基于智能巡檢裝置的設(shè)備狀態(tài)指示燈監(jiān)測研究

吳蘭 WU Lan；賈恒杰 JIA Heng-jie；胡玉婷 HU Yu-ting；凌飛 LING Fei；王浩 WANG Hao

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān)512026）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大、電壓等級的提高，對供電安全可靠性要求也更加嚴(yán)格，變電站是電網(wǎng)的基礎(chǔ)節(jié)點，只有保證其穩(wěn)定運行，才能確保電力系統(tǒng)安全運行，因此變電站正常運行是保障電力系統(tǒng)供電安全的重要環(huán)節(jié)[1]。變電站的室內(nèi)設(shè)備如果都采用人工巡檢，會浪費很多人力又存在安全隱患，而對于一些惡劣環(huán)境場合，還可能對巡檢人員的人身安全造成危害[2-3]，有必要改進當(dāng)前的人工巡檢模式，提高變電站的運維水平。

近年來，采用無人智能裝備巡檢代替人工巡檢模式已成為變電站巡檢發(fā)展的熱點方向[4]。將圖像識別技術(shù)部署在智能裝備內(nèi)，可以實現(xiàn)實時信號指示燈狀態(tài)檢測識別。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

目前變電站使用的機器人巡檢主要分為有軌和無軌兩種。有軌機器人需要預(yù)先敷設(shè)磁條并安裝RFID 定位芯片，用于機器人進行導(dǎo)航和定位[5]，前期工程量較大，同時磁條和RFID 定位芯片的損壞將造成機器人無法正常執(zhí)行任務(wù)。無軌機器人導(dǎo)航無需磁條，依靠智能識別技術(shù)，巡檢路線的選擇上局限性較小，但是巡檢精度易受外界影響，容易識別出錯。隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，循跡無人小車通過黑白線循跡，在設(shè)置好的跑道上移動，既避免了有軌機器人需要大規(guī)模鋪設(shè)磁條，也可避免無軌機器人精度易受外界影響的缺點，可在變電站巡檢中大規(guī)模應(yīng)用。

變電站所處的環(huán)境大多較復(fù)雜，智能設(shè)備采集的圖像受環(huán)境、光線或者拍攝角度的影響容易造成對狀態(tài)指示燈的識別差錯。因此，本文提出在設(shè)備指示燈旁粘貼關(guān)聯(lián)的AprilTag 標(biāo)簽[6-7]，圖像采集設(shè)備通過識別AprilTag 標(biāo)簽定位設(shè)備指示燈位置，完成指示燈狀態(tài)圖像采集識別，通過對設(shè)備狀態(tài)指示燈的監(jiān)測完成變電站巡檢。

2 智能巡檢裝置系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

本論文主要研究內(nèi)容為包括變電站室內(nèi)環(huán)境里的無人巡檢小車自主影像采集以及后續(xù)的影像自主識別等功能應(yīng)用，建立一套變電站設(shè)備狀態(tài)指示燈智能巡檢監(jiān)測系統(tǒng)。

該無人小車是利用循跡系統(tǒng)按照預(yù)定路線巡視，通過自主研發(fā)的視覺識別算法配合廣角攝像頭對標(biāo)簽進行定位、拍照、回傳和指示燈狀態(tài)識別的智能巡檢設(shè)備，可大幅度提高工作效率，節(jié)約人力成本，擁有4G 傳輸、2.4G 無線傳輸、接觸式傳輸?shù)榷喾N傳輸模式，并且可以通過客戶端遠程控制和實時查看回傳數(shù)據(jù)等。1.5kg 的凈重使得整體小巧輕便，續(xù)航可高達6 小時?？蓜偃胃邏菏?、控制室等各種變電站室內(nèi)環(huán)境的日常巡檢需求。為日后變電站自動巡檢提供可行方案。主要分為兩方面的研究：

①基于軌跡定制服務(wù)的巡跡無人小車巡檢平臺；

②基于柜機燈影像的設(shè)備狀態(tài)識別算法服務(wù)。

巡檢過程：

①小車自巡檢過程中，攝像頭依次自主搜索機柜二維碼；

②檢測到AprilTag 標(biāo)簽碼小車停車并調(diào)整攝像頭對焦拍照；

③無人小車返回實時影像；

④進行設(shè)備照片的存儲管理等。

智能巡檢系統(tǒng)由無人小車、通信模塊和本地監(jiān)控后臺組成。（圖1）

圖1 智能巡檢系統(tǒng)技術(shù)路線

3 無人小車

基于軌跡定制服務(wù)的巡跡無人小車巡檢平臺。無人小車由外形結(jié)構(gòu)部件、運動控制模塊、電源管理模塊、圖像采集設(shè)備和循跡模塊組成。（圖2）

圖2 無人小車

3.1 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

無人小車總重1350g，載重4000g，離地高度36mm，碳纖維增高桿1500m。底盤為鋁合金材料，通過不同的車輪驅(qū)動系統(tǒng)在各個方向上移動或驅(qū)動。四個輪子分別位于矩形的四個角上，每個輪子都具有驅(qū)動功能。

由于變電站所處地形復(fù)雜，地面有電纜凹凸不平。所以無人小車底盤采用全鋁合金底盤結(jié)構(gòu)，減輕整體質(zhì)量的同時兼顧穩(wěn)定性，為適應(yīng)變電站復(fù)雜地面環(huán)境，搭載了懸掛系統(tǒng)和越野輪胎，有較強的抓地力和越野能力，可有效面對高壓室鋪設(shè)地線槽等原因造成的地面凹凸不平且伴隨溝槽的環(huán)境本產(chǎn)品可在上述地形環(huán)境中穩(wěn)定運行，為精準(zhǔn)識別、清晰拍照做了有效保證。4 根加粗油壓金屬減震器，能夠增加四輪著地摩檫力達到減震目的。

云臺能夠向各個方法進行轉(zhuǎn)動，保證攝像機無死角拍照。

3.2 運動控制模塊

無人小車運動控制系統(tǒng)主要由運動控制器、電機驅(qū)動器、電機、車輪、減速器等組成[8]，如圖3 所示。

圖3 運動控制系統(tǒng)組成

智能核心控制器為主控制系統(tǒng)，其優(yōu)點是ARM Cortex-A72 1.5GHz（四核）處理器速度顯著提升，擁有豐富的多媒體，多個內(nèi)存版本和更出色的連接性，集成了連接USB 2 和USB 3 端口的PCIe 鏈路以及本機連接的以太網(wǎng)控制器，它具有極大改進的GPU 功能集，輸入/輸出速度更快。應(yīng)用在本產(chǎn)品中可提高運行速度和響應(yīng)速度以及多路控制的穩(wěn)定性。

運動控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)與本地監(jiān)控后臺的通信以及對小車和云臺的控制功能?？刂破髂K根據(jù)循跡模塊對黑白路線的采集數(shù)據(jù)進行分析處理，通過電機驅(qū)動器控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)小車的方向控制。

3.3 電源管理模塊

由于部分變電站距離較遠，因此采用3 串兩并的12V鋰離子電池。這類電池具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好等優(yōu)點。并且具有過充保護、過放保護、短路保護等安全防護機制。5600mAh，8A 最大持續(xù)輸出，可持續(xù)續(xù)航6h。

選用電池參數(shù)如表1 所示。

表1 電池參數(shù)表

無人小車在執(zhí)行巡檢任務(wù)時，在電池電量充足的情況下進入巡檢狀態(tài)，執(zhí)行巡檢任務(wù)，若電量不充足，則先充電再執(zhí)行巡檢任務(wù)，巡檢結(jié)束后，小車返回充電處。無人小車具有電池電量監(jiān)測功能，可設(shè)置電量下限。當(dāng)無人小車的電池電量低于下限時，會停止巡檢，返回充電器接口處自行充電。通過指令充電器插頭部分和無人小車的充電插頭部分能夠自動斷開和連接，以達到自動充電的目的。

3.4 圖像采集模塊

由于變電站大多處于昏暗環(huán)境，光線不足，針對這一問題，本研究決定采用星光級攝像機，通過識別AprilTag標(biāo)簽進行定位，對指示燈進行圖像采集。AprilTag 標(biāo)簽是一個視覺基準(zhǔn)庫，類似于二維碼，通過特定的標(biāo)志可以快速檢測標(biāo)志，并計算相對位置，即使是在較暗的環(huán)境下也能夠識別出，對光線要求較低。

本研究使用攝像頭為MZ2291 星光級150°無畸變攝像頭，IMX291 芯片，擁有 1920*1080 分辨率，30 幀/秒的刷新速度，利用自主研發(fā)的視覺識別算法可實現(xiàn)精準(zhǔn)識別標(biāo)簽，搭載二自由度云臺可實現(xiàn)多視角拍照?？赏瓿勺冸娬局甘緹魻顟B(tài)監(jiān)測基本要求，具有拍攝完整，視角大等特點。

攝像機搭建在云臺上面，云臺能夠向各個方向轉(zhuǎn)動，提供不同的拍攝角度，滿足指示燈圖像采集需求。相機參數(shù)如表2 所示。

表2 相機參數(shù)表

3.5 六路灰度循跡模塊

循跡模塊為六路灰度循跡模塊。灰度傳感器和紅外傳感器有類似之處，但卻有紅外傳感器所不及之特性，采用高亮聚光LED 燈光，接收管對不同反射光的強弱對比處理，只要對光反射強弱不同即可識別，顏色差值越大，分辨率越好[9]，加入開模定制遮光罩使得產(chǎn)品性能得到進一步提升。數(shù)字量也稱為開關(guān)量信號，是以高低電平輸出作為信號的一種傳感器，信號無需AD 轉(zhuǎn)換并且不用復(fù)雜的算法即可實現(xiàn)信號采集和控制，極大提高了循跡的穩(wěn)定性，可更加精準(zhǔn)的按照預(yù)定路線運行。

本研究小車路線規(guī)劃采用黑白線循跡，基于樹莓派[10-11]開發(fā)板設(shè)計開發(fā)的智能軌跡算法[12-14]安裝循跡傳感器在設(shè)定好的跑道上按照設(shè)定路線完成移動。

在小車的前端放置紅外光電傳感器對黑白線跑道進行數(shù)據(jù)采集。傳感器分布示意圖如圖4。

圖4 傳感器分布示意圖

將光電傳感器放置在小車的最前方可以提前確定路徑。由于傳感器發(fā)出的光對白色和黑色有不同的反射效果，因此得到的電壓值不同[15]。跑道位置通過單片機中程序確定，從而控制小車行動方向。若左邊1 傳感器檢測到黑色跑道，調(diào)整小車向左行駛。若2 傳感器檢測到黑色跑道，則調(diào)整小車向右行駛。

4 通信模塊

為保障變電站數(shù)據(jù)傳輸安全，保障傳輸速率，因此不能采用WIFI 傳輸。無人小車通過點對點通信與監(jiān)控后臺進行信息交互并接收控制指令，進行云臺轉(zhuǎn)動、定點拍照、移動拍照、車體運動和自動充電等。信息交互內(nèi)容包括無人小車本體狀態(tài)和被監(jiān)測設(shè)備圖像數(shù)據(jù)。在通信中斷、接收數(shù)據(jù)異常等情況下，圖像數(shù)據(jù)不丟失，同時系統(tǒng)將發(fā)出告警信息，并在通信恢復(fù)后自動續(xù)傳。

通信系統(tǒng)參數(shù)如表3 所示。

表3 通信系統(tǒng)參數(shù)表

5 本地監(jiān)控后臺

本地監(jiān)控后臺由計算機、通信設(shè)備、監(jiān)控分析軟件和數(shù)據(jù)庫等組成。無人小車與監(jiān)控后臺通過無線局域網(wǎng)連接，發(fā)布指令控制小車移動，定點拍照。點對點通信進行指令和數(shù)據(jù)交互。

①實時監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)查看小車運行過程中的圖像信息、車體狀態(tài)、電池狀態(tài)信息、巡檢任務(wù)等。

②任務(wù)規(guī)劃模塊分為日常巡檢和遙控巡檢，可隨時進行任務(wù)模式的切換。根據(jù)變電站巡檢需求，日常巡檢可提前生成巡檢任務(wù)，每天定期巡檢；遙控巡檢可進行手動控制，遙控小車進行巡檢。

③歷史查詢和數(shù)據(jù)分析模塊可實現(xiàn)歷史巡檢數(shù)據(jù)的存儲、診斷和查詢。

6 狀態(tài)指示燈識別智能監(jiān)測

以往對變電站狀態(tài)指示燈進行巡檢時，往往采用直接對指示燈圖像采集智能分析識別[16]的做法，然而變電站所處環(huán)境通常較昏暗，光線不足，容易導(dǎo)致攝像頭對指示燈位置定位不準(zhǔn)確，采集圖像質(zhì)量不好，最終影響狀態(tài)指示燈識別的正確，因此如何提高攝像頭拍攝圖像的準(zhǔn)確性成為重要工作。

無人小車搭載自主研發(fā)視覺識別算法，通過識別特定標(biāo)簽匹配機柜編號，再通過二自由度云臺進行多角度拍攝機柜。視覺識別算法可精通過標(biāo)簽進準(zhǔn)定位，臺賬匹配實現(xiàn)機柜綁定，將傳輸數(shù)據(jù)發(fā)到服務(wù)器供客戶端實時獲取，客戶端可實時查閱每個機柜多個視角的狀態(tài)拍照，極大提高作業(yè)效率和精度。

狀態(tài)指示燈識別流程如圖5。

圖5 狀態(tài)指示燈識別流程

①AprilTag 碼在昏暗環(huán)境下也能被識別，因此本論文提出在指示燈旁粘貼AprilTag 碼標(biāo)簽，小車巡檢過程中，攝像頭先搜索機柜上AprilTag 碼，檢測到標(biāo)簽碼后小車停車并調(diào)整攝像頭對準(zhǔn)攝像頭對焦拍照。設(shè)備狀態(tài)指示燈圖像通過AI 算法自動識別判斷指示燈狀態(tài)。

通過AprilTag 識別算法進行識別，同時計算掃描AprilTag 的像素面積和中心點坐標(biāo)，確定小車和AprilTag標(biāo)簽距離和相對位置，控制器根據(jù)距離和相對位置這兩個參數(shù)產(chǎn)生兩路不同占空比的脈沖寬度調(diào)制波形，并將其輸出給電機驅(qū)動模塊，從而控制小車停止運動，使得小車在指示燈正面停止。AprilTag 識別定位程序流程圖如圖6 所示。

圖6 AprilTag 識別定位程序流程圖

后臺通過攝像機拍攝到圖像后，先對其進行灰度化處理，再對圖片進行高斯濾波以消除圖片中的高斯噪聲，最后對獲得的圖片采用Canny 邊緣檢測算法[17-22]進行邊緣檢測。經(jīng)過預(yù)處理后，消除圖像中的無關(guān)信息，增強了有用信息，從而提高了識別AprilTag 的可靠性。

②無人小車攜帶的攝像機在識別到AprilTag 標(biāo)簽后，立即停止運動，對AprilTag 標(biāo)簽旁的指示燈進行拍照，采集到包含指示燈的圖像后，通過圖像處理系統(tǒng)確定圖像中的指示燈顏色以及指示燈像素大小。在模板顏色庫中，對指示燈顏色進行匹配處理。根據(jù)匹配結(jié)果和指示燈像素大小識別指示燈狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備指示燈狀態(tài)的智能巡檢，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及異常情況。識別出指示燈為故障狀態(tài)后，后臺同時運維人員處理，可以大大減少人力成本。

③指示燈狀態(tài)包括：正常狀態(tài)和故障狀態(tài)。模板顏色庫中提前設(shè)置好正常狀態(tài)對應(yīng)的第一顏色范圍，以及故障狀態(tài)對應(yīng)的第二顏色范圍。在模板顏色庫中，對指示燈顏色進行匹配處理的步驟包括：

指示燈顏色與第一顏色范圍和第二顏色范圍進行比較，根據(jù)匹配結(jié)果以及指示燈像素大小，若指示燈顏色在第一顏色范圍內(nèi)，并且指示燈像素大小在預(yù)設(shè)像素范圍內(nèi)，則確定指示燈狀態(tài)為正常狀態(tài)；

若指示燈顏色在第二顏色范圍內(nèi)，并且指示燈像素大小在預(yù)設(shè)像素范圍內(nèi)，則確定指示燈狀態(tài)為故障狀態(tài)。

7 結(jié)論

本論文通過對電網(wǎng)變電站智能巡檢問題進行分析，對智能巡檢裝置中的無人小車、黑白線循跡、狀態(tài)指示燈智能識別進行研究，提出通過星光級攝像機識別AprilTag 標(biāo)簽，確定指示燈位置，控制小車定點拍照，從而獲取變電站指示燈狀態(tài)圖像的方法。設(shè)計出一套基于智能巡檢裝置的設(shè)備狀態(tài)指示燈監(jiān)測系統(tǒng)，極大提升變電站巡檢效率，保障電網(wǎng)供電系統(tǒng)安全運行。

后續(xù)工作中將對更多變電站控制室進行考察，將固定增高架更新為折疊伸縮架；增加適配變電站控制室環(huán)境的自動回充系統(tǒng)，完成全自動無人值守；將現(xiàn)有功能優(yōu)化，獲取更強系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；優(yōu)化視覺算法，優(yōu)化指示燈狀態(tài)識別。