙物與機器人之間存在一定距離時，機器人按照一定速率逐步減速到最低速度，待障礙消失或者距離大于安全距離時，機器人再逐步加速到正常值，繼續(xù)完成巡檢任務(wù)。

3 無線充電技術(shù)

現(xiàn)有變電站巡檢機器人通常采用接觸式方式進行充電，該充電方式對充電接口質(zhì)量、機器人導航能力要求較高，需要建造單獨的充電室[10]。變電站巡檢機器人目前配置電池的充電時間為8 h，滿電狀態(tài)下只能連續(xù)工作6 h。在500 kV 變電站，巡檢機器人對全站設(shè)備完成1次巡檢需要3天，滿足不了實際要求[11]。電池容量不足、充電速度慢制約著變電站巡檢機器人巡檢作業(yè)效率的提升。

應(yīng)用于機器人領(lǐng)域的中功率無線充電技術(shù)為電磁感應(yīng)式，利用初級線圈和次級線圈在空氣中的耦合進行能量傳輸，充電功率為50～1000 W[1]。機器人無線充電裝置由發(fā)射端和接收端兩大部分組成，發(fā)射端位于充電基座內(nèi)，接收端安裝在機器人底部，充電基座埋設(shè)于機器人巡檢道路下，如圖4所示。

當系統(tǒng)檢測到巡檢機器人電量不足時，就近選擇無線充電基座，當機器人靠近充電基座時，開啟充電模式，充電完成后繼續(xù)開展巡檢作業(yè)。

4 結(jié)束語

本文主要研究了變電站巡檢機器人在協(xié)助應(yīng)急處理、缺陷定點跟蹤、全站全巡時的巡檢路線規(guī)劃方法，并對巡檢機器人避障策略進行了總結(jié)。巡檢機器人續(xù)航能力不足制約著機器人路線規(guī)劃以及作業(yè)效率的提升，無線充電技術(shù)的發(fā)展將對變電站巡檢機器人的應(yīng)用產(chǎn)生深遠影響。

圖4 巡檢機器人無線充電示意圖