隧道智能巡檢機器人應(yīng)用研究

張 暉，廖俊蓉，付建美，楊夏里，林偉杰，葉超欣

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510635）

我國電纜隧道的應(yīng)用越來越多，逐漸取代架空式線路傳輸方式，成為城市電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。電纜隧道巡檢多采用傳統(tǒng)意義上的人工巡檢模式[1]，而隧道自身空間比較狹窄，設(shè)有諸多掛架且遍布線纜，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，人工巡檢主要依靠感官和簡單儀器進行，易出現(xiàn)漏檢的情況，巡檢工作效率較低，加之工作環(huán)境較差，存在一些未知的安全隱患。

為了提高城市電纜的現(xiàn)代化管理水平，加大電力隧道的巡檢力度，有效減輕巡檢工作人員的工作強度，避免電纜隧道安全事故的發(fā)生，電纜隧道智能巡檢機器人的研究與應(yīng)用迫在眉睫[2]。代替人工作業(yè)的巡檢機器人可以大大提高電纜管理的現(xiàn)代化和智能化水平，緩解隧道巡檢工作人員的壓力，減少隧道維護的安全隱患以及安全事故，并便于精細化和自動化管理，可為電力隧道穩(wěn)定安全運行提供重要保障。

1 隧道智能巡檢機器人研究現(xiàn)狀

隨著城市化進程的不斷加快，智能電網(wǎng)的建設(shè)也逐漸普及。電纜隧道的正常使用是城市安全運行的保障，對提高人民生活水平以及加強社會建設(shè)具有重要意義。由于隧道處于封閉狀態(tài)，濕度較大且不通風，一些設(shè)備可能會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，甚至?xí)锌扇加卸練怏w排放，所以電纜隧道安全隱患極大，為保證隧道正常運行，對隧道內(nèi)部設(shè)備及隧道內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測就顯得尤為重要[3]。

目前，隧道環(huán)境的監(jiān)測多采用人工巡檢方式，由于電纜運行過程中存在一定的風險，極大威脅著隧道工作人員的安全和健康；此外，人工巡檢容易遺漏一些異常情況，不能及時發(fā)現(xiàn)問題并做出反應(yīng)，且人力物力消耗極大，安全系數(shù)低、有效工作時間長、操作不靈活、缺乏智能化和信息化的手段。為保證隧道的安全正常運行，需及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并解決，否則一旦出現(xiàn)問題，必將帶來極大的經(jīng)濟損失和安全問題。針對人工巡檢方式存在的缺陷，迫切需要一種自動化檢測手段，實現(xiàn)隧道故障檢測及隧道環(huán)境實時監(jiān)測功能，隧道智能巡檢機器人應(yīng)運而生。

在電纜隧道巡檢機器人方面，國內(nèi)有一定的技術(shù)積累，但目前相關(guān)研究應(yīng)用還有待提高。吳偉[4]構(gòu)建了一套高壓電纜智能巡檢機器人硬件系統(tǒng)并開發(fā)了遠程監(jiān)測平臺，具有火災(zāi)預(yù)警和超聲波探測等功能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功耗低，對高壓電纜隧道的自動化巡檢有實際意義。孫曉誠[5]借鑒國內(nèi)外機器人研究成果，設(shè)計了一款電纜隧道巡視機器人，基本實現(xiàn)了定位、防撞、移動視頻巡檢、紅外熱成像、隧道環(huán)境檢測等功能需求。魏更[6]搭建了電纜隧道巡檢機器人系統(tǒng)硬件平臺，設(shè)計了基于自適應(yīng)模糊PID 的運動控制算法，使機器人能夠適應(yīng)隧道內(nèi)的地形變化，實現(xiàn)了巡檢機器人運動控制的智能化。王曉和許慧華[7]根據(jù)電纜隧道的環(huán)境特點，提出了一種智能機器人自動化巡檢的設(shè)計，并在實際環(huán)境中進行應(yīng)用，實現(xiàn)了隧道環(huán)境自主化、自動化監(jiān)測的目的，有效緩解了電力部門的工作壓力。崔旺[8]協(xié)同沈陽電業(yè)局，結(jié)合電纜隧道的結(jié)構(gòu)特征，研制了一種能夠適應(yīng)電纜隧道環(huán)境的巡檢機器人，具備越障、爬坡、通信等隧道巡檢的基本功能，為隧道機器人的開發(fā)提供了一種新的方案。杜益剛[9]完成了一種履帶式電纜隧道巡檢機器人系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，滿足電纜隧道巡檢任務(wù)的基本要求，促進了電網(wǎng)智能化的建設(shè)。

圖1 為現(xiàn)場勘探時拍攝的電纜隧道內(nèi)部環(huán)境。由于電纜隧道環(huán)境狹窄、運動空間小、障礙物較多，工作人員在場工作時存在嚴重的安全隱患。智能機器人的應(yīng)用是隧道巡檢智能化、數(shù)字化、自動化的有效途徑，當前需要對隧道機器人進行深入細致的研究，以滿足實際應(yīng)用的要求。

圖1 電纜隧道內(nèi)部環(huán)境

2 隧道智能巡檢機器人關(guān)鍵技術(shù)點

2.1 隧道智能巡檢機器人主要功能

2.1.1 導(dǎo)航定位

定位功能[10-11]是隧道智能巡檢機器人的核心功能之一。通過定位技術(shù)確定智能機器人在隧道中的具體位置及運動路線，是隧道機器人智能化、現(xiàn)代化運行的關(guān)鍵之處。常見的定位技術(shù)有GPS 及北斗衛(wèi)星定位、射頻識別（RFID）定位、基站定位以及ZigBee 定位等。借助不同的傳感器，可以獲取隧道機器人周圍環(huán)境的信息，完成機器人的自主導(dǎo)航定位。具體采用哪種定位方式需要結(jié)合隧道環(huán)境，以及速度、成本、精度等綜合考慮。隧道機器人借助自身的導(dǎo)航定位功能，能規(guī)劃出最佳行程路線，在復(fù)雜環(huán)境下，可翻越或避開土坑、土堆等障礙物。

2.1.2 圖像識別

隧道智能巡檢機器人搭載高清攝像頭，用于拍攝隧道內(nèi)的電纜、儀表等設(shè)備圖像，并對采集到的圖像進行智能化處理[12]，然后利用圖像識別技術(shù)自動判斷設(shè)備的運行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)問題可及時做出反饋處理。主要識別內(nèi)容包括表計識別、積水識別以及直線檢測等。

1）表計識別。高清相機實時現(xiàn)場采集監(jiān)測點的表計圖像，依托圖像處理以及模式識別技術(shù)[13]，完成不同儀表的自動識別、準確讀數(shù)。對不同類型的儀表（指針式儀表和數(shù)字式儀表）進行分類處理，選擇合適的識別算法，實現(xiàn)表計識別的智能化、實用化和工程化，便于巡檢機器人現(xiàn)場部署和大規(guī)模應(yīng)用。對指針式儀表的識別可采用一種基于刻度弧線的表計識別方法，主要流程為：圖像預(yù)處理、特征匹配求單位矩陣、基于刻度弧線讀數(shù)；對數(shù)字式儀表可采用HOG 特征提取和SVM 分類器訓(xùn)練的方法對數(shù)字進行識別。

2）積水識別。電纜隧道中如果出現(xiàn)積水，可能會浸泡線纜，導(dǎo)致設(shè)備短路。智能巡檢機器人通過圖像處理技術(shù)，可識別隧道中的地面積水情況，對水位信息進行采集，發(fā)現(xiàn)異常情況時，及時發(fā)出警報，方便管理人員根據(jù)實際情況采取有效措施。

3）直線檢測。隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，有些比較狹窄的地方工作人員難以通過，故不能準確判斷隧道線纜的情況。應(yīng)用Hough 直線檢測技術(shù)判斷線纜是否脫垂也是目前需要研究的要點之一。

2.1.3 紅外測溫

智能巡檢機器人配備紅外熱成像儀[14]，可對一些特定的易發(fā)熱的關(guān)鍵設(shè)備，如線路刀閘、電纜線頭、開關(guān)柜室等進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的各處設(shè)備的溫度值輸出到監(jiān)控主機（應(yīng)用軟件界面）顯示，如果超過設(shè)置的溫度數(shù)值，便會發(fā)送警報信號，提醒工作人員進行設(shè)備維護維修，避免安全事故的發(fā)生。測溫時智能巡檢機器人采用定點監(jiān)測方式，從多個角度全方位地對設(shè)備進行清晰成像，以實現(xiàn)精確測溫。

2.2 隧道智能巡檢機器人的關(guān)鍵研究要點

2.2.1 通信技術(shù)

控制站點與隧道巡檢機器人通過通信技術(shù)[15]，進行數(shù)據(jù)傳輸、信息交換等?？刂普军c控制隧道巡檢機器人工作時，需要發(fā)出相應(yīng)的控制命令，如導(dǎo)航定位、定點攝像、紅外成像等，隧道巡檢機器人按照接收到的指令，進行行進、實時拍攝現(xiàn)場圖像、紅外成像等操作，完成相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容的采集后，將信息傳到控制站點，見圖2。為了保證控制站點和隧道機器人之間通信順暢、快捷，要注意避免周圍環(huán)境對通信模塊的干擾。

圖2 控制站點與機器人的通信

2.2.2 運動控制

隧道巡檢機器人的運行形式是機器人代替工作人員進行自動化巡檢的重點內(nèi)容。隧道內(nèi)空間比較狹窄，地面有坡度的情況較多，有些地方還可能出現(xiàn)積水，有時甚至需要翻越障礙物，綜合考慮隧道內(nèi)的環(huán)境狀況，軌道式機器人[16-18]較適合隧道內(nèi)的自動巡檢。軌道式機器人行動路徑相對固定，能有效解決復(fù)雜地面導(dǎo)致的問題，相較于其他運動方式來說具有一定的優(yōu)勢，可保證機器人正常行進，安全可靠地工作。

2.2.3 直線檢測技術(shù)

為減少隧道巡檢時人力、物力的消耗，可通過圖像處理和模式識別技術(shù)來判別線纜的狀態(tài)。首先通過隧道巡檢機器人采集隧道線纜圖片，然后對圖像進行灰度化、二值化、均值濾波等預(yù)處理，之后采取邊緣檢測提取邊緣輪廓，最后運用Hough 直線檢測，判斷線纜的狀態(tài)。具體流程見圖3，相關(guān)測試結(jié)果見圖4。

圖3 直線檢測流程

圖4 測試結(jié)果

3 結(jié)束語

開發(fā)隧道巡檢機器人，實現(xiàn)隧道監(jiān)測過程的自動化，一直是電纜隧道監(jiān)測自動化的研究熱點。隨著技術(shù)的發(fā)展，機器人可搭載的傳感器種類也將逐步增加，控制會更為精確、迅速，在電纜隧道內(nèi)的應(yīng)用場景也會更加廣泛。在隧道內(nèi)部復(fù)雜工作環(huán)境下，如何實現(xiàn)對隧道巡檢機器人精確、高效與穩(wěn)定的控制是需要進一步研究的重點。