電纜隧道智能巡檢機(jī)器人在電網(wǎng)智能化中的應(yīng)用研究

李乾 錢恒健 方永毅 邢昆 劉保安

摘要：隨著我國(guó)現(xiàn)代化城市的不斷建設(shè)，城市電纜隧道的建設(shè)也越來(lái)越多，電纜的巡檢工作也越來(lái)越繁重和復(fù)雜，對(duì)于人員的安全隱患也顯露出來(lái)。因此，開(kāi)發(fā)電纜巡檢機(jī)器人代替人工巡檢模式已經(jīng)成為電網(wǎng)智能化建設(shè)的需求。文章從機(jī)器人的研究難點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)介紹了其研究方案。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);智能化;電纜;巡檢;機(jī)器人;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM75;TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）01-0085-05

0引言

為了提高城市電纜管網(wǎng)的現(xiàn)代化管理水平、有效地減輕巡檢人員的工作強(qiáng)度、避免電纜事故的發(fā)生，電纜隧道智能巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用迫在眉睫。電纜隧道智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用可以大大加快電纜管理的現(xiàn)代化和智能化程度。把以前電纜的運(yùn)行維護(hù)人員解放出來(lái)，降低人員安全隱患及事故隱患，并能夠投入到精細(xì)化管理中去。

電纜隧道巡檢機(jī)器人研究方向可分為隧道頂部軌道巡檢機(jī)器人和地面輪式巡檢機(jī)器人兩種。由于電纜隧道巡檢路線存在高度落差、隧道壁變形和地面積水等情況，巡檢項(xiàng)目相比較變電站巡檢有所不同，變電站的表計(jì)比較多，而電纜隧道幾乎沒(méi)有表計(jì)，但是電纜隧道要求增加有害氣體、地面積水、隧道壁變形和電纜支架銹蝕度等巡檢項(xiàng)目。

基于以上因素，隧道巡檢機(jī)器人的研究趨勢(shì)主要針對(duì)頂部軌道巡檢型式，此型式可避開(kāi)地面積水和隧道落差對(duì)巡檢的阻礙，另外頂部軌道式機(jī)器人可在基本巡檢功能上附加初期火災(zāi)處理、工具包和急救包的傳遞功能，趨于智能人性化發(fā)展。巡檢機(jī)器人如圖1所示。

1研究的難點(diǎn)及內(nèi)容

1.1研究的難點(diǎn)

根據(jù)巡檢機(jī)器人所應(yīng)用的范圍有一定的局限性，因此，研究的難點(diǎn)有以下4個(gè)方面：

1）機(jī)器人在隧道內(nèi)的精確定位。

2）機(jī)器人軌道如何通過(guò)豎井在隧道頂部的下口。

3）機(jī)器人穿越防火墻。

4）隧道內(nèi)的信號(hào)接收。

1.2研究的內(nèi)容

根據(jù)上述難點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)巡檢機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容有：

1）研發(fā)一套電纜隧道智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。包括：自動(dòng)巡檢、電纜設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并發(fā)送報(bào)警信息、遠(yuǎn)方控制等功能。

2）研究機(jī)器人輔助現(xiàn)場(chǎng)工作人員作業(yè)技術(shù)。利用機(jī)器人的特性，配合、幫助現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行初步的巡視、消缺等工作。

3）研究機(jī)器人遠(yuǎn)程操控技術(shù)。在人員無(wú)法到達(dá)的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

4）研究機(jī)器人自動(dòng)處理現(xiàn)場(chǎng)事故技術(shù)。利用在線監(jiān)測(cè)手段獲取事故信息，在事故發(fā)生時(shí)先于工作人員第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，并為工作人員提供現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)數(shù)據(jù)，事故影像情況等，同時(shí)具備執(zhí)行應(yīng)急巡檢的能力。

5）研究機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)技術(shù)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，利用人員跟隨技術(shù)通過(guò)視頻和聲音傳輸，后臺(tái)實(shí)時(shí)觀察操作人員的工作狀況、指揮指導(dǎo)操作人員操作、后臺(tái)和操作人員實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)交流。

2巡檢機(jī)器人的研究方案

對(duì)于電纜隧道智能巡檢機(jī)器人應(yīng)先建立其工作的流程內(nèi)容，其工作流程圖如下圖2所示。

2.1巡檢機(jī)器人功能

若要完成圖1的工作流程，巡檢機(jī)器人需具備如下功能，如表1所示。

2.2系統(tǒng)功能分析

2.2.1定位系統(tǒng)

智能巡檢機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)伺服電機(jī)里程碼盤和激光測(cè)距儀結(jié)合的方式進(jìn)行定位，保證智能巡檢機(jī)器人控制器和遠(yuǎn)程中心管理平臺(tái)可以實(shí)時(shí)了解巡檢機(jī)器人的位置信息。輔助定位部分由硬件輔助定位和軟件輔助定位兩種方式。實(shí)現(xiàn)視頻機(jī)器人運(yùn)動(dòng)輔助定位（位置校正）、特定目標(biāo)定位、充電定位等定位功能。

2.2.2視頻巡檢

包括移動(dòng)高清視頻監(jiān)控、標(biāo)記識(shí)別、地質(zhì)沉降、設(shè)備的銹蝕檢測(cè)、照明燈識(shí)別及漏水與積水識(shí)別。

1）移動(dòng)高清視頻監(jiān)控：機(jī)器人身上將裝有1080P高清可見(jiàn)光照相機(jī)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)在隧道內(nèi)可移動(dòng)的視屏圖像監(jiān)控功能。兼顧化光學(xué)防抖技術(shù)，可以對(duì)5-15Hz范圍內(nèi)的細(xì)小振動(dòng)有效過(guò)濾。如果隧道中已經(jīng)沒(méi)有工作人員，那么照明燈會(huì)處在熄滅的裝下，這時(shí)機(jī)器人將采用自身搭載的高亮度紅外線進(jìn)行補(bǔ)光照明，以實(shí)現(xiàn)有效照明，如圖3所示。

2）標(biāo)記識(shí)別：高清視頻相機(jī)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)表計(jì)圖片，經(jīng)后臺(tái)智能分析軟件分析，可識(shí)別出表計(jì)讀數(shù)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、判定，形成表計(jì)歷史數(shù)據(jù)信息、設(shè)備缺陷預(yù)警信息及巡檢報(bào)表。

3）地質(zhì)沉降：巡檢機(jī)器人采用預(yù)置點(diǎn)標(biāo)定與視頻識(shí)別相結(jié)合的方法，對(duì)隧道的基建變形、地質(zhì)變化、結(jié)構(gòu)縫錯(cuò)位等進(jìn)行檢測(cè)，有效預(yù)警可能發(fā)生的嚴(yán)重地質(zhì)危害。

4）設(shè)備銹蝕檢測(cè)：環(huán)境采集一支線中空氣潮濕，氣體成分復(fù)雜，易導(dǎo)致設(shè)備生銹腐蝕，久而久之會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障。巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)圖像識(shí)別及圖像對(duì)比方法，可對(duì)套管設(shè)備、緊固件進(jìn)行精確定位、拍照，結(jié)合人工確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)銹蝕分析，提前預(yù)警，一定程度上防止故障的發(fā)生。

5）照明燈識(shí)別：機(jī)器人上帶有攝像機(jī)及光照度檢測(cè)傳感器，可以對(duì)隧道中的光照情況進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)可設(shè)備預(yù)定規(guī)則，系統(tǒng)可統(tǒng)計(jì)整個(gè)隧道中的燈管狀態(tài)，若連續(xù)出現(xiàn)10m范圍內(nèi)無(wú)有效照明時(shí)，系統(tǒng)將立即發(fā)出預(yù)警信息，提醒操作人員注意對(duì)隧道設(shè)備進(jìn)行運(yùn)維。

6）漏水與積水識(shí)別：機(jī)器人系統(tǒng)可針對(duì)隧道中的土建滲水、地面積水情況進(jìn)行識(shí)別。在正常巡檢情況下，機(jī)器人對(duì)特定的滲水泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè);常規(guī)行進(jìn)過(guò)程中，可采用掃描的方式進(jìn)行滲水漏水檢測(cè)。

2.2.3紅外熱成像

由于隧道內(nèi)空氣流通性較差，設(shè)備溫度差異較小，巡檢機(jī)器人上攜帶的高靈敏度熱成像儀應(yīng)能在隧道環(huán)境中清晰成像。系統(tǒng)對(duì)設(shè)備類型進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，行進(jìn)過(guò)程中采用1HZ的熱圖檢測(cè)方式進(jìn)行普檢，全程有錄像，本地存儲(chǔ)時(shí)間不小于2個(gè)月。

1）紅外線普測(cè);隧道內(nèi)的巡檢機(jī)器人自身帶有紅外線普測(cè)功能，在巡檢的過(guò)程將對(duì)其視野范圍內(nèi)的全部設(shè)備進(jìn)行表面溫度感應(yīng)監(jiān)測(cè)，并在全部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行溫度的掃描式采集，對(duì)設(shè)備開(kāi)展紅外線檢測(cè)和紅外熱診斷工作，可以有效避免區(qū)域設(shè)備被遺漏，運(yùn)維人員可以通過(guò)后臺(tái)電腦觀察某一點(diǎn)的溫度值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和異常隱患，為設(shè)備的檢查維修提供實(shí)時(shí)資料。能夠完整的為所監(jiān)測(cè)的設(shè)備提供歷史監(jiān)測(cè)圖像記錄，以保證在有設(shè)備發(fā)生異常報(bào)警時(shí)，可以通過(guò)歷史監(jiān)測(cè)圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行追查。

2）精確測(cè)溫：對(duì)隧道內(nèi)易發(fā)熱的重要設(shè)備如：電纜接頭、接地箱、接地線等，進(jìn)行精確的測(cè)溫和實(shí)時(shí)監(jiān)控;在發(fā)現(xiàn)有異常溫度的設(shè)備時(shí)，能夠通過(guò)紅外普測(cè)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，為工作人員進(jìn)行排查事故提供幫助;在設(shè)備檢修完成并投入運(yùn)行后或是新設(shè)備在試運(yùn)行期間，對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確測(cè)溫監(jiān)控;在系統(tǒng)輸電線出現(xiàn)超負(fù)荷情況下，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行精確的溫度測(cè)量;精確測(cè)量溫度時(shí)，機(jī)器人會(huì)從多個(gè)不同的方位對(duì)設(shè)備多個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行整體的視頻圖像監(jiān)控。

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用的是全自動(dòng)定點(diǎn)檢測(cè)模式，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)設(shè)定需要檢測(cè)的位置和設(shè)置檢測(cè)的相關(guān)參數(shù)，而且在每次經(jīng)過(guò)同一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)對(duì)該點(diǎn)位的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比準(zhǔn)確度很高。機(jī)器人上所攜帶的高靈敏度熱成像儀，應(yīng)能在低溫差的隧道環(huán)境中，將設(shè)備的溫度與環(huán)境背景溫度進(jìn)行有效區(qū)分，使被檢測(cè)設(shè)備清晰成像，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確的溫度檢測(cè)。采用機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)溫操作，可以有效避免人工檢測(cè)時(shí)的問(wèn)題，測(cè)溫過(guò)程繁瑣，調(diào)節(jié)的參數(shù)不合適，檢測(cè)的溫度不準(zhǔn)確;易產(chǎn)生遺漏，世博支線中設(shè)備眾多，人工巡檢可能漏檢;數(shù)據(jù)不可追溯，人工記錄的數(shù)據(jù)可能信息不全，現(xiàn)場(chǎng)圖像后期整理工作量大，分析困難。紅外線成像效果圖如圖4所示。

3）缺陷定點(diǎn)跟蹤測(cè)溫：為了能夠更加準(zhǔn)確的獲得某一處設(shè)備的熱缺陷變化趨勢(shì)和熱缺陷處理情況，要對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)定時(shí)的檢測(cè)，采集完整的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)工作的實(shí)際需要呈現(xiàn)出曲線或直方圖等形式的數(shù)據(jù)集。

2.2.4環(huán)境檢測(cè)

智能機(jī)器人自身攜帶的環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊，具備監(jiān)測(cè)隧道中0：、H2s、CO、CH4、溫度、濕度、煙霧等環(huán)境信息。

2.2.5語(yǔ)音對(duì)講現(xiàn)場(chǎng)指揮功能

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)搭載雙向語(yǔ)音系統(tǒng)，安裝有應(yīng)急廣播揚(yáng)聲器和監(jiān)聽(tīng)麥克。用于監(jiān)控中心和隧道內(nèi)人員進(jìn)行雙向?qū)χv，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮。在交通疏導(dǎo)與事故處置時(shí)，結(jié)合高清視頻功能，操作人員可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控、監(jiān)督與指導(dǎo)，確保工作高效、實(shí)時(shí)的開(kāi)展。

2.2.6異常預(yù)警及聯(lián)動(dòng)告警處置

根據(jù)隧道的運(yùn)行情況，按不同等級(jí)可發(fā)生報(bào)警：機(jī)器人本地聲光預(yù)警、監(jiān)控中心聲光預(yù)警。當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境氣體達(dá)到報(bào)警參數(shù)、火情、積水異常，巡檢點(diǎn)設(shè)備發(fā)生異常，地質(zhì)變化、通訊系統(tǒng)故障、充電站故障、防火門電源異常等異常情況時(shí)，系統(tǒng)都應(yīng)進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)工作人員確認(rèn)報(bào)警信息后，系統(tǒng)可以解除相關(guān)報(bào)警。

2.2.7火災(zāi)檢測(cè)及應(yīng)急處理

通過(guò)巡檢機(jī)器人人體搭載的高清視頻設(shè)備檢測(cè)管廊內(nèi)部異常光源、煙霧情況;紅外設(shè)備識(shí)別火源，對(duì)管廊內(nèi)設(shè)備明火及設(shè)備內(nèi)部異常溫度進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)識(shí)別疑似火災(zāi)位置，由平臺(tái)專家系統(tǒng)分析是否有著火點(diǎn)，是否需要聯(lián)動(dòng)消防系統(tǒng);確認(rèn)著火點(diǎn)后，發(fā)送火災(zāi)告警至本地監(jiān)控平臺(tái)，配合滅火機(jī)器人及時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)火源進(jìn)行處置，同時(shí)巡檢機(jī)器人應(yīng)駛離到安全距離（機(jī)器人承受最高溫度）以外觀察。配合氣體檢測(cè)設(shè)備，對(duì)管廊內(nèi)部有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，為人員進(jìn)入管廊內(nèi)部進(jìn)行消防或其他作業(yè)提供參考。

2.2.8監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有紅外線視頻及巡檢采集存貯功能，支持現(xiàn)代化視頻的一切功能（包括停止、播放、錄音錄像及視頻截圖等）。

2.2.9機(jī)器人工作模式

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)工作模式應(yīng)具自動(dòng)巡檢、遙控巡檢、特殊巡檢以及在異常情況下通過(guò)與其他系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮模式，如圖5所示。

1）自動(dòng)巡檢模式：自動(dòng)例行巡檢是巡檢機(jī)器人按照預(yù)設(shè)規(guī)劃路徑自動(dòng)巡視方式，是在隧道內(nèi)日常運(yùn)維工作中最常見(jiàn)的應(yīng)用模式，將巡檢數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)骄C合管理平臺(tái)保存，生成檢測(cè)分析報(bào)告。

2）遙控巡檢模式：支持機(jī)器人多目標(biāo)位置的人工遙控巡行，支持人工多種速度遙控模式的巡檢工作方式?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，監(jiān)控中心操作人員可以手動(dòng)控制機(jī)器人到達(dá)指定位置進(jìn)行作業(yè)。尤其對(duì)于在機(jī)器人自主巡檢過(guò)程中如檢測(cè)到設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)異常并向運(yùn)維人員告警時(shí)，運(yùn)維人員可以在第一時(shí)間操控機(jī)器人快速到達(dá)異常設(shè)備位置，及時(shí)對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行查看并核實(shí)報(bào)警信息，以便迅速制定響應(yīng)策略。

3）特殊巡檢模式：特殊巡檢模式為自動(dòng)巡檢、遙控巡檢的補(bǔ)充方式，針對(duì)支線及其它設(shè)備區(qū)內(nèi)需要重點(diǎn)關(guān)注的巡檢對(duì)象、巡檢點(diǎn)針對(duì)f生設(shè)置巡檢任務(wù)。

對(duì)區(qū)域內(nèi)需進(jìn)行非定時(shí)、特別關(guān)注的設(shè)備類型及巡檢點(diǎn)類型，例如接頭、接地線等設(shè)備設(shè)施，專門設(shè)定巡檢任務(wù);或在隧道內(nèi)部檢修工作或其他作業(yè)開(kāi)始前，設(shè)定專門任務(wù)對(duì)環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，為確保設(shè)備、人員安全提供保障。

4）系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)工作模式：通過(guò)將巡檢機(jī)器人系統(tǒng)與隧道內(nèi)部其他系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，在特殊情況下人員不能及時(shí)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，由巡檢機(jī)器人系統(tǒng)直接控制現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行作業(yè);或由巡檢機(jī)器人系統(tǒng)提供輔助聲光信息，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行操作等。

3結(jié)語(yǔ)

1）文章所研究的隧道電網(wǎng)智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)適合于90%以上的電纜隧道應(yīng)用，智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用能有效地提升電纜隧道的科學(xué)管理水平。

2）該巡檢機(jī)器人使用后，可為電纜設(shè)備的維護(hù)檢修等工作提供歷史數(shù)據(jù)，從而提高隧道內(nèi)電纜智能化的監(jiān)測(cè)水平，對(duì)于管理水平的提高有明顯的幫助。

3）能夠有效提高工作人員的安全系數(shù)并減少人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，緩解電力部門存在的結(jié)構(gòu)性人員缺失狀況;還能夠降低突發(fā)事件的影響，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力，減少因突發(fā)事件所造成的電纜停電，降低電纜的運(yùn)行成本，提高智能化電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)能力，為電力部門做出貢獻(xiàn)。