鐵路牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

代文平 陳紀(jì)綱 尹 磊 肖 琨 賀 毅

(1.四川艾德瑞電氣有限公司， 成都 610031;2中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

為掌握電氣化鐵道牽引變電所內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀況，根據(jù)《高速鐵路牽引變電所檢修規(guī)則》等相關(guān)規(guī)定，運(yùn)營(yíng)單位需安排值班人員在所亭值守[1]。值守人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，巡檢數(shù)據(jù)錄入信息管理系統(tǒng)工作耗時(shí)、繁瑣，巡視質(zhì)量與值守人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和能力密切相關(guān)，且牽引變電所高電壓或惡劣氣象等條件還可能對(duì)值守人員人身造成一定的危害，迫切需要利用新興技術(shù)將值守人員從機(jī)械的工作中解放出來(lái)。同時(shí)，隨著我國(guó)電氣化鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)里程的快速增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)營(yíng)單位的值守人員也逐年趨于不足。因此，在牽引變電所開(kāi)展智能化巡視巡檢研究具有重要的意義。

電力系統(tǒng)機(jī)器人的大量應(yīng)用，為牽引變電所的智能化建設(shè)提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開(kāi)展了牽引變電所機(jī)器人巡檢的相關(guān)研究[2-10]，但由于產(chǎn)品功能單一、擴(kuò)展性及適用性差等問(wèn)題，導(dǎo)致目前機(jī)器人在電氣化鐵路牽引變電所鮮有應(yīng)用?；诖?，本文探討了一種適用于牽引變電所的智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)方案，對(duì)巡控系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)研究。系統(tǒng)采用智能巡控機(jī)器人代替人工，實(shí)現(xiàn)了變電所的智能巡檢和應(yīng)急操作。

1 智能機(jī)器人巡控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)方案

鐵路牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)用智能巡檢和自動(dòng)控制的理念，采用模塊化設(shè)計(jì)，將視頻巡檢、應(yīng)急操作、微氣象等子模塊集成于統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，各子模塊可根據(jù)工程需要靈活配置。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，由智能巡控機(jī)器人、微氣象、機(jī)器人室、本地監(jiān)控后臺(tái)及管理服務(wù)器組成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

各輔助設(shè)備就地化安裝于牽引變電所監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由相應(yīng)的子模塊單元完成信息感知及處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組網(wǎng)完成信息共享，并運(yùn)用管理服務(wù)器、本地監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全所的信息存儲(chǔ)和可視化監(jiān)控。全所設(shè)備的巡檢工作由智能巡控機(jī)器人完成，并通過(guò)對(duì)巡控機(jī)器人機(jī)械手臂的操控實(shí)現(xiàn)應(yīng)急操作，為牽引變電所集中監(jiān)控和智能運(yùn)維提供支撐。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)牽引變電所設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境綜合監(jiān)控技術(shù)

牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)采用智能巡控機(jī)器人移動(dòng)巡檢技術(shù)代替人工巡檢及操作控制，對(duì)牽引變電所環(huán)境和設(shè)備的溫度、局部放電情況及運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境的綜合監(jiān)控。

(2)應(yīng)急操作技術(shù)

智能巡控機(jī)器人搭載有多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)變電所的智能巡檢，并配置有機(jī)械手臂，在遠(yuǎn)動(dòng)失靈且需要應(yīng)急操作時(shí)，運(yùn)營(yíng)人員可通過(guò)本地監(jiān)控后臺(tái)，控制智能遙控機(jī)器人機(jī)械手臂對(duì)變電所內(nèi)斷路器或開(kāi)關(guān)進(jìn)行應(yīng)急操作，避免安全事故的發(fā)生或擴(kuò)展，保證牽引變電所的運(yùn)行安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能巡控機(jī)器人搭載多傳感器、高清攝像機(jī)、高清紅外儀、機(jī)械手臂等，對(duì)所內(nèi)設(shè)備進(jìn)行全天候、全覆蓋巡視監(jiān)控，完成牽引變電所的智能巡檢、應(yīng)急操作功能。其主要功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)主要功能架構(gòu)圖

2.1 智能巡檢設(shè)計(jì)

牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)智能巡檢設(shè)計(jì)具有以下功能及特點(diǎn)：

(1)為適應(yīng)牽引變電所面積大小，滿足信息實(shí)時(shí)性要求等，智能巡控機(jī)器人采用自適應(yīng)功能設(shè)計(jì)，既支持集中使用，也可在具有巡檢、通信、供電設(shè)施的多個(gè)室內(nèi)區(qū)間進(jìn)行調(diào)配，實(shí)現(xiàn)輪換使用，具備對(duì)變電所設(shè)備區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)化巡視、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、異常預(yù)警、協(xié)同作業(yè)等能力。

(2)為使巡檢內(nèi)容及功能盡可能地覆蓋更廣，充分利用移動(dòng)巡檢的優(yōu)勢(shì)，智能巡控機(jī)器人搭載高清可見(jiàn)光攝像機(jī)、高靈敏紅外熱成像儀、聲音探測(cè)儀、局部放電檢測(cè)設(shè)備、SF6傳感器等多種傳感器，自動(dòng)對(duì)變電所室外設(shè)備、開(kāi)關(guān)柜、綜合自動(dòng)化等設(shè)備進(jìn)行外觀檢查、表計(jì)識(shí)別、溫度診斷、局部放電檢測(cè)和SF6含量檢測(cè)，并對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜室內(nèi)整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將巡檢數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到本地監(jiān)控平臺(tái)和綜合應(yīng)用服務(wù)器保存，生成檢測(cè)分析報(bào)告及報(bào)表。

(3)為解決拍照環(huán)境光線不足及拍照抖動(dòng)問(wèn)題，可見(jiàn)光攝像機(jī)采用超低照度攝像機(jī)，并在智能巡控機(jī)器人上配置輔助照明燈，增加環(huán)境照度，保證清晰成像。同時(shí)采用一體化光學(xué)防抖技術(shù)，有效過(guò)濾5～15 Hz范圍內(nèi)的細(xì)小振動(dòng)，使智能巡控機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中的視頻效果穩(wěn)定、清晰。

(4)為提高巡檢效率，提升紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確性，智能巡控機(jī)器人采用紅外普測(cè)加精確測(cè)溫有機(jī)結(jié)合的技術(shù)方案。在行走過(guò)程中對(duì)視野范圍內(nèi)設(shè)備表面的溫度場(chǎng)，進(jìn)行整體區(qū)域性掃描式溫度采集，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱診斷，有效避免區(qū)域設(shè)備被遺漏。在紅外普測(cè)模式下，智能巡控機(jī)器人可在行走過(guò)程中進(jìn)行區(qū)域性紅外掃描式普測(cè)，每隔一定距離采集一次紅外熱成像圖，檢測(cè)視野范圍內(nèi)的溫度最高點(diǎn)，為設(shè)備普測(cè)巡檢工作保留歷史巡檢圖像。若設(shè)備發(fā)生異常，則可通過(guò)歷史檢測(cè)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)追溯。在普測(cè)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)視野內(nèi)存在溫度超過(guò)安全閾值的設(shè)備，則立即進(jìn)行聲光報(bào)警，并對(duì)疑似故障設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的溫度精確分析，同時(shí)將巡檢結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)到本地監(jiān)控后臺(tái)，為運(yùn)維人員判斷設(shè)備缺陷提供依據(jù)。

(5)為解決變壓器等電力設(shè)備故障時(shí)的聲音異常問(wèn)題，智能巡控機(jī)器人采用音頻降噪算法和聲音識(shí)別技術(shù)，減輕環(huán)境噪音干擾，增強(qiáng)音頻信息識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。音頻數(shù)據(jù)經(jīng)軟件壓縮后，傳回綜合應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行分析、識(shí)別及存儲(chǔ)。

(6)為確保自動(dòng)巡檢工作的可靠性和高效性，智能巡控機(jī)器人采用激光雷達(dá)與慣性測(cè)量單元、導(dǎo)航與無(wú)線射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)融合的方法，提供多種高精度的導(dǎo)航參數(shù)(位置、速度、姿態(tài))。位置及導(dǎo)航信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)交究刂葡到y(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)在電子地圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤和顯示智能巡控機(jī)器人的地理方位，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的可視化、一體化和集成化。

(7)為滿足智能巡控機(jī)器人自動(dòng)巡航要求，系統(tǒng)配置有自動(dòng)充電裝置，充電裝置安裝于主控室或機(jī)器人專用充電房?jī)?nèi)，當(dāng)智能巡控機(jī)器人電量低或巡檢任務(wù)結(jié)束后，自動(dòng)返回充電裝置充電。特殊情況也可人工手動(dòng)充電。

(8)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)功能，智能巡控機(jī)器人搭載雙向語(yǔ)音系統(tǒng)，安裝有應(yīng)急廣播揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，用于監(jiān)控中心和現(xiàn)場(chǎng)人員雙向?qū)χv，雙向語(yǔ)音傳輸結(jié)合可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外熱成像儀，滿足遠(yuǎn)程視頻指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮。

2.2 應(yīng)急操作設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人巡檢變電所可視不可控的問(wèn)題，智能巡控機(jī)器人配置機(jī)械手臂，采用按鈕視覺(jué)定位方法，準(zhǔn)確控制機(jī)械臂。如遇應(yīng)急事件，運(yùn)維人員可通過(guò)本地監(jiān)控平臺(tái)準(zhǔn)確控制機(jī)械臂，對(duì)屏柜上的分合閘按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等元器件進(jìn)行應(yīng)急操作。機(jī)械臂采用雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不僅能上下運(yùn)動(dòng)，還能在上下運(yùn)動(dòng)中任意角度調(diào)節(jié)(180°范圍內(nèi))，可有效作用于不同高度和位置分合閘開(kāi)關(guān)的操作手柄，保證操作功能的可靠性。

2.3 機(jī)器人進(jìn)出門設(shè)計(jì)

為解決智能巡控機(jī)器人戶內(nèi)外全面巡檢的問(wèn)題，智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)配備門控箱，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)/關(guān)門功能。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)需進(jìn)出門時(shí)，由智能巡控機(jī)器人通過(guò)無(wú)線通信發(fā)出開(kāi)/關(guān)門信號(hào)至門控箱，門控箱接收到信號(hào)后，立即執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)/關(guān)門。門位置信號(hào)通過(guò)RJ-45接口傳送至本地監(jiān)控后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和閉鎖功能。智能巡控機(jī)器人通過(guò)本地監(jiān)控后臺(tái)讀取門的實(shí)時(shí)位置信號(hào)，確保機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)能可靠進(jìn)/出門。

2.4 微氣象設(shè)計(jì)

為保障智能巡控機(jī)器人惡劣天氣環(huán)境下巡檢的可靠性和巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)配備微氣象，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)牽引變電所環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、雨量、雪等氣象數(shù)據(jù)，并將氣象信息傳送至本地監(jiān)控后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所區(qū)域微氣象數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)與分析。并將氣象信息與智能巡控機(jī)器人定時(shí)巡檢功能相結(jié)合：(1)將氣象數(shù)據(jù)通過(guò)算法融入到設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果中，確保巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；(2)當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)速大于30 m/s、積水超過(guò)100 mm或雪深超過(guò)50 mm等惡劣天氣時(shí)，暫停機(jī)器人巡檢任務(wù)計(jì)劃，有效保證智能巡控機(jī)器人的安全。

2.5 本地監(jiān)控后臺(tái)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)全所監(jiān)測(cè)信息采集、數(shù)據(jù)分析結(jié)果、告警及聯(lián)動(dòng)處置情況、缺陷狀態(tài)等的集中呈現(xiàn)，方便運(yùn)維人員對(duì)所內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行整體把控和運(yùn)維作業(yè)管控，智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)的本地集控后臺(tái)設(shè)計(jì)，兼容windows、Andriod、IOS等主流移動(dòng)終端操作系統(tǒng)，操控智能巡控機(jī)器人對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行日常手動(dòng)或定時(shí)巡視，并實(shí)時(shí)獲取和展示變電所溫濕度、可見(jiàn)光視頻、熱成像圖像和SF6和局放等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)本地集控后臺(tái)收集處理，自動(dòng)生成相關(guān)的報(bào)警信息和統(tǒng)計(jì)記錄，方便操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、管理和判斷，及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，并控制智能巡控機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)事故的提前預(yù)防與應(yīng)急操作。

2.6 通信設(shè)計(jì)

(1)智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部通信

智能巡控機(jī)器人與本地監(jiān)控平臺(tái)采用無(wú)線通信，以滿足機(jī)器人巡檢的靈活性和工程適用性；微氣象安裝于主控室房頂，可根據(jù)工程具體情況靈活選用有線或無(wú)線方式與本地監(jiān)控平臺(tái)通信。

(2)智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)與輔助監(jiān)控系統(tǒng)通信

智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)分布于鐵路沿線的牽引變電所內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)鐵路局/供電段對(duì)智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)的操控，采用鐵路專用光纖通道完成智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)與牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互，以滿足視頻、圖片等數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求。根據(jù)工程實(shí)際情況，用戶也可選用5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)與輔助監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸。

3 應(yīng)用效果

基于本文所述的牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)的產(chǎn)品已應(yīng)用于柳南客運(yùn)專線進(jìn)德?tīng)恳冸娝臀鞒筛咚勹F路洋縣西牽引變電所。產(chǎn)品采用分層架構(gòu)，通過(guò)智能巡控機(jī)器人、微氣象等輔助監(jiān)控設(shè)備采集所內(nèi)輔助設(shè)備信息，集成了視頻巡檢、紅外巡檢、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)了全所的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、設(shè)備智能巡檢及應(yīng)急操作，所內(nèi)智能巡控系統(tǒng)前端設(shè)備能與設(shè)置在段部巡控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)了信息采集、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、告警處理和監(jiān)控等功能。自2018年12月至今，該智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行正常，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)監(jiān)控后臺(tái)界面友好、功能齊全、組態(tài)方便，提高了牽引變電所的正常巡視和應(yīng)急操作的自動(dòng)化和智能化水平。產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖片如圖3所示。

圖3 智能巡控機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從牽引變電所巡視巡檢現(xiàn)狀出發(fā)，基于智能巡檢和自動(dòng)控制的理念，探討了一種適用于牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)方案并對(duì)巡控系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)研究。系統(tǒng)采用智能巡控機(jī)器人代替人工，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所的智能巡檢和應(yīng)急操作。在西成高速鐵路和柳南客運(yùn)專線工程中的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能和性能的實(shí)用性，可為牽引變電所智能運(yùn)維提供技術(shù)支撐，較大地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本。