基于物聯網的無人值守機房智能巡檢管理模式研究

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(海南電網信息通信分公司，海南 海口 570100)

0 引言

自動化機房是保障電力供應的重要環節，機房設備的安全穩定運行是確保電網安全可靠運行的關鍵，因此有必要及時準確地掌握機房設備的運行狀態，而機房設備巡檢能夠及時發現機房設備的異常隱患和缺陷[1-2]。當前大部分自動化機房采用人員現場值守模式，且自動化機房的巡檢方式采用的是人工巡檢方式，主要是通過值班工作人員手動攜帶檢測終端對機房設備進行檢測。由于自動化機房設備點多面廣，增加了人工巡檢方式的工作量和難度，同時人工巡檢方式容易受工作人員主觀因素影響，從而導致可靠性差以及效率低等問題，且很多機房設備存在的故障隱患難以直觀被發現[3-4]。

針對上述自動化機房設備巡檢所面臨的問題和挑戰，目前被廣泛應用的方法之一是遠程無人值守的智能巡檢方式[5-6]。隨著物聯網技術的快速發展，將電力物聯網技術與自動化機房設備巡檢相結合，給自動化機房值守模式和設備巡檢模式帶來了新的方式。目前，物聯網技術在信息感知、信息存儲、信息傳輸和信息處理方面具有獨特的優勢，其具有全面狀態感知、快速靈活組網、高效信息融合、通信方式靈活、信息高速處理、應用方便靈活和智能化程度高等基本特征，在工業應用領域應用廣泛[7-8]。但是與電力系統領域的物聯網技術相比，自動化機房無人值守和設備巡檢在管理和控制方面具有一定的差異性。將物聯網技術應用于無人值守機房智能巡檢是未來的發展趨勢，也面臨著較大的挑戰。

鑒于此，本文在物聯網應用基礎上，分析和設計了一種無人值守機房智能巡檢管理模式。介紹了應用于自動化機房的物聯網系統、無人值守機房智能巡檢總體架構、無人值守自動化運行方案、智能巡檢機器人以及智能巡檢優化策略等關鍵技術。最后實際應用結果驗證了所設計的無人值守機房智能巡檢管理模式的有效性。

1 自動化機房物聯網系統

1.1 需求分析

電力物聯網的基本含義是電力系統不同元件之間以及元件與人員之間，通過不同類型的信息傳感設備，結合已有的大數據、互聯網技術，形成一個巨大的電力網絡。該網絡具備的功能主要有：感知系統不同元件的運行狀態；監測不同網絡節點的電氣信息量；評估電網各類設備的健康狀態；實時跟蹤運維人員；管理系統設備的基本信息。電力物聯網能夠實現電力系統的萬物互聯和網絡互動，有效整合多源信息數據，能夠提高電力系統的可靠性和可用性，優化電力系統的運行和管理。

因此，自動化機房物聯網系統建設能夠支撐機房智能化、數字化和信息化管理水平，為構建無人值守機房提供技術支撐。采用物聯網的電網無人值守機房采用的基本原則是實用性、先進性、可靠性、靈活性以及擴展與集成性等。無人值守機房以基于物聯網的軟硬件平臺為基礎，其核心是自動化機房的中央控制系統，實現整個巡檢作業自動化運行。物聯網平臺以機房中央控制系統作為核心，全面感知、采集和獲取機房生產運行信息，并通過優化算法實現無人值守機房的智能巡檢。

1.2 總體架構

將物聯網技術應用于無人值守機房智能巡檢的總體架構如圖1所示。無人值守機房智能巡檢系統的組成部分主要包括采集層、平臺層、網絡層和應用層，其中采集層以智能巡檢機器人作為載體，主要是對巡檢任務進行接收并優化巡檢策略，且對業務數據進行查詢并對被巡檢機房設備的信息進行采集和處理，最后將所采集到的信息數據傳送到應用層；網絡層是以新一代通信技術來建立系統網絡信息交互通道，根據網絡安全和數據類型分為內網和互聯外網，網絡層具有多樣化的通信方式，不同電力業務應用場景根據需求來選取合適的通信方式；平臺層主要是存儲和管理無人值守機房智能巡檢業務的海量數據，實現多源數據信息的互通和共享，平臺層不僅收集網絡層所傳輸的多源數據而且為智能巡檢業務的應用提供數據共享服務；應用層是基于海量的智能巡檢運行數據，結合無人值守機房設備的巡檢周期要求和運行特點，生成設備巡檢策略并發送到采集層，同時應用層結合機房設備的運行數據，采用智能算法建立機房設備狀態評估、故障診斷模型。

圖1 無人值守機房智能巡檢物聯網系統總體架構

2 無人值守智能巡檢管理模式

在物聯網系統基礎上，構建基于物聯網的無人值守機房智能巡檢管理模式，對應的綜合架構如圖2所示。該架構將智能巡檢管理系統分為調度模塊、通信模塊、感知模塊、控制模塊和應用模塊。其中調度模塊是巡檢管理系統的最頂層，根據系統協議標準的服務接口來接收調度中心的巡檢任務指令，并將接收到的任務依據通訊子模塊下發給控制模塊。而通信模塊基本功能是通過有線和無線專網通信協議為調度模塊和感知模塊提供信息傳輸的通道。感知模塊則是接收調度指令的巡檢任務信息并對多源異構數據信息進行融合和處理，同時為系統的控制模塊中提供信息來源。控制模塊是智能巡檢管理系統的執行層，其處在系統最底層，依據感知層的巡檢任務信息來生成巡檢任務指令，實現對智能巡檢系統中巡檢機器人的速度和位置控制。應用模塊主要是對無人值守機房的故障分析、告警和診斷等，通過紅外、可見光等傳感器來采集無人值守機房設備的運行特征數據，并通過人工智能算法進行自動在線分析，實現無人值守機房的異常檢測。

因此，基于物聯網的無人值守機房智能巡檢管理模式的具體實現步驟主要有：

a.巡檢機器人收到巡檢任務指令后，通過智能巡檢身份識別進入智能巡檢功能，通過無線通信單元將接收到的巡檢任務和巡檢策略下載至巡檢機器人的智能巡檢管理模塊。

b.巡檢機器人根據巡檢管理模塊中的巡檢任務和巡檢策略進行巡檢，依據導航定位系統識別機房設備信息并導航巡檢機器人達到指定位置。

c.通過巡檢機器人的智能傳感模塊、圖像識別模塊對無人值守機房設備的相關信息進行采集，并將采集到的多源異構數據信息通過信息存儲、處理模塊進行存儲和預處理，同時通過新一代無線通信模塊將采集到的設備信息傳輸到應用層。

d.應用層通過接收采集層的數據信息，對無人值守機房設備的實時狀態進行評估和故障診斷，并對當前機房設備的運行狀態進行存儲，為下一次設備巡檢優化策略的制定提供理論依據。

圖2 無人值守機房智能巡檢綜合架構

2.1 無人值守自動化運行

基于電力物聯網架構體系，無人值守機房采用無人值守自動化運行管理模式。對于自動化機房多區域多設備的管理，依據“集中管控，統一調度”思想，構建機房無人值守的自動化管理模式。

2.1.1 自動化運行

通過電網內機房自動控制系統實現機房的無人值守自動化運行，控制程序能夠依據實際需求對設備參數進行自動的調節，不需要人為的干預和操作。采用冗余思想對自動化機房的核心設備和網絡進行設計，能夠在故障情況下進行備用設備的投入。基于物聯網架構的自動化機房無人值守運行模式，自主驅動機房運行設備來實現所需要的控制目標，并對控制策略進行不斷持續的優化，以獲得更優的控制效果，能夠適應不同工況下的高效運行。

2.1.2 遠程在線監控

自動化機房調控中心通過物聯網系統對無人值守機房的運行狀態進行遠程實時監控，能夠遠程顯示設備的實時運行狀態數據。當檢測到機房設備存在異常時，可實時發布設備的預警、報警信息，并能夠在監控大屏上進行直觀的顯示。通過智能巡檢機器人的巡檢大數據信息，結合智能算法能夠實現智能巡檢系統的監測、預警和診斷的一體化。

2.2 智能巡檢機器人

在自動化機房無人值守自動化運行基礎上，機房智能巡檢技術能夠滿足自主巡檢技術。自主巡檢技術不需要人工輔助操作，在整個機房設備的巡檢過程中都是自主完成。智能巡檢機器人的自主巡檢目標一般是機房的不同運行設備等，根據不同設備目標來設定對應的巡檢參數，并自動調整傳感器的方向和視場。當巡檢機器人處于設備近區時，對設備的環境進行監測并指揮其控制系統機房設備進行反復的拍攝。 因此為實現自主巡檢功能，巡檢機器人的功能模塊主要包括導航定位模塊、圖像識別模塊、網絡通信模塊、電源管理模塊和地面監控后臺模塊等。其基本功能模塊組成如圖3所示。

圖3 自主巡檢功能模塊

2.2.1 導航定位模塊

智能巡檢技術對巡檢機器人導航定位模塊的精確性要求極高，文中采用基于多源信息融合的高精度導航定位模塊。該模塊的多源數據采集單元主要包括行走輪編碼器、傾角傳感器和霍爾計數器，在對設備的巡檢過程中采集和處理定位功能所需的數據，結合歷史知識專家庫中的定位參考數據來完成巡檢過程中的定位功能。其中，具體的導航定位方式采用的是超聲波、 RFID以及激光技術相結合的組合定位系統。

2.2.2 圖像識別模塊

在巡檢機器人安裝高清攝像機，并結合圖像識別技術，對機房設備的實時運行進行數據讀取，并對機房設備的外觀進行對比分析與記錄，自動形成記錄報表，并發出機房設備是否發生異常的預警信號，同時拍攝對應的視頻拍攝，并對拍攝的內容進行存檔。為實現高精度的視頻圖像識別率，巡檢過程中的攝像頭對機房設備反復的檢測和拍攝。另外，結合智能目標搜索優化算法以及目標伺服跟蹤技術，實現對機房不同設備的目標搜索和識別，將視頻拍攝中心對準拍攝目標，并放大焦距以獲取更高識別率的圖像。

2.2.3 信息存儲與處理模塊

通過物聯網技術完成了巡檢過程中多源數據采集工作后，采用云計算服務中心的信息存儲與處理模塊，能夠將所采集到的設備實時運行數據、專業巡檢記錄，以及設備檢驗記錄等數據信息寫入數據倉庫中，并進行綜合分析和管理[9]。信息存儲與處理模塊有效地增強了無人值守機房智能巡檢系統的運行和管理效能。除此之外，基于云服務平臺的信息存儲與處理模塊提高了多源設備數據的綜合利用效率和信息共享水平，有利于智能巡檢管理系統深度分析及處理該類數據。

2.2.4 網絡通信模塊

智能巡檢技術的網絡通信系統主要是完成巡檢機器人內部功能模塊以及與調度控制中心之間的信息交互，網絡通信數據主要包括上行通信數據和下行通信數據。其中，上行通信數據主要是自動化機房調度中心對巡檢機器人下發的巡檢指令，而下行通信數據則是巡檢過程中所采集到的傳感器監測信息、圖像視頻信息以及機房設備巡檢狀態信息等。采用第五代無線通訊專網技術作為智能巡檢的信息交互載體[10]，該通信技術具有更快的傳輸速率和更短的傳輸時延，有效提升基于物聯網的智能巡檢效能。

2.2.5 電源管理模塊

電源模塊主要是為巡檢機器人導航定位模塊、圖像識別模塊、信息存儲與處理模塊以及網絡通信模塊等進行供電，是保證巡檢任務正常運行的前提。電源管理模塊基本組成包括電源監測、電壓轉換、電源管控、電源保護和故障預警等。文中智能巡檢機器人電源模塊采用新一代鋰電池，可通過鋰電池的充電、放電曲線特性和當前電量來評估電源的剩余電量，并可依據電源模塊當前剩余電量來對可巡檢時長進行評估和計算。

2.2.6 后臺管理模塊

為了遠程監測無人值守機房巡檢機器人所采集的機房設備信息，設計了智能巡檢機器人監控后臺管理模塊。采用物聯網體系有效開展無人值守機房智能巡檢的多維度采集與流程化傳遞，實現了巡檢的輔助分析和優化管理。后臺管理模塊主要是對巡檢機器人的管控指令、遠程監控以及巡檢信息分析、處理等。后臺管理模塊主要由調度中心管控，其主要功能包括巡檢任務制定、巡檢任務下發、多信道無線通信、實時在線遠程監控、巡檢過程可視化、故障預警和故障診斷等。

2.3 智能巡檢優化策略

無人值守機房設備發生缺陷和故障具有一定的不確定性，科學規劃智能巡檢任務是提升智能巡檢管理效率的關鍵環節。通過數據挖掘技術對影響無人值守機房設備運行狀態的關鍵因素收集，采用貝葉斯網絡對采集到的數據進行高效預處理，構建機房設備的風險模型。以無人值守機房設備的風險概率為目標函數，采用改進的蟻群智能優化算法來建立智能巡檢的規劃模型[11]。結合自主巡檢技術，提出可靠有效的巡檢方案庫，使得巡檢任務下達后能夠自動匹配，從而提高巡檢效率。

除此之外，結合智能巡檢機器人的多源異構狀態信息量，對機房設備運行狀態相關聯的數據類型和來源進行分析，在多源數據融合處理的基礎上，建立科學合理的無人值守機房設備的運行狀態評估指標體系和評估方法。通過劃分機房設備狀態和提取指標參數，采用數據流處理方法對不同屬性的關聯關系進行量化分析，結合機器學習算法建立無人值守機房設備的狀態評估和故障診斷模型[12]，實現機房設備運行狀態的評估和綜合診斷，提高智能巡檢決策能力。智能巡檢優化策略如圖4所示。

圖4 智能巡檢優化策略

3 實際應用

為驗證智能巡檢管理模式在無人值守機房巡檢應用中的有效性，在國內某無人值守機房進行了智能巡檢功能應用。分別對多工況下的智能巡檢功能進行了測試，對應的多工況現場應用測試方案分別如下：

a.自主巡檢。調控中心根據機房設備的巡檢目標、時間和周期制定特定的巡檢任務，智能巡檢管理模式能夠響應巡檢任務的指令進行自動巡檢。

b.固定巡檢。調控中心選擇自動化機房固定的設備作為巡檢目標來制定巡檢任務，智能巡檢管理模式能夠根據設定的固定巡檢目標來執行該巡檢任務。

c.遙控巡檢。調控中心根據后臺管理模塊進行遠程手動控制巡檢機器人完成來完成指定的設備巡檢任務。

上述現場應用結果表明，基于物聯網的無人值守機房智能巡檢管理模式能夠根據無人值守機房巡檢作業方案來完成自主巡檢、固定巡檢以及遙控巡檢等功能，有效提高了無人值守機房設備的運維效率及效益。

4 結束語

針對我國自動化機房值守及設備巡檢的實用化需求，提出了基于物聯網的無人值守機房智能巡檢管理模式，給出了物聯網技術在智能巡檢管理模式中的應用需求和聯網系統總體架構。從無人值守自動化運行方案、智能巡檢機器人以及智能巡檢優化策略等關鍵技術，詳細闡述了智能巡檢管理模式的總體實現方法，并重點分析了導航定位模塊、圖像識別模塊、網絡通信模塊、電源管理模塊和地面監控后臺模塊等巡檢機器人的功能模塊。該智能巡檢管理模式能夠根據無人值守機房巡檢作業方案來完成自主巡檢、固定巡檢和遙控巡檢等巡檢任務需求。通過在實際自動化機房設備巡檢應用，較好地完成了多工況巡檢方式的執行，所提的智能巡檢管理模式在自動化機房運維中的應用具有重大推廣意義。