基于主站仿真的巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)

王斌 卓浩澤 蔣圣超 張煒 呂澤承

收稿日期：2023-06-24

基金項目：廣西電網(wǎng)有限責任公司科技項目（GXKJXM20210296）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.017

摘? 要：巡檢機器紅外模塊的檢測目前大多采用人工方式，存在效率低難溯源的問題。文章提出一種基于主站仿真的巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)，由測控裝置、黑體輻射源、巡檢子站后臺系統(tǒng)組成。根據(jù)巡檢子站與集控主站之間的統(tǒng)一通信協(xié)議，仿真巡檢機器的主站系統(tǒng)。設計了檢測系統(tǒng)的軟件流程，實現(xiàn)由測控裝置自動控制巡檢機器完成紅外模塊的檢測工作。試驗結(jié)果表明了該系統(tǒng)的可行性，具有較高的自動化程度，提高了巡檢機器紅外模塊檢測的效率，適用于大批量的檢測工作。

關鍵詞：巡檢機器；紅外模塊檢測；主站仿真；REST構(gòu)架；自動檢測

中圖分類號：TP242；TM63? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）04-0084-04

Infrared Module Detection System of Inspection Machine Based on

Master Station Simulation

WANG Bin， ZHUO Haoze， JIANG Shengchao， ZHANG Wei， LYU Zecheng

（Guangxi Key Laboratory of Intelligent Control and Maintenance of Power Equipment， Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Nanning? 530023， China）

Abstract： At present， the detection of the infrared module of inspection machine mostly adopts manual method， which has the problem of low efficiency and difficult to trace the source. This paper proposes an infrared module detection system of inspection machines based on master station simulation， which consists of the measurement and control device， black body radiation source， and background system of inspection substations. According to the unified communication protocol between the inspection substation and the centralized control master station， the master station system of the inspection machine is simulated. The software flow of the detection system is designed to realize the automatic control of the inspection machine by the measurement and control device to complete the detection work of the infrared module. The test results show the feasibility of the system， which has a high degree of automation， improves the detection efficiency of the infrared module of the inspection machine， and is suitable for large-scale detection work.

Keywords： inspection machine; infrared module detection; master station simulation; REST framework; automatic detection

0? 引? 言

隨著數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的智能變電站使用巡檢機器進行定期巡檢工作。巡檢機器配有紅外任務設備、可見光相機、拾音器等檢測設備與各種智能傳感器裝置，通過固定的巡檢線路，自主地進行變電站內(nèi)一次、二次設備的巡視工作[1]。

紅外模塊是巡檢智能機器人的重要模塊之一，變電站一次設備的紅外測溫數(shù)值代表著設備運行時的發(fā)熱程度，巡檢機器紅外模塊的準確率影響著巡檢人員判斷設備是否正常運行[2]。隨著越來越多的巡檢機器投入變電站巡檢工作中，實驗室和實際現(xiàn)場都亟須對大量的巡檢機器紅外模塊進行入網(wǎng)測試、周期檢驗等工作。

目前，國內(nèi)針對巡檢機器紅外模塊的檢測主要采用人工方式，由測試人員手動設置黑體源溫度，再操作巡檢機器對黑體輻射源進行紅外測溫，最后手動計算紅外測溫誤差判斷紅外模塊是否合格。人工測試方式需要測試人員具有熟練的巡檢機器操作技巧，并時刻控制好測試流程的進展?，F(xiàn)有人工檢測方法存在自動化程度低，檢測效率較低的問題。

為解決上述問題，本文基于仿真主站設計一種巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)，具有閉環(huán)的紅外溫度數(shù)據(jù)傳遞鏈。在設定好指定紅外溫度后，由系統(tǒng)的測控裝置自動控制黑體輻射源發(fā)熱，再通過仿真主站控制巡檢機器進行紅外測溫作業(yè)，最后比較測溫數(shù)據(jù)和設定溫度間的誤差。該巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)具有較高的自動化程度，能夠提高檢測效率，完成批量的檢測工作。

1? 系統(tǒng)硬件設計

巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由黑體輻射源、集控子站后臺系統(tǒng)（巡檢機器后臺系統(tǒng)）、測控裝置組成。紅外溫度值數(shù)據(jù)由測控裝置下發(fā)給黑體輻射源，巡檢機器紅外模塊對黑體輻射源進行紅外測溫，將紅外測溫值上傳至集控子站后臺系統(tǒng)，集控子站后臺系統(tǒng)再將紅外測溫值上傳至測控裝置，最終由測控裝置比較巡檢機器紅外測溫值與最初紅外溫度設定值之間的誤差。紅外溫度數(shù)據(jù)在此結(jié)構(gòu)中為一個閉環(huán)流動，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了巡檢機器紅外模塊的自動化檢測。

圖1? 巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1? 黑體輻射源

黑體輻射源是一種用于檢定或校準輻射溫度計、具有穩(wěn)定控制的溫度和明確的發(fā)射率、且熱輻射特性接近于黑體的凹形裝置[3]。巡檢機器在巡檢過程中紅外識別的對象一般是室外的變壓器等設備，溫度范圍在30～120 ℃，所以本文采用中溫黑體輻射源。黑體輻射源可通過人機交互界面或RS232通信接口設定指定溫度值，由自身PID控制達到穩(wěn)定均勻的溫度輻射[4]。

1.2? 集控子站后臺管理系統(tǒng)

集控子站后臺管理系統(tǒng)主要功能有機器人遠程控制、巡檢監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、狀態(tài)燈監(jiān)控、儀表監(jiān)控、巡檢任務、音視頻管理、告警中心、機器人語音配置、IDC資產(chǎn)中心等[5]。集控子站后臺管理系統(tǒng)與巡檢機器之間采用無線通信方式，且每個巡檢機器廠家所采用的通信協(xié)并不統(tǒng)一，屬于各廠家的私有通信協(xié)議[6]。本文的集控子站后臺管理系統(tǒng)配置在試驗場地，通過有線光纖與測控裝置連接，接收測控裝置下發(fā)的紅外測溫任務，以及上次巡檢機器的紅外測溫結(jié)果數(shù)據(jù)。

1.3? 測控裝置

測控裝置由CPU處理器、以太網(wǎng)芯片、MAX232芯片、顯示器、鍵盤鼠標等組成。測控裝置的RS232接口可與黑體輻射源連接，RJ45接口可與巡檢機器集控子站后臺管理系統(tǒng)相連。測控裝置是整個系統(tǒng)測試流程的控制核心，并可仿真巡檢機器集控主站的運行。集控主站仿真程序與集控子站后臺管理系統(tǒng)實時交互，負責下發(fā)紅外測溫任務給集控子站后臺管理系統(tǒng)，以及接收回傳的巡檢機器紅外測溫結(jié)果。

2? 系統(tǒng)軟件設計

2.1? 巡檢機器集控主站仿真

巡檢機器對被測物體進行紅外測溫后，紅外測溫結(jié)果數(shù)據(jù)將通過2個網(wǎng)絡傳輸?shù)郊刂髡鞠到y(tǒng)，依次是集控子站與巡檢機器之間的無線通信網(wǎng)絡、集控子站與集控主站之間的有線網(wǎng)絡。集控子站與巡檢機器之間的無線通信網(wǎng)絡又各個巡檢機器廠家制定，屬于未統(tǒng)一的私有協(xié)議，因此在該網(wǎng)絡下解析巡檢數(shù)據(jù)比較困難。集控子站與集控主站之間的有線網(wǎng)絡通信協(xié)議由國家電網(wǎng)制定，通信協(xié)議統(tǒng)一，各種廠家的巡檢機器子站系統(tǒng)與其適配。因此可根據(jù)此網(wǎng)絡的通信協(xié)議，解析巡檢子站發(fā)送給主站的報文，得到巡檢機器的紅外測溫數(shù)據(jù)。

巡檢機器集控子站與集控主站之間的有線網(wǎng)絡通信協(xié)議采用HTTP協(xié)議，屬于應用層協(xié)議。該協(xié)議考慮了子站與主站之間通信協(xié)議的模塊化、服務化，方便實現(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的集成，因此網(wǎng)絡接口API采用REST構(gòu)架形式。REST全稱Representational State Transfer，是一種架構(gòu)原則，該構(gòu)架將Web服務視為資源，可以由其URL唯一標識。RESTful Web服務的關鍵特點是明確使用HTTP方法來實現(xiàn)資源CURD操作[7]。巡檢機器集控主站與集控子站的數(shù)據(jù)接口架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2? 集控主站與子站間數(shù)據(jù)接口架構(gòu)圖

巡檢機器集控子站與集控主站之間交換的數(shù)據(jù)包格式為采用UTF-8編碼的JSON（JavaScript Object Notation）格式，是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式[8]。數(shù)據(jù)包按類型可分為請求數(shù)據(jù)包和應答數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容包含協(xié)議頭和數(shù)據(jù)包兩個部分，其中協(xié)議頭的內(nèi)容是固定的。對于媒體文件，包括可見光、紅外抓拍圖片、錄音文件等文件，采用FTP或SFTP方式由子站上傳至主站。

巡檢機器集控子站與集控主站之間按照需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，可將HTTP接口分為基礎支持接口、巡檢機器管理數(shù)據(jù)接口、巡檢任務管理數(shù)據(jù)接口、巡檢數(shù)據(jù)接口、文件接口共7大類。

1）基礎支持接口。定義了主站接入子站的交互基礎接口，目前主要包括子站接入服務、服務探測接口、服務配置信息交互接口等。

2）變電站信息數(shù)據(jù)接口。定義了變電站信息數(shù)據(jù)獲取接口，目前主要包括變電站信息和地圖獲取接口。

3）巡檢機器管理數(shù)據(jù)接口。子站將機器人各種狀態(tài)信息實時主動上送主站；主站可主動查詢機器人實時狀態(tài)信息和發(fā)送機器人控制指令。

4）巡檢任務管理接口。集控主站主動向子站下發(fā)巡檢計劃。

子站向主站主動上送當前任務信息，并提供歷史任務查詢接口。

5）巡檢數(shù)據(jù)接口。子站將巡檢數(shù)據(jù)主動上送主站，數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和可見光、紅外圖片、錄音文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用子站實時主動上送至主站方式，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用實時上傳或集控定時召喚站端上傳的方式異步延遲傳輸。

6）視音頻接口。視音頻流數(shù)據(jù)主要是指巡檢機器實時、歷史視音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接口采用標準RTSP協(xié)議。

7）文件接口。采用FTP協(xié)議將文件上傳到主站指定目錄下，上傳的文件類型包括地圖文件、巡檢可見光、紅外圖片、錄音文件等。

按照上述通信協(xié)議中定義的接口HTTP地址和JSON數(shù)據(jù)格式，采用Qt開發(fā)并實現(xiàn)可運行于Linux系統(tǒng)下的通用巡檢集控主站仿真程序。該仿真程序模擬巡檢集控主站，通過調(diào)用巡檢集控子站的REST API接口，下發(fā)巡檢紅外測溫任務給巡檢子站系統(tǒng)。同時，集控主站仿真程序?qū)崿F(xiàn)的主站REST API接口可被集控子站系統(tǒng)調(diào)用，實時接收并解析集控子站系統(tǒng)發(fā)送的紅外測溫數(shù)據(jù)包。

2.2? 巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)流程設計

本文以仿真巡檢集控主站為核心，對巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)進行流程設計，流程圖如圖3所示。

圖3? 巡檢機器紅外模塊檢測軟件流程圖

首先，巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)啟動巡檢集控主站仿真程序。然后，系統(tǒng)通過該RS-232通信接口給黑體輻射源下發(fā)溫度設定的指令，將輻射源溫度設定為指定值。等待輻射源量值穩(wěn)定后，主站仿真程序通過巡檢任務管理API接口，發(fā)送紅外測溫的巡檢指令給巡檢集控子站，控制被測巡檢機器使用紅外相機對黑體輻射源進行紅外測溫作業(yè)。接著，主站仿真程序等待巡檢機器完成對輻射源的紅外測溫作業(yè)，通過巡檢數(shù)據(jù)API接口，接收巡檢集控子站主動上傳的紅外測溫結(jié)果JSON數(shù)據(jù)包，解析出巡檢機器紅外測溫數(shù)據(jù)。最后，比較輻射源的設定溫度值與巡檢機器的紅外測溫作業(yè)結(jié)果值，計算巡檢機器紅外模塊的測量誤差是否符合要求。

根據(jù)變電站巡檢機器檢測技術規(guī)范和工作用輻射溫度計標準中的紅外測溫準確率規(guī)定[9，10]，巡檢機器紅外模塊的測量誤差計算方法為：

式中tT為巡檢機器紅外測溫值，tN為輻射源溫度設定值。當 ，則認為被測電力巡檢機器紅外模塊性能合格。

3? 實驗與研究

為驗證本文提出的基于主站仿真的巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)的可行性和高效性，設定試驗對一臺待測變電站巡檢機器進行測試。首先在巡檢子站系統(tǒng)中設定好固定的紅外巡檢線路，將黑體源放置在巡檢線路的終端。確保巡檢機器在執(zhí)行巡檢任務時，紅外攝像頭正對黑體輻射源，并保持距離為5米。

在測控裝置軟件客戶端上設定10組不同的溫度設定值（30～120 ℃），如圖4所示，點擊開始測試，由測控裝置控制黑體輻射源和巡檢機器依次進行10次紅外測溫準確率試驗。最后將巡檢機器的實時測量值與黑體輻射源設置值進行比較，對于測量精度不低于±2 ℃或測量值乘以±2%中的絕對值大者，判定為機器人實時測量值滿足要求。10組紅外測溫結(jié)果的準確率均應≥80%，即滿足要求的機器人實時測量值應≥8。

紅外測溫正確率試驗結(jié)果如表1所示，被測巡檢機器完成10組不同溫度值的紅外測溫。其中有1組試驗結(jié)果的誤差不滿足要求，總體測溫正確率為90%，滿足準確率≥80%性能要求，最終判斷被測巡檢機器的紅外模塊為合格。通過10組不同溫度的紅外測溫試驗，驗證了本自動測試系統(tǒng)的可行性。并且測試過程只需在監(jiān)控裝置中設定好10組不同的溫度值，其余控制黑體輻射源和巡檢機器的操作由系統(tǒng)自動完成，減少了人工參與，具有較高的自動化程度。

圖4? 巡檢機器紅外模塊檢測軟件客戶端

表1? 巡檢機器紅外測溫試驗結(jié)果

試驗序號 紅外溫度

設定值/ ℃ 紅外測溫

實際值/ ℃ 誤差Δt / ℃ 是否滿足要求

1 30 29 1 滿足

2 40 36 4 滿足

3 50 48.4 1.6 滿足

4 60 58.2 1.8 滿足

5 70 68.3 1.7 滿足

6 80 79.6 0.4 滿足

7 90 88.4 1.6 滿足

8 100 96.8 3.2 不滿足

9 110 109.6 0.4 滿足

10 120 117.8 2.2 滿足

4? 結(jié)? 論

本文設計了基于主站仿真的巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)，通過一組紅外溫度值的測試，驗證了巡檢機器紅外模塊檢測系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)的測試流程由測控裝置自動控制完成，減少了人工參與，提高了巡檢機器紅外測溫試驗的效率，使紅外測溫試驗過程流程化、規(guī)范化，可適用于批量的測試工作。本文設計的系統(tǒng)目前僅考慮了巡檢機器的紅外模塊測試，未來可擴展至其他功能模塊的測試，比如可見光巡檢能力檢測。測試系統(tǒng)采用的裝置較多，涉及的有線通信網(wǎng)絡需要在室內(nèi)搭建，尚未考慮室外環(huán)境下的測試，未來仍需改進以提高系統(tǒng)的便攜性，方便巡檢子站室外環(huán)境下的測試工作。

參考文獻：

[1] 劉佳敏.智能巡檢機器人的應用現(xiàn)狀及優(yōu)化提升 [J].電子產(chǎn)品世界，2022，29（6）：16-17+70.

[2] 蔡煥青，邵瑰瑋，胡霽，等.變電站巡檢機器人應用現(xiàn)狀和主要性能指標分析 [J].電測與儀表，2017，54（14）：117-123.

[3] 李超，張玉國，劉保煒，等.目標輻射特性現(xiàn)場校準用大面積黑體輻射源技術研究 [J].應用光學，2021，42（2）：292-298.

[4] 張玉國，孫紅勝，王加朋，等.寬溫度范圍大口徑高精度變溫標準黑體輻射源研制 [J].宇航計測技術，2022，42（3）：18-23.

[5] 于景，周國平.變電所軌道式巡檢機器人控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) [J].制造業(yè)自動化，2022，44（11）：123-127.

[6] 錢平，徐街明，張永，等.變電站巡檢機器人監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術與應用功能設計 [J].電力信息與通信技術，2017，15（12）：19-24.

[7] 周芯宇，陳偉，吳國全，等.REST API設計分析及實證研究 [J].軟件學報，2022，33（9）：3271-3296.

[8] 周鈾，王金生，汪建敏，等.一種基于JSON傳輸?shù)腎EC61850網(wǎng)分動態(tài)模型技術 [J].自動化技術與應用，2018，37（7）：68-71+88.

[9] 國家能源局.變電站巡檢機器人檢測技術規(guī)范：DL/T 2239-2021 [S].北京：中國電力出版社，2021.

[10] 全國溫度計量技術委員會.工作用輻射溫度計檢定規(guī)程：JJG 856-2015 [S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2016.

作者簡介：王斌（1988—），男，瑤族，廣西全州人，工程師，碩士，研究方向：電測熱工計量測試技術研究；卓浩澤（1986—），男，漢族，安徽靈璧人，高級工程師，碩士，研究方向：電學計量技術研究；蔣圣超（1988—），男，瑤族，廣西資源人，工程師，碩士，研究方向：高電壓與絕緣技術研究；張煒（1983—），男，漢族，安徽樅陽人，高級工程師，碩士，研究方向：電力設備狀態(tài)監(jiān)測評價技術研究；呂澤承（1972—），男，壯族，廣西武鳴人，高級工程師，碩士，研究方向：高壓測試技術研究。