閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)設計及應用研究

中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司昆明局 連興文

引言

閥廳是整個換流站的核心部分，其主要是進行換流閥放置的封閉建筑，閥廳是否能夠穩(wěn)定運行，直接關系到整個直流輸電系統(tǒng)、換流站的安全性與穩(wěn)定性。由于換流閥本身的特性，運轉(zhuǎn)過程中會生成大量的熱量，需要配置溫度監(jiān)控設施、高效冷卻設施，而正是因為溫度監(jiān)控設施、冷卻設施在使用過程中容易出現(xiàn)故障，必須要針對閥廳進行實時監(jiān)控與定期巡檢，才能夠有效保障閥廳運行的安全性。

傳統(tǒng)的巡檢模式主要是通過人工方式進行巡檢，因此會面臨手段單一、檢測質(zhì)量分散、工作效率低、勞動強度大等缺陷，從而導致選件及時性、到位率均無法得到有效的保障，同時固定方位的監(jiān)控系統(tǒng)也存在著較大的局限性，整體效果不夠理想[1]。然而5G 時代的全面到來，由于各種新興技術的不斷普及應用，諸如人工智能、大數(shù)據(jù)技術、云計算等新興技術的不斷應用，為閥廳巡檢提供了有效的技術支持。

上述背景下，智能巡檢機器人逐漸成為行業(yè)研究的重點。對于閥廳管理來說，傳統(tǒng)閥廳主要是采用人工巡檢的模式進行管理，整體管理效率相對較為低下，同時巡檢的及時性、覆蓋率等均不夠理想，顯然已經(jīng)無法滿足閥廳巡檢工作的要求。針對上述問題，本研究結(jié)合閥廳巡檢工作需求與信息技術發(fā)展動態(tài)，深入闡述了閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)設計方案與實際應用情況，現(xiàn)針對相關內(nèi)容進行如下分析，僅供參考與借鑒。

1 閥廳智能巡檢機器人概述

所謂閥廳智能巡檢機器人，指的是建立在可移動的感知執(zhí)行平臺基礎之上，系統(tǒng)本身搭載了多種類型的傳感器，以此來針對設備的狀態(tài)進行檢測，同時完成設備操作、業(yè)務處理等能夠定制的可編程多功能操作系統(tǒng)。閥廳智能巡檢機器人能夠全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢工作中面臨的一些重復性、危險、困難的工作，而且閥廳智能巡檢機器人的穩(wěn)定性也更高。

從當前普遍應用的閥廳智能巡檢機器人來看，基本都是利用四驅(qū)底盤、無軌化導航技術，同時集成導航單元、通訊單元、主控單元、供電單元、驅(qū)動單元、防護單元等多個模塊，本身具有極強的適應性，具有集群化、無軌化、可調(diào)配、智能化的優(yōu)勢，能夠有效適應高溫、高寒等惡劣條件，且能夠與電力系統(tǒng)進行無縫對接，能夠開展實時監(jiān)控、紅外測溫、可見光圖像識別、故障報警、巡檢報告分析、定點巡檢、智能巡檢等多項工作。

2 閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)框架

閥廳智能巡檢機器人的設計主要是通過智能軌道來設計行走方式，并在軌道中進行各種系統(tǒng)的掛載，如自動化機電設施、溫濕度傳感器、影音采集設施、音視頻采集設施等，同時利用紅外熱成像相機針對設備進行熱圖像采集、熱分析，利用普通可見光相機來針對閥廳進行遠程的圖像采集、實時監(jiān)控[2]。同時在此基礎上，利用云臺實時傳輸采集完成的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠及時掌握閥廳各種設備運行狀況[3]。

2.1 系統(tǒng)硬件

對于閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)的設計，主要包含軌道及升降設備、電機驅(qū)動電路、供電模塊、通信組件、控制中心等共同組成，基于各種拾音器、攝像機來完成音視頻采集工作，通過數(shù)字模擬之后，將對應的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心后臺。此次系統(tǒng)可以滿足RS485協(xié)議、TCP/IP 協(xié)議，具體的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)示意圖

控制中心是整個系統(tǒng)當中的核心，全面負責閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)的運行控制。控制中心主要是通過DSP 處理器、嵌入式CPU、通信模塊等共同組成。根據(jù)電機的工作模式來看，電機驅(qū)動模塊主要包含直流電機驅(qū)動電路、步進電機驅(qū)動電路，可以針對電機垂直升降、水平移動進行控制，同時還能夠針對電機轉(zhuǎn)動角度、速度、正反向等進行控制[4]。

軌道機針對巡檢機器人的整個軌道運行情況進行控制，基于軌道總成來進行拐彎或者直線運行模式，這個過程中能夠進行數(shù)據(jù)傳輸、無線供電[5]。與此同時，通過升降機的使用，還能夠針對各種掛載設備進行多維度的移動，使得巡檢機器人能夠針對閥廳進行更為系統(tǒng)的掃描，且能夠提升精度更高的定位服務。此外，通信模塊主要可以提供有線與無線通信接口，滿足多元化的通信傳輸需求。

電源模塊主要是為整個系統(tǒng)及各種掛載系統(tǒng)提供電力方面的支持，能夠綜合參考閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)需求提供多元化的電力支持，如AC 220V，AC 48V，AC 24V，DC 48V ，DC 18V，DC 12V 等。此外，通過雙觸點焦點技術、直線滑環(huán)技術的應用，能夠解決傳統(tǒng)模式面臨的掉電問題。閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

圖2 閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)實物圖

2.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的功能主要是應用于通信，能夠讓系統(tǒng)滿足人機交互的需求。一方面，軟件能夠應用于接收工作人員的各類指令，然后針對巡檢機器人進行控制；另一方面，軟件能夠獲取巡檢機器人傳輸?shù)母鞣N信息，包括傳感器信息、畫面等。閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)包含巡檢配置模塊、運動控制模塊、數(shù)據(jù)分析管理、系統(tǒng)設置等。具體是采用MVC 分層模式，將系統(tǒng)分別劃分為（Model）、視圖（View）以及控制器（Controller）。

模型能夠直接針對應用程序相關的數(shù)據(jù)邏輯進行處理；視圖則能夠直接現(xiàn)實應用程序當中的數(shù)據(jù)處理信息；控制器主要是負責各種數(shù)據(jù)的讀取、處理。上述三個層次之間完全獨立，相關開發(fā)人員可以基于實際應用需求，針對各個層次實施更改處理，系統(tǒng)本身具有理想的擴展性。此外，MVC 分層模式還能夠讓系統(tǒng)應用于擴展平臺，可移植性較為理想。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

3 巡檢機器人設置

3.1 巡檢機器人

巡檢機器人主要是通過多個傳感器共同組成的系統(tǒng)，通過掛載補光設施、拾音設備、攝像頭、紅外檢測儀等，對應的檢測范圍主要是根據(jù)場地實際情況進行軌道的定制，水平運動能夠?qū)崿F(xiàn)360°持續(xù)旋轉(zhuǎn)，運動范圍通常可以達到-45～90°。

紅外檢測儀的使用，能夠直接針對閥廳TVM板、換流閥晶閘管、閥冷卻系統(tǒng)、交直流濾波器、平波電抗器、換流變壓器、套管、隔離開關、斷路器等進行實時監(jiān)測，針對溫度數(shù)據(jù)進行實時傳輸。拾音設備能夠針對閥廳環(huán)境各種設施的運行聲音狀態(tài)進行監(jiān)控，同時針對音頻進行可視化的顯示。系統(tǒng)也能夠利用巡檢機器人直接針對現(xiàn)場開展音頻廣播，包括各種實時喊話、警示音頻、語音指導等。巡檢機器人通過多種傳感器進行信息的采集、傳輸，同時又能夠直接接受系統(tǒng)多種控制模式，還能夠通過掛載傳感器的調(diào)整，針對巡檢機器人功能進行拓展。

3.2 多模式巡檢

閥廳內(nèi)部的各種儀器設備較為復雜，而且相互之間呈現(xiàn)為緊密排布的狀態(tài)，閥廳智能巡檢機器人也需要通過方便、可控、靈活的巡檢模式，才能夠有效保障巡檢工作的效果。這就需要采用多模式混合的模式開展巡檢，在有效滿足持續(xù)長時間巡檢、有效覆蓋面積的前提下，進行遙控檢測、精確檢測。

針對上述要求，可以引入2種巡檢機器人，包括遙控巡檢模式、智能巡檢模式。遙控巡檢模式主要是共同遠程控制，針對特定位置、設備進行巡檢。智能巡檢模式主要是根據(jù)提前預設的內(nèi)容，包括啟動時間、巡檢范圍、巡檢內(nèi)容，自動進行巡檢，同時基于設備智能分析，生成對應的統(tǒng)計報表。當智能巡檢機器人發(fā)現(xiàn)故障的情況下，能夠針對該位置進行長時間連續(xù)巡檢，進一步確定故障問題，在傳輸數(shù)據(jù)的同時，啟動預警系統(tǒng)。

4 智能故障診斷專家系統(tǒng)

閥廳智能巡檢機器人的應用，要想實現(xiàn)智能化的目標，就必然需要引入專家?guī)臁１狙芯刻岢龅南到y(tǒng)是在傳統(tǒng)專家?guī)斓幕A上融入人工神經(jīng)網(wǎng)絡，詳細的結(jié)構(gòu)圖如圖4?；贐P 神經(jīng)網(wǎng)絡的應用，能夠直接把把維修技師、維修工程師積累的實際診斷經(jīng)驗與維修經(jīng)驗進行歸納，通過閾值與節(jié)點的模式儲存到神經(jīng)網(wǎng)絡當中，同時綜合利用樣本訓練，最終建立隱式知識庫，能夠不斷模擬專家基于直覺、經(jīng)驗進行診斷推理的進程。在長時間使用積累的過程中，針對新故障進行迭代學習，能夠針對知識庫進行不斷的完善，進一步提升巡檢機器人的智能化水平。

圖4 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)架構(gòu)

人機交互界面(human-computer interface，HCI)作為人—機—環(huán)進行交流溝通的主要結(jié)構(gòu)，其需要滿足閥廳內(nèi)部的復雜環(huán)境，且需要滿足海量信息傳輸?shù)男枨?。基于上述要求，本研究設計的人機交互界面主要包含四個部分：

二維地圖或者三維地圖，能夠?qū)崟r顯示各種電子地圖的各種信息，可以實時進行記錄、導出、下載等功能，全面反映機器人工作狀況；針對閥廳高清圖像、熱成像圖像信息等進行顯示；針對當前任務狀態(tài)進行顯示，包含智能巡檢機器人狀態(tài)、巡檢點情況等；報警相關的信息內(nèi)容，包括報警時間、報警值、報警內(nèi)容等?；谥悄芄收显\斷專家系統(tǒng)的應用，系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與趨勢分析，生成日志以供查看，能夠提前預測閥廳可能出現(xiàn)的設備故障和運行環(huán)境缺陷，并及時發(fā)出預警信息通知后臺管理人員。

5 結(jié)語

綜上所述，閥廳智能巡檢機器人系統(tǒng)的設計與應用，能夠全面解決傳統(tǒng)人工巡檢存在的管理效率相對低下、巡檢的及時性差、覆蓋率低等諸多問題，實現(xiàn)智能化實時監(jiān)控、智能化巡檢、專家系統(tǒng)分析，全面提升閥廳巡檢的智能化水平，從而有效保障換流站、電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。