智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司 彭明智 董翔宇 吳永恒

在變電站里，變電設(shè)備數(shù)量急劇增加，為確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要及時(shí)掌握關(guān)鍵二次設(shè)備及重要回路的運(yùn)行狀態(tài)，離不開對各級小室內(nèi)二次設(shè)備的巡檢，而這類巡檢工作長期存在日常巡視人手不足、人員素質(zhì)參差不齊、數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范不完整、缺陷發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間長、運(yùn)行維護(hù)成本高等痛點(diǎn)[1]。而且二次屏柜內(nèi)部的巡檢點(diǎn)位，因線纜繁多、設(shè)備檢測手段缺失等原因，通常是巡檢盲區(qū)。

當(dāng)前，人工巡檢是變電站內(nèi)巡檢的主要技術(shù)手段，利用人體感官、長期以來積累的經(jīng)驗(yàn)以及大量的智能監(jiān)測設(shè)備，巡檢人員進(jìn)入到設(shè)備位置區(qū)對實(shí)際運(yùn)行中的設(shè)備工作情況進(jìn)行綜合評判，比如，基于繼電保護(hù)專業(yè)各種壓板的重要性，截至目前，其投退操作依然由人工現(xiàn)場手動(dòng)完成，變電站內(nèi)繼電保護(hù)專業(yè)操作仍然主要依賴工作人員的實(shí)際技術(shù)水平以及工作責(zé)任心，在這樣的實(shí)際情況下，目前現(xiàn)場巡視中存在的問題主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

設(shè)備巡視質(zhì)量不高且存在漏巡情況、設(shè)備巡檢到位率虛高、設(shè)備巡視數(shù)據(jù)不是足夠準(zhǔn)確且在記錄過程中存在失真情況；自然天氣、到站距離、車輛安排、人員安排等因素導(dǎo)致不能及時(shí)有效的跟蹤特殊重要缺陷且更不能及時(shí)準(zhǔn)確有效的詳細(xì)記錄巡視結(jié)果，導(dǎo)致其不能被及時(shí)分析處理；實(shí)際情況中，由于變電站工作人員的技術(shù)水平、文化水平以及工作態(tài)度等方面參差不齊，在工作過程中有時(shí)僅僅憑借工作經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，缺乏必要的準(zhǔn)確的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行綜合參考。對于變電站現(xiàn)場運(yùn)行規(guī)程，雖然各個(gè)變電站都具備，但是由于變電站工作人員對其理解及貫徹不夠深入，導(dǎo)致存在的問題較多，同時(shí)，由于巡視人員的工作經(jīng)驗(yàn)、心理素質(zhì)、技能水平、生理狀態(tài)都處于不定態(tài)，極有可能發(fā)生設(shè)備漏巡以及錯(cuò)誤判斷等情況造成事故隱患；由于設(shè)備信息較多，不同角度不同層面，而人工無法完全綜合分析，導(dǎo)致缺乏對變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面感知[2]。

針對上述問題，研究室內(nèi)機(jī)器人二次智能巡檢及應(yīng)急關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)是一種新型的變電站機(jī)器人室內(nèi)二次設(shè)備的智能巡檢系統(tǒng)，以室內(nèi)智能巡檢機(jī)器人為基礎(chǔ)，構(gòu)建了以多數(shù)據(jù)源融合為基礎(chǔ)的智能變電站無人巡檢系統(tǒng)，主要從多數(shù)據(jù)源采集、智能分析、智能告警、自主識別等方面有效解決無人化智能巡檢過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，力爭實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量替代人工巡檢，大大提升巡檢可信度、精益度以及準(zhǔn)確度，有效提升應(yīng)急響應(yīng)效率的目標(biāo)。

1 原理簡述

變電站二次設(shè)備的巡檢，包括對保護(hù)、測控、時(shí)鐘等相關(guān)二次設(shè)備的定期、周期、應(yīng)急響應(yīng)巡視等，是國家電網(wǎng)檢修規(guī)程中的必備項(xiàng)，巡視周期通常根據(jù)變電站等級而定，一類樞紐變電站巡檢頻率例行巡檢每兩天不少于一次，專業(yè)巡視每月不少于一次一次，全面巡視每周不少于一次，熄燈巡視每月不少于一次，目前國內(nèi)通過多種方式對這些設(shè)備進(jìn)行巡檢，包括人工方式、PDA 方式等等，取得一定的效果，因?yàn)闆]有巡檢內(nèi)容的智能識別系統(tǒng)，同時(shí)存在屏柜內(nèi)部的巡視盲區(qū)，并不能減輕運(yùn)行人員的工作量[3]。

室內(nèi)巡檢機(jī)器人是部署在屏柜上方軌道上行走的一種移動(dòng)載體，通過借助紅外攝像頭、可見光攝像頭、拾音器等傳感器，按照預(yù)定設(shè)置對被巡視對象進(jìn)行全數(shù)據(jù)采集，將之與固定攝像頭相比，在成本、靈活性和擴(kuò)展性上具有無以倫比的優(yōu)勢，與人工巡檢相比，具備數(shù)據(jù)記錄、巡檢頻次高、應(yīng)急響應(yīng)速度快的顯著特點(diǎn)。同時(shí)，室內(nèi)相關(guān)機(jī)器人的陸續(xù)出現(xiàn)，證明了硬件上的原理可行性[4]。

1.1 屏柜后門自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)路線

擬采用理論結(jié)合實(shí)際的方式開發(fā)部署，技術(shù)研究對象包括：屏柜后門開關(guān)原理性分析，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的屏柜門給出改造方案；改造設(shè)備供電方式，結(jié)合實(shí)際屏柜中的交流電流和直流電流，給柜門系統(tǒng)供電；通信方式，單個(gè)屏柜門控制單元如何與機(jī)器人或者巡檢系統(tǒng)通信；可用性、易用性研究，包括可控性、可追溯性、安全性等。

1.2 二次設(shè)備圖像識別技術(shù)路線

擬采用機(jī)器學(xué)習(xí)方式，對大量的設(shè)備（端子排、指示燈、數(shù)碼管數(shù)字（字母）等）不同狀態(tài)樣本進(jìn)行特征提取和學(xué)習(xí)，關(guān)注單個(gè)目標(biāo)的整體特征，訓(xùn)練出目標(biāo)檢測分類器和狀態(tài)識別分類器，進(jìn)行目標(biāo)定位和狀態(tài)識別，克服傳統(tǒng)算法對光線、目標(biāo)本身缺陷等外部因素的局限性。以數(shù)碼管顯示為例，大概的技術(shù)路線包括收集樣本、機(jī)器學(xué)習(xí)、小數(shù)點(diǎn)和數(shù)字連接、矯正分割等步驟。

1.3 二次設(shè)備智能巡檢后臺系統(tǒng)架構(gòu)路線

系統(tǒng)由站內(nèi)巡檢后臺、軌道機(jī)器人、屏柜后門自動(dòng)控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、以及站內(nèi)SCADA 系統(tǒng)等其他系統(tǒng)信息源構(gòu)成。系統(tǒng)采用開放式組合設(shè)計(jì)，各類巡檢終端及站內(nèi)其他系統(tǒng)的信息源均是系統(tǒng)的功能模塊，可按需選擇組合配置。主要功能包括：

實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)視頻。巡檢后臺應(yīng)能直觀的展示實(shí)時(shí)視頻，包括可見光視頻和紅外視頻；實(shí)時(shí)控制?？梢姽?、紅外、云臺、車體、任務(wù)控制；巡檢狀態(tài)。巡檢后臺可顯示智能巡檢機(jī)器人巡檢狀態(tài)信息，主要包括巡檢地圖、智能巡檢機(jī)器人巡檢實(shí)時(shí)位置、巡檢任務(wù)具體信息（包括，巡檢任務(wù)名稱、巡檢進(jìn)度、當(dāng)前巡檢點(diǎn)、巡檢點(diǎn)總數(shù)、已巡檢點(diǎn)數(shù)）等信息顯示功能；巡檢報(bào)文。巡檢后臺可顯示智能巡檢機(jī)器人巡檢報(bào)文信息，包括最新報(bào)告、告警信息、巡檢信息，其中，告警信息可分為一般告警、嚴(yán)重告警以及危急告警，用不同的字體和顏色代表不同的告警級別，雙擊報(bào)告信息、巡檢信息、告警信息可查看詳細(xì)內(nèi)容。

任務(wù)管理：巡檢方式。巡檢任務(wù)能在巡檢后臺快速生成，包括例行巡檢、特殊巡檢、專項(xiàng)巡檢、全面巡檢以及自定義巡檢等巡檢任務(wù)，任務(wù)被下發(fā)后，智能巡檢機(jī)器人能夠按照任務(wù)流程執(zhí)行巡檢操作，在工作任務(wù)執(zhí)行完畢后，返回預(yù)定地點(diǎn)就行充電；任務(wù)執(zhí)行方式。巡檢后臺任務(wù)編輯提供立即執(zhí)行、定期執(zhí)行和周期執(zhí)行三種任務(wù)執(zhí)行方式；任務(wù)展示。制定的巡檢任務(wù)能以日歷與月歷相互結(jié)合的方式展示出來，任務(wù)狀態(tài)不同，展示顏色不同，具體任務(wù)狀態(tài)包括等待執(zhí)行、正在執(zhí)行以及已執(zhí)行。

巡檢結(jié)果查詢分析：報(bào)告查詢。巡檢后臺能查詢歷史報(bào)告列表信息，并能查看報(bào)告中的詳細(xì)巡檢信息；任務(wù)查詢。巡檢后臺能查詢歷史巡檢任務(wù)列表信息，并能查看任務(wù)中的詳細(xì)巡檢信息；設(shè)備查詢。巡檢后臺能按設(shè)備樹查詢某一巡視點(diǎn)的歷史巡檢信息，其中設(shè)備樹篩選包括按區(qū)域、間隔、設(shè)備類型、巡檢方法、巡視點(diǎn)類型等；詳細(xì)巡檢信息查詢。巡檢后臺能查看巡檢的詳細(xì)信息，包括巡檢任務(wù)、巡檢類型、巡檢結(jié)論、原始數(shù)據(jù)、巡檢圖片、巡檢效果圖、歷史巡檢結(jié)果等；設(shè)備告警確認(rèn)；自定義報(bào)表分析。巡檢后臺具備自定義報(bào)表分析功能，可通過設(shè)備類型、識別類型、設(shè)備區(qū)域、時(shí)間段、設(shè)備樹模糊篩選以及表計(jì)類型選擇等查詢條件進(jìn)行搭配設(shè)置，生成不同需求所需要的不同報(bào)表內(nèi)容；數(shù)據(jù)分析。巡檢后臺具備自定義巡視點(diǎn)篩選，查看對比趨勢圖的數(shù)據(jù)分析功能。

用戶設(shè)置：用戶設(shè)置模塊主要實(shí)現(xiàn)巡檢點(diǎn)位設(shè)置、典型巡檢點(diǎn)位庫維護(hù)、權(quán)限管理以及具體檢修區(qū)域設(shè)置等不同功能；系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)：系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)模塊主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、地圖編輯、時(shí)間同步、遠(yuǎn)程重啟等。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

智能巡檢系統(tǒng)由主站/巡維中心站、站內(nèi)巡檢后臺、各類巡檢終端（地面輪式、掛軌式、固定攝像頭）、微氣象站、通信網(wǎng)絡(luò)、以及站內(nèi)SCADA 系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)等其他系統(tǒng)信息源構(gòu)成；主站/巡維中心站和站內(nèi)巡檢后臺集成了巡檢專家診斷系統(tǒng)，智能巡檢終端根據(jù)需求可搭載可見光攝像機(jī)、紅外測溫儀、局放、聲紋采集器等非侵入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備；后臺系統(tǒng)包括站端后臺系統(tǒng)、主站/運(yùn)維中心站系統(tǒng)，采用一體化設(shè)計(jì)原則，功能、界面風(fēng)格保持一致。

基本巡檢功能如下：實(shí)時(shí)監(jiān)控（機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)控、機(jī)器人遠(yuǎn)程控制、全站監(jiān)視）-任務(wù)管理（全站巡檢、專項(xiàng)巡檢（硬壓板專項(xiàng)巡檢、指示燈專項(xiàng)巡檢，抄表專項(xiàng)巡檢、轉(zhuǎn)換開關(guān)專項(xiàng)巡檢、位置狀態(tài)專項(xiàng)巡檢、自定義專項(xiàng)巡檢）、例行巡檢、特殊巡檢、缺陷跟蹤、地圖選點(diǎn)（巡檢地圖選點(diǎn)、按屏柜選點(diǎn)）、自定義任務(wù)）-巡檢數(shù)據(jù)分析（巡檢結(jié)果查詢確認(rèn)（按歷史任務(wù)查詢、按歷史報(bào)告查詢、按設(shè)備查詢、巡檢結(jié)果顯示、巡檢結(jié)果確認(rèn)）、巡檢結(jié)果對比分析、歷史曲線對比分析、巡檢報(bào)告生成）-用戶設(shè)置（設(shè)備臺帳管理、專家診斷管理（智能聯(lián)動(dòng)管理、告警定制管理、專家診斷模型管理）、權(quán)限管理、檢修區(qū)域管理）-調(diào)試維護(hù)（巡檢地圖維護(hù)、機(jī)器人告警查詢、軟件設(shè)置）。

系統(tǒng)采用開放式組合設(shè)計(jì)，各類巡檢終端（如關(guān)鍵點(diǎn)位安裝固定攝像頭）及站內(nèi)其他系統(tǒng)的信息源均是系統(tǒng)的功能模塊，可按需選擇組合配置。系統(tǒng)具備接入多源數(shù)據(jù)系統(tǒng)的能力，例如，它能夠接入輔助設(shè)備站端監(jiān)控系統(tǒng)、主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)信息等，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，為專家診斷提供數(shù)據(jù)支撐。典型的接入信息如下：保護(hù)等安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作信號；保護(hù)、測控類裝置的壓板信號；測控裝置的電流、電壓有效值數(shù)據(jù)（值、相位）；測控類裝置的開入信號；其他必要的信息。

通過獲取SCADA 在線數(shù)據(jù)，如有設(shè)備狀態(tài)發(fā)生異常，本系統(tǒng)獲取到這些異常信號，即可觸發(fā)智能巡檢終端對相關(guān)設(shè)備屏柜進(jìn)行相關(guān)的專項(xiàng)巡檢。

3 巡檢效果

可見光巡視：智能巡檢終端巡檢變電站內(nèi)保護(hù)小室、通信機(jī)房、開關(guān)室、配電房等戶內(nèi)一次/二次設(shè)備或設(shè)備上安裝的各類可視的狀態(tài)展示界面，如硬壓板、指示燈、數(shù)碼管、轉(zhuǎn)換開關(guān)、儀表讀數(shù)等。同時(shí)選配二次屏柜后開門控制系統(tǒng)，當(dāng)巡檢終端需要巡檢該屏柜時(shí)，給該屏柜發(fā)送開門信號，相應(yīng)屏柜會自動(dòng)打開柜門，即可對二次屏柜背面內(nèi)部元件進(jìn)行紅外測溫、電纜破皮檢測、端子排連片連通狀態(tài)檢測、光口密封狀態(tài)檢測、號牌完整性檢測，相應(yīng)指示燈檢測等。

紅外測溫巡視：智能巡檢機(jī)器人可對室內(nèi)/屏柜內(nèi)必要的紅外巡檢點(diǎn)進(jìn)行巡視，如小室內(nèi)裸露的線纜、觸頭、屏柜后端子排線纜等。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測：巡檢系統(tǒng)支持小室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測功能，監(jiān)測對象主要包括溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫檢測、臭氧等。

綜上，該技術(shù)適用于變電站各類小室、配電房、開閉所等相關(guān)場所，消缺二次系統(tǒng)的巡檢盲區(qū)，有效的解決站內(nèi)二次系統(tǒng)的全覆蓋巡視，進(jìn)一步提升巡檢作業(yè)精益化，并大幅度提高應(yīng)急響應(yīng)速度。同時(shí)該系統(tǒng)的圖像識別技術(shù)屬于通用類技術(shù)，可廣泛適用于各類需要圖像識別技術(shù)的場所，包括變電站、配電房、輸電線等需要圖像識別的領(lǐng)域，運(yùn)用人工智能技術(shù)，可有效的解決圖像智能分析識別的問題。此外，隨著國產(chǎn)芯片二次設(shè)備的進(jìn)一步推進(jìn)，國產(chǎn)芯片的大功耗導(dǎo)致的發(fā)熱趨勢監(jiān)測分析也是一個(gè)較好的應(yīng)用點(diǎn)。