升壓站巡檢機(jī)器人巡檢路徑尋優(yōu)方法研究

李 磊， 魏銘毅， 陳玉良

（國電電力雙維內(nèi)蒙古上海廟能源有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

0 引言

升壓站是指變換通過電荷電壓的系統(tǒng)，其作用是升壓，從而使得線路電流減少， 以達(dá)到減少電能損失的目的[1]。升壓站巡檢是一項(xiàng)重復(fù)性機(jī)械化工作， 目前主要以人工巡檢為主， 工作效率不高， 不僅會花費(fèi)大量的時(shí)間和精力， 同時(shí)人員安全得不到保障。 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于升壓站巡檢領(lǐng)域，改變了當(dāng)前巡檢機(jī)械化作業(yè)的現(xiàn)狀，不僅提高了巡檢工作效率，同時(shí)也使得工作人員有更多時(shí)間和精力用于更復(fù)雜的工作。

1 巡檢機(jī)器人及智能軟件應(yīng)用

1.1 系統(tǒng)組成

升壓站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)基于統(tǒng)一開發(fā)平臺開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲于大數(shù)據(jù)平臺， 通過算法平臺對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，生成故障告警、預(yù)警。系統(tǒng)應(yīng)采用B/S 系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對所有智能設(shè)備的自動遠(yuǎn)程控制和手動控制； 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可通過通訊接口與其它系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。 監(jiān)控及管理系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)層次自下而上主要分為監(jiān)測層、數(shù)據(jù)層及展現(xiàn)層等多個(gè)層面。

監(jiān)測層主要負(fù)責(zé)從前端智能設(shè)備系統(tǒng)采集原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)、存儲和分析；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，能夠存儲海量數(shù)據(jù)，對外接口方便。 在本層，歸一化之后的數(shù)據(jù)經(jīng)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)存儲于數(shù)據(jù)庫中，作為歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保留；應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)在存儲數(shù)據(jù)的同時(shí)，把數(shù)據(jù)分發(fā)給專家分析系統(tǒng)、告警分析系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)根據(jù)自己的業(yè)務(wù)邏輯對需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成結(jié)果后返回應(yīng)用服務(wù)，以便顯示給最終用戶或觸發(fā)報(bào)警。

表現(xiàn)層直接對接工作人員， 操作人員通過客戶端可以實(shí)時(shí)掌握各種信息，如視頻、預(yù)警、地圖、檢測數(shù)據(jù)等。同時(shí)，操作人員通過客戶端還能隨之觀看機(jī)器人的運(yùn)行視頻。

實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，主要是在機(jī)器人運(yùn)行過程中，對其位置、巡檢路線、任務(wù)進(jìn)度、正在巡檢設(shè)備信息以及巡檢過程中實(shí)時(shí)的高清可見光和紅外視頻、巡檢過程中實(shí)時(shí)的巡檢結(jié)果、實(shí)時(shí)環(huán)境、機(jī)器人本體狀態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)控和查閱。

1.2 主要功能

機(jī)器人具有全自動模式包括例行和特巡兩種方式；采用無線通訊方式，巡檢范圍包含升壓站全范圍無死角。系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)誤差小于5%，所有檢測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)均具備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，并與IMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動，智能分析、智能預(yù)警等功能；機(jī)器人具備現(xiàn)場人機(jī)交互功能，現(xiàn)場巡檢人員需提取檢測數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)等， 機(jī)器人具備數(shù)據(jù)智能上傳至巡檢人員移動設(shè)備， 并指導(dǎo)巡檢或檢修人員開展相應(yīng)工作。

（1）定位、制圖、導(dǎo)航等功能。 機(jī)器人采用激光導(dǎo)航，無需布置二維碼、反光板等輔助定位信標(biāo)。具備動態(tài)工作任務(wù)及路徑規(guī)劃功能， 在存在多條有效路徑可到達(dá)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人平臺遇到其中一條工作道路堵塞，不應(yīng)出現(xiàn)工作任務(wù)終止的情況； 具備便于使用的導(dǎo)航地圖更新功能，當(dāng)工作環(huán)境發(fā)生變化，必要時(shí)可對導(dǎo)航地圖進(jìn)行局部調(diào)整，避免干擾導(dǎo)航定位。

（2）客戶端功能。系統(tǒng)應(yīng)能通過PC 進(jìn)行登錄及功能操作， 客戶端應(yīng)能夠配合監(jiān)控管理平臺使得用戶進(jìn)行系統(tǒng)管理及巡檢任務(wù)的部署；操作者可在客戶端上指定目的地，并使得機(jī)器人前往目的地，實(shí)現(xiàn)手動對機(jī)器人遙控、成圖、定位、導(dǎo)航等功能。

（3）防碰撞功能。在行走過程中如遇到障礙物應(yīng)及時(shí)停止并報(bào)警，指定時(shí)間內(nèi)障礙物移除后應(yīng)能恢復(fù)行走，指定時(shí)間障礙物未移除，應(yīng)采取合理的避讓策略。

（4）自動充電功能。 應(yīng)具備自動充電功能，通過與充電裝置配合完成自動充電。 充電裝置的電源輸入采用交流220V/50Hz，額定輸出功率不小于1800W，輸出電壓范圍為15～60V，輸出電流范圍為5～30A，工作溫度為-15℃～50℃，重量不大于15kg，充電裝置須滿足寬電壓輸入110～220V。

充電裝置具備短路保護(hù)、正負(fù)反接保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)等功能；充電裝置采用獨(dú)立運(yùn)行模式，可以任意單獨(dú)放置位置，而無需集中管理，方便現(xiàn)場實(shí)施部署； 充電裝置具備通過遙控方式開啟或終止充電的功能，本體及充電裝置具備自動及手動充電模式。

（5）運(yùn)行功能。系統(tǒng)支持全自主和遙控工作模式。全自主模式包括日常巡視和特巡兩種方式。 日常巡視方式下，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工作內(nèi)容、時(shí)間、周期、路線等參數(shù)信息，自主啟動并完成巡視任務(wù)； 特巡方式由操作人員選定巡視內(nèi)容并手動啟動巡視，機(jī)器人平臺可自主完成工作任務(wù)。全自主模式下，機(jī)器人平臺接收本地監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的工作任務(wù)列表，機(jī)器人平臺完成路徑規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果發(fā)送至本地監(jiān)控系統(tǒng)。 任務(wù)執(zhí)行過程中，實(shí)時(shí)向本地監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送工作互動通知、工作數(shù)據(jù)、機(jī)器人平臺狀態(tài)、機(jī)器人平臺異常等數(shù)據(jù)，并可接受本地監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出手動控制指令。遙控工作模式由操作人員手動遙控機(jī)器人平臺，完成巡視工作。

（6）遠(yuǎn)程遙控。 該功能能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，界面包含可見光視頻、紅外視頻、電子地圖、車體控制、云臺控制等。其中可見光視頻、紅外視頻等模塊能夠相關(guān)相機(jī)所拍攝的實(shí)時(shí)畫面，從而了解機(jī)器人運(yùn)行是否正常；若機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)， 操作人員通過電子地圖能夠直接查看機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，獲取機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置；車體控制能夠遠(yuǎn)程操控機(jī)器人的巡檢方向以及狀態(tài)，如前進(jìn)、后退、停止等；云臺控制則能夠操控云臺運(yùn)行方位。

總之， 通過遠(yuǎn)程界面能夠?qū)崟r(shí)查詢和掌握機(jī)器人的運(yùn)行情況，具有較強(qiáng)的巡檢功能，通過鼠標(biāo)對機(jī)器人進(jìn)行遙控，遙控的過程中為了保證機(jī)器人的安全，可以通過可見光視頻和紅外視頻來觀察機(jī)器人當(dāng)前周邊的環(huán)境。 遙控機(jī)器人到合適位置，通過界面控制云臺運(yùn)動，使得高清相機(jī)和紅外相機(jī)能夠?qū)?zhǔn)需要巡視的設(shè)備。

2 路徑規(guī)劃

巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃是難點(diǎn)同時(shí)也是重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)需要借助傳感技術(shù)， 以便能夠精準(zhǔn)識別所處地理環(huán)境，并通過科學(xué)合理的規(guī)范手段，對機(jī)器人巡檢路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后結(jié)合機(jī)械特性，依托智能技術(shù)確保機(jī)器人按照既定路線移動[2]。 與家居機(jī)器人相比，升壓站機(jī)器人所處環(huán)境更加惡劣，噪音大、干擾強(qiáng)，在巡檢過程中需要避開各種線路和設(shè)備， 因此巡檢路徑要精準(zhǔn)， 提高路徑準(zhǔn)確性，以免因觸碰設(shè)備造成不必要的安全事故。

為進(jìn)一步提高升壓站機(jī)器人巡檢效率， 配備有兩類傳感器，即激光傳感器和超聲波傳感器，可以對機(jī)器人的移動位置和速率進(jìn)行實(shí)時(shí)定位， 且當(dāng)機(jī)器人靠近障礙物時(shí)還會發(fā)送預(yù)警，從而有效避開障礙物，其路徑規(guī)劃功能見圖1。 在傳感技術(shù)支持下，機(jī)器人能夠獲悉自己的移動位置和速率，掌握周圍環(huán)境，從而根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑確定前進(jìn)方向[3]。 機(jī)器人在對升壓站進(jìn)行巡檢時(shí)，機(jī)器人通過通信網(wǎng)絡(luò)可與升壓站系統(tǒng)互通相連，實(shí)現(xiàn)信息共享。機(jī)器人可以將通過圖像傳感器收集的升壓站信息上傳至智能輔助系統(tǒng)，同時(shí)還能從系統(tǒng)獲取升壓站巡檢路徑相關(guān)信息。

隨著智能升壓站應(yīng)用的普及， 以及各類信息技術(shù)的發(fā)展，升壓站環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，因此對機(jī)器人巡檢路徑規(guī)劃提出了全新要求。 要求機(jī)器人不僅能夠根據(jù)升壓站現(xiàn)有路徑進(jìn)行巡檢，同時(shí)還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)巡檢路線中的障礙物，從而很好的避開， 并能根據(jù)升壓站環(huán)境重新規(guī)劃出一條巡檢路徑，確保巡檢任務(wù)的順利完成。 在此過程中，需要解決好三個(gè)重要問題： ①機(jī)器人從出發(fā)點(diǎn)到目的地之間的大路徑。升壓站中各類設(shè)備、線路位置基本是固定不變的，可以明確機(jī)器人的出發(fā)位置、目標(biāo)位置等，然后結(jié)合定位系統(tǒng)、在線地圖等工具，即可確定大路徑；②機(jī)器人按照巡檢路徑前行時(shí)，若路線中存在障礙物，在繞行后如何繼續(xù)回歸原有路線，避免出現(xiàn)路徑偏差；③路徑優(yōu)化問題。對于升壓站而言，機(jī)器人巡檢路線基本不會出現(xiàn)較大變動，需要注意在偏離既定路線后如何糾偏這一問題，確保巡檢任務(wù)按時(shí)完成。

3 開發(fā)與應(yīng)用

3.1 工程概況

上海廟電廠位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟鎮(zhèn)新上海廟一號井工業(yè)廣場東側(cè)約1.5km 處。 廠址西北距上海廟能源化工基地城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)約3.5km， 西距黃河約25.0km，西北距銀川市約45.0km，東距鄂托克前旗所在地約70.0km。 廠址地貌類型為沙漠草原，草原內(nèi)砂丘分布零散，多呈條帶狀分布，植被較發(fā)育，以灌木為主，地面標(biāo)高1317～1329m（高程系統(tǒng)為1956 黃海高程基準(zhǔn)）之間，場地自然坡度約為0.5%，地形較平緩。廠址區(qū)60.0m 深度范圍內(nèi)地層主要由粉砂、細(xì)砂、粉土及粉質(zhì)粘土等組成，地質(zhì)條件良好。

采用智能機(jī)器人技術(shù)結(jié)合可視化智能巡點(diǎn)檢子系統(tǒng)，輔以“視頻+無人機(jī)”進(jìn)行自動巡點(diǎn)檢工作。 機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的路線和內(nèi)容開展巡點(diǎn)檢工作，同時(shí)利用其自學(xué)習(xí)功能積累巡點(diǎn)檢經(jīng)驗(yàn)， 用于修正巡點(diǎn)檢路線和識別重點(diǎn)區(qū)域。機(jī)器人具備攝像、拍照、圖像識別、溫度掃描、其它特殊測量檢測等功能。 將智能視頻識別技術(shù)應(yīng)用在安全生產(chǎn)上，通過在攝像頭上加裝微處理器，對監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)進(jìn)行智能分析，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)畫面中的異常情況和安全隱患，并以短信、聲音提醒等方式自動發(fā)出警報(bào)和提供有用信息，從而有效協(xié)助值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理隱患，加強(qiáng)安全生產(chǎn)。

3.2 路徑規(guī)劃策略實(shí)現(xiàn)

升壓站機(jī)器人巡檢路徑優(yōu)化涉及步驟較多，見圖2，包括升壓站智能系統(tǒng)離線路徑規(guī)劃、機(jī)器人沿路徑移動、機(jī)器人繞行障礙物等。

圖2 機(jī)器人路徑規(guī)劃策略示意圖

（1）為進(jìn)一步提高機(jī)器人巡檢升壓站的效率，智能巡檢管理系統(tǒng)依托地理信息系統(tǒng)，路徑規(guī)劃圖生成于二維平面，在明確機(jī)器人巡檢起始點(diǎn)位置后，使用離散細(xì)度粒位置點(diǎn)體現(xiàn)全部巡檢路線，生成二維巡檢路徑表[4]。

（2）經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)，將升壓站生成的二維巡檢路線標(biāo)傳輸?shù)綑C(jī)器人中，機(jī)器人將會對路徑表中各個(gè)位置對應(yīng)的含義進(jìn)行梳理，并轉(zhuǎn)換成機(jī)器人執(zhí)行命令。

（3）在路徑規(guī)劃中應(yīng)圍繞路徑尋優(yōu)需求制定相應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，通常需要考慮長度、電量消耗、安全性、時(shí)間等要素。在路徑規(guī)劃上應(yīng)建立道路網(wǎng)模型，運(yùn)用射頻識別標(biāo)簽對機(jī)器人巡檢路徑中的?？奎c(diǎn)進(jìn)行標(biāo)示。 停靠點(diǎn)分為檢測點(diǎn)和行進(jìn)點(diǎn)兩種，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)檢測點(diǎn)時(shí)將執(zhí)行巡檢任務(wù)，完成任務(wù)后繼續(xù)運(yùn)行到下一?？奎c(diǎn)。巡檢路徑最優(yōu)規(guī)劃則包括兩個(gè)部分，一是局部最短路徑，即任意兩個(gè)?？奎c(diǎn)之間的最短路徑；二是全局最短路徑，即總路徑最短的輸入的?？奎c(diǎn)最優(yōu)化組合。最優(yōu)路徑選擇應(yīng)去除多余拐點(diǎn)，找到一條最優(yōu)的無碰撞路線，確保巡檢機(jī)器人耗費(fèi)最短距離、時(shí)間和能量，從起點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。 基于柵格算法，機(jī)器人通過對比巡檢路徑表中的起始位置，分析當(dāng)前位置存在的偏移，然后自動運(yùn)行至起始位置，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的路徑完成升壓站巡檢工作。 在移動時(shí)，機(jī)器人立足當(dāng)前位置，使用柵格方式對四周方向進(jìn)行細(xì)化，柵格數(shù)據(jù)將對移動方向等信息進(jìn)行記錄，并根據(jù)行列號將機(jī)器人所在位置轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的坐標(biāo)， 即根據(jù)數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的位置來獲得具體的定位，在柵格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)柵格單元表示一個(gè)點(diǎn)，線狀地物用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示[5]。 通過柵格細(xì)化方式，能夠確保機(jī)器人按照既定路線移動。

（4）對于升壓站中巡檢線路中的障礙物情況可以通過傳感器獲得。機(jī)器人借助傳感器測量、分析和處理周圍環(huán)境狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)與周圍信息的實(shí)時(shí)交互，并通過控制系統(tǒng)對結(jié)果進(jìn)行分析， 然后根據(jù)預(yù)先編寫的程序下達(dá)對應(yīng)的指令任務(wù)[6]。

（5）根據(jù)在線地圖的巡檢路徑，對障礙物方向進(jìn)行辨別與排除，并采用切圖像法選擇最佳路徑前行，即路徑偏移最小的方向。

通過上述路徑規(guī)劃策略， 機(jī)器人在確定好升壓站巡檢移動距離、步長等信息后，就能選擇最佳的移動方向開展巡檢任務(wù)。

4 結(jié)束語

在升壓站應(yīng)用機(jī)器人開展巡檢工作，不僅能夠降低人力成本，同時(shí)還能有效避免安全事故的發(fā)生，這對于升壓站的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用， 而且亦能為升壓站的高效運(yùn)行提供有力的保障。當(dāng)前，在升壓站巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)中，路徑優(yōu)化是重難點(diǎn)。本文結(jié)合上海廟電廠實(shí)例，設(shè)計(jì)了基于傳感技術(shù)的機(jī)器人路徑規(guī)劃方案，可在升壓站巡檢路徑規(guī)劃中廣泛應(yīng)用，從而推動升壓站巡檢智能化程度，提高巡檢工作效率，減少人力、物力成本的投入，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。