應(yīng)用RFID技術(shù)的新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化

徐 波，林 謀

(國網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌 330096)

21世紀以來，各種工業(yè)發(fā)展十分迅速，電力在企業(yè)中扮演著十分重要的角色。尤其是有關(guān)新能源供電方面的內(nèi)容，更是引起社會的廣泛關(guān)注，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)方式進行巡檢，不僅會造成大量的人力和物力浪費，同時也無法滿足現(xiàn)階段的發(fā)展需求。為了實現(xiàn)巡檢工作的自動化以及智能化，在能源供電區(qū)域中引入巡檢機器人輔助或者代替人工進行巡檢，可以有效避免傳統(tǒng)巡檢方式存在的不足[1-2]。確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是全部國家和人民的迫切需求，新能源供電區(qū)域作為電力系統(tǒng)的重要支點，對其進行有效的巡檢具有十分重要的意義。

國外相關(guān)專家針對新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢方面進行了深入研究，同時將立體視覺技術(shù)應(yīng)用到巡檢機器人上，有效提升智能化程度。Alhassan A B等[3]介紹了輸電線路檢測機器人(PTLIRs)的全面回顧和發(fā)展趨勢，重點介紹了2008—2019年的最新研究成果，廣泛討論了檢查機器人的結(jié)構(gòu)、操作和限制，即爬升、飛行和混合(爬升飛行)機器人。國內(nèi)相關(guān)專家也進行了大量研究，王洪斌等[4]分析路徑以及周邊環(huán)境情況，使用改進的人工勢場方法對機器人進行局部路徑規(guī)劃，最終通過自適應(yīng)步長調(diào)節(jié)算法對機器人的步長進行動態(tài)優(yōu)化，完成機器人路徑規(guī)劃。在以上方法的基礎(chǔ)上，提出一種應(yīng)用RFID技術(shù)的新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方法。實驗測試表明，所提方法可以獲取最佳機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方案。

1 方法

1.1 應(yīng)用RFID技術(shù)的機器人定位

RFID系統(tǒng)主要是由閱讀器[5-6]、標(biāo)簽和數(shù)字處理系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of RFID system

RFID系統(tǒng)的詳細的操作步驟[7-10]：①發(fā)射射頻信號。主要采用天線或者閱讀器向周圍空間發(fā)射一定頻率的射頻信號。②電子標(biāo)簽激活。在作用區(qū)域內(nèi)當(dāng)有標(biāo)簽進入后，通過天線將信息傳輸出去。③發(fā)送和接收標(biāo)簽信息。標(biāo)簽被激活后，需要將自身編碼信息利用天線傳輸出去；標(biāo)簽發(fā)送的信息被閱讀器接收到并進行解碼，然后將其傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò)。本文使用的閱讀器是無線手持閱讀器，如圖2所示。④處理標(biāo)簽信息。后臺網(wǎng)絡(luò)中的主機會對不同身份的合法性進行鑒定，假設(shè)合理，則直接對其相關(guān)處理；反之，則不對其進行任何處理[11-15]。

圖2 無線手持閱讀器Fig.2 Wireless handheld reader

采用粒子群算法[16-17]對模型中的參數(shù)進行辨識，完成機器人定位，詳細的操作步驟：①計算標(biāo)簽和機器人所在位置之間的距離；②確定目標(biāo)函數(shù)，同時對PSO算法中的全部參數(shù)進行初始化處理；③計算各個粒子的適應(yīng)度值；④對個體最優(yōu)位置進行調(diào)整，同時重新計算粒子位置和速度；⑤判斷算法是否滿足終止條件，假設(shè)是，則輸出最優(yōu)解，反之，則返回至步驟③。

1.2 新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化

新能源供電機器人想要實現(xiàn)自主巡檢，需要對新能源供電區(qū)域周邊環(huán)境進行建模，利用圖3給出機器人和工作環(huán)境之間的關(guān)系。

圖3 機器人和工作環(huán)境之間的關(guān)系分析Fig.3 Analysis of relationship between robot and working environment

柵格地圖[18-19]被廣泛應(yīng)用于地圖構(gòu)建過程中，需要將新能源供電區(qū)域劃分為大小相同的柵格單元，分別采用不同數(shù)字代表不同的柵格單元。

特征地圖是指對機器人工作區(qū)域的環(huán)境信息進行采集和處理，同時在環(huán)境信息中獲取一些比較簡單的幾何特征，例如點或者線等。將全部特征通過抽象出來的幾何特征進行描述，進而完成新能源供電區(qū)域的地圖模型。幾何特征地圖就是通過給定的坐標(biāo)系以及抽象出的幾何形狀等不同參數(shù)構(gòu)成。

通過以上分析，需要對機器人的工作環(huán)境進行建模，借助激光雷達對新能源供電區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進行感知。通過激光脈沖不斷掃描，可以獲取工作環(huán)境中全部物體的數(shù)據(jù)點，利用SLAM技術(shù)即可獲取準(zhǔn)確的環(huán)境地圖模型。詳細的地圖構(gòu)建過程：①分析新能源供電區(qū)域的環(huán)境狀況，構(gòu)建全局坐標(biāo)系，將空間平面劃分為多個不同的柵格，同時將機器人的初始運動點設(shè)定為整個區(qū)域的坐標(biāo)原點。②對設(shè)備進行初始化處理，同時開啟激光雷達器，實現(xiàn)激光雷達初始化處理。③采集新能源供電區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，同時測量障礙物和不同設(shè)備之間的距離，準(zhǔn)確記錄各個障礙物的坐標(biāo)信息。④在機器人進行巡檢的過程中，將激光雷達獲取的掃描信息和路程信息進行有效融合，得到機器人的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置。同時將獲取的激光技術(shù)加入到柵格地圖中，重復(fù)上述操作過程，直至完成完整場景地圖的建立。⑤采用激光雷達的初始檢測，將n個數(shù)據(jù)點全部投影到規(guī)模為m×n個柵格中，計算各個柵格被使用的概率wi。⑥當(dāng)完成全部新能源供電區(qū)域的掃描之后，進行數(shù)據(jù)融合，獲取物體的準(zhǔn)確位置信息。⑦完成完整新能源區(qū)域地圖的構(gòu)建。

通過上述分析，對地圖中的特定形狀障礙物進行“膨化”或者“填平”處理，同時構(gòu)建機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化模型，通過改進的煙花算法對模型進行求解。

2 仿真實驗

為了驗證所提應(yīng)用RFID技術(shù)的新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方法的有效性和可行性，需要從以下幾方面內(nèi)容進行測試和分析。

在實驗前，確定機器人節(jié)能巡檢應(yīng)用場景為某新能源供電區(qū)域，機器人巡檢現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 機器人巡檢現(xiàn)場Fig.4 Robot patrol site

在新能源供電區(qū)域中共設(shè)定10個道路節(jié)點以及15條道路，同時在路網(wǎng)附近設(shè)定10個測溫點，其中道路節(jié)點和測溫點的具體坐標(biāo)見表1。

表1 新能源供電區(qū)域道路節(jié)點和測溫點坐標(biāo)位置Tab.1 Coordinate positions of road nodes and temperature measurement points in the new energy power supply area

選取MATLAB作為測試平臺，獲取的新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方案Fig.5 Optimization scheme of robot energy-saving inspection mode in new energy power supply area

為了驗證所提方法的優(yōu)越性，需要選取最短路徑，將3條比較典型的測試路徑進行對比分析，具體結(jié)果如圖6所示。①路徑1。D6→D5→D3→D7→D6。②路徑2。D6→D1→D2→D3→D8→D7→D6。③路徑3。D6→D5→D4→D3→D7→D6。

分析圖6可知，路徑1的整體長度明顯短于另外2種路徑，且總用時也明顯低于另外2種路徑。

圖6 路徑長度和時間代價測試結(jié)果Fig.6 Path length and time cost test results

分析3條路徑的能量損耗情況，具體測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，采用路徑1進行巡檢過程中所消耗的能量明顯低于另外2條路徑，由此可見，路徑1為最佳巡檢路徑。

圖7 不同路徑的能量消耗Fig.7 Energy consumption of different paths

綜合分析以上實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法可以快速獲取新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方案，同時還能夠有效減少路徑上的能量消耗，以更短的時間完成巡檢工作。所提方法采用RFID技術(shù)對機器人進行定位，可以實時掌握機器人的位置，方便對機器人巡檢路徑進行有效調(diào)整，進而達到節(jié)能的目的。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)方法存在的一系列問題，結(jié)合RFID技術(shù)，提出一種應(yīng)用RFID技術(shù)的新能源供電區(qū)域機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方法。經(jīng)實驗測試證明，所提方法可以有效減少巡檢時間以及能量消耗，同時還能夠獲取更加滿意的機器人節(jié)能巡檢模式優(yōu)化方案。