變電站室內(nèi)巡檢機器人系統(tǒng)研究與應用

王智杰 李永生 牛碩豐 賈斌 閆靜靜 馮飛 曹淑英

摘 要：在復雜空間環(huán)境和強電磁干擾下，研發(fā)一套室內(nèi)巡檢機器人系統(tǒng)，改進機器人室內(nèi)圖像識別方法，提出室內(nèi)巡檢機器人本體設(shè)計、軌道系統(tǒng)設(shè)計、通信系統(tǒng)設(shè)計以及室內(nèi)安裝方案，基于軌道系統(tǒng)和移動平臺，集成紅外和可見光檢測裝置，通過自主或遙控方式，實現(xiàn)室內(nèi)設(shè)備的巡視，利用智能分析模塊實現(xiàn)設(shè)備異常的自動判斷并告警。解決了室內(nèi)設(shè)備缺乏有效巡檢手段的問題，在一定程度上可代替變電站運維人員進行日常巡視，并通過HZ變電站室內(nèi)巡檢機器人的應用，驗證方案的可行性。

關(guān)鍵詞：巡檢機器人;S曲線軌道;室內(nèi)智能巡檢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.153

0 引言

目前，國家電網(wǎng)公司已投運17個跨區(qū)直流輸電工程，建設(shè)31座換流站，輸送容量已達6886萬千瓦，直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行關(guān)系整個電網(wǎng)的安全。針對變電站的運行維護，目前基于站內(nèi)全局路徑規(guī)劃的變電站機器人巡檢已得到推廣應用[1-4]。而直流換流站內(nèi)換流閥、水冷卻系統(tǒng)、高壓套管等直流輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，由于對運行環(huán)境較高，均布置于封閉的戶內(nèi)環(huán)境中。受限于室內(nèi)空間的不規(guī)則布局及強電磁干擾，目前巡檢手段仍非常有限，僅能依靠少量監(jiān)控設(shè)備作為輔助巡檢，巡檢結(jié)果的客觀性缺乏保障，巡檢數(shù)據(jù)無法及時、準確的錄入信息管理系統(tǒng)。由于巡檢手段的局限性，導致運維人員無法及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和隱患，國內(nèi)換流站曾發(fā)生由于換流閥失火未及時發(fā)現(xiàn)導致全部核心部件損毀，直接經(jīng)濟損失達數(shù)億元，間接經(jīng)濟損失更是難以估量，嚴重影響社會和諧穩(wěn)定。

在上述背景下，有必要研究一種結(jié)構(gòu)緊湊可靠，能夠在閥廳、戶內(nèi)直流場、繼電小室、閥水冷室等強電磁、狹窄空間內(nèi)長時間持續(xù)穩(wěn)定運行，且能夠精確識別、精確檢測的室內(nèi)軌道式巡檢機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)戶內(nèi)設(shè)備全覆蓋巡視，及時發(fā)現(xiàn)室內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)，代替人工巡檢，提高巡檢效率。

1 系統(tǒng)組成

本文研發(fā)室內(nèi)多維軌道式巡檢機器人系統(tǒng)，集成紅外和可見光檢測裝置，基于運動控制模塊和室內(nèi)軌道實現(xiàn)機器人的自動巡檢及控制，自動讀取室內(nèi)設(shè)備溫度、開關(guān)分合狀態(tài)以及儀表讀數(shù)等，通過電力載波將檢測信息上傳監(jiān)控主站系統(tǒng)，利用智能分析模塊實現(xiàn)設(shè)備異常的自動判斷并告警。通過系統(tǒng)匯總的數(shù)據(jù)及智能分析進行報警信息的推送、機器人巡檢控制、業(yè)務數(shù)據(jù)管理等服務，應用于室內(nèi)運維。

系統(tǒng)采用站控層和終端層兩層架構(gòu)。站控層由監(jiān)控主站及智能控制與數(shù)據(jù)分析軟件組成;終端層為室內(nèi)機器人，室內(nèi)機器人包括閥廳、戶內(nèi)直流場、繼電小室、閥水冷戶內(nèi)的組合式空中軌道機器人，室內(nèi)機器人包括軌道系統(tǒng)和機器人本體兩部分。架構(gòu)如圖1.1所示。

數(shù)據(jù)采集由終端機器人完成，包括移動站主機和監(jiān)控裝置，可完成紅外圖像采集、可見光圖像采集、狀態(tài)信息采集、導航信號采集、其他傳感器信號采集以及運動控制。

監(jiān)控主站匯總終端機器人上傳的檢測信息，利用基于局部特征的圖像處理技術(shù)實現(xiàn)狀態(tài)識別、儀表讀數(shù)等，通過智能分析和控制模塊實現(xiàn)設(shè)備異常的自動識別及告警。系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖1.2所示。

檢測功能：通過集成的紅外和可見光傳感器檢測變電站室內(nèi)設(shè)備外觀、發(fā)熱缺陷、開關(guān)狀態(tài)。

自動巡航功能：基于軌道系統(tǒng)和規(guī)劃任務自動巡視。

分析告警功能：基于閾值的設(shè)備異常狀態(tài)識別及自動報警。

控制功能：運維人員可在監(jiān)控主站查看巡視記錄，同時可對巡檢機器人進行手動控制或自動規(guī)劃指令下發(fā)，實現(xiàn)室內(nèi)設(shè)備巡視的遠方操作。

2 基于局部特征的圖像識別技術(shù)研究

目前智能巡檢機器人在數(shù)據(jù)采集、控制、傳輸?shù)确矫婕夹g(shù)已經(jīng)比較成熟[1-3]。但對于室內(nèi)設(shè)備，機器人巡檢時需外加光源，導致光亮不均勻影響圖像的識別，因此，本文基于室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢的特點，以戶內(nèi)開關(guān)、儀表為例簡要說明基于局部特征的圖像處理技術(shù)及應用。

2.1 戶內(nèi)弱光下去除陰影和光暈的方法

對圖像進行多尺度Retinex增強，進而采用mean sift濾波進行有限次迭代，消除噪聲點，平滑圖像。采用光照歸一化方法去除低光陰區(qū)域，通過OTSU閾值分割圖像，得到二值化圖像繼續(xù)處理。可將弱光下的陰影及光暈有效去除，保留更多有效信息，效果如圖2.1和2.2所示。

2.2 戶內(nèi)數(shù)字儀表圖像識別

充分利用圖像所攜帶的顏色信息，提取R分量，設(shè)定閾值轉(zhuǎn)化為二值圖像，利用腐蝕方法預處理，消除孤立點和小區(qū)域塊的干擾;利用投影法定位并分割出每個字符;最后利用sift算法[6]檢測特征點匹配，獲得結(jié)果，算法具有適用性和魯棒性。采用算法后的識別效果如圖所示。

2.3 戶內(nèi)開關(guān)狀態(tài)圖像識別

現(xiàn)場采集圖像：

圖像標定方法：

算法處理過程：

圖像識別結(jié)果：

3 巡檢機器人設(shè)計及應用

3.1 機器人本體設(shè)計

機器人本體包括云臺、檢測組件、線、升降機構(gòu)，利用機械對接方式實現(xiàn)本體與軌道的連接。檢測組件包括可見光攝像機，升降機構(gòu)可以實現(xiàn)機器人的豎直方向上的運動。如圖所示。

檢測組件通過雙通道視頻采集模塊實現(xiàn)戶內(nèi)設(shè)備的檢測。由視頻服務器板卡、高清攝像機、紅外熱像儀、云臺等組成，檢測元件將采集的圖像、視頻信息通過視頻服務器壓縮后，經(jīng)由通訊設(shè)備傳送到后臺顯示。總體結(jié)構(gòu)如圖所示。

操作人員可通過監(jiān)控主站向PTZ發(fā)送控制命令，且PTZ可以設(shè)置多個預置位，當下次執(zhí)行設(shè)備檢測時可直接調(diào)用預置位，預設(shè)零點存儲在PTZ控制板中。視頻服務器可以將檢測組件采集的視頻信息和圖像信息傳給后臺機，監(jiān)控主站實時顯示監(jiān)測畫面，以備相關(guān)人員進行后續(xù)分析。