一種牽引變電所智能巡檢系統的開發與應用

李育冰

0 引言

鐵路發展已成為帶動地方經濟發展的重要渠道。近年來，鐵路發展迅速，牽引變電所作為鐵路供電系統的核心，為了確保其供電的可靠性和穩定性，日常檢測、運維顯得尤為重要。變電所巡檢是保障供電系統穩定運行的重要工作。傳統變電所巡檢通常采用人工巡視、手工記錄的作業模式，存在諸多難點，主要體現在受限制條件多、巡檢點位分散、手段單一、人為因素影響、巡檢效率低等。

隨著科技的不斷進步、體制的不斷改革以及無人值守的普及，牽引變電所自動化程度也在不斷提高，牽引變電所巡檢工作逐漸趨于無人化或少人化。2018年年底，原中國鐵路總公司《關于發布〈牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導意見〉的通知》（工電函[2018]101號）明確了《牽引變電所輔助監控系統暫行技術條件》，強調了牽引變電所智能巡檢系統是實現牽引供變電所無人值班值守的必要硬件設施。

為了實現鐵總關于“推進‘機器人’+無人值守/值班牽引變電所建設，推廣應用在線監測、狀態診斷、智能巡檢系統，打造安全、高效、大數據化的少人值守運維管理系統”的落地應用，綜合利用視頻識別、多傳感器綜合探測、綜合導航和精確對準、故障精確診斷等多項技術，開發了一種牽引變電所智能巡檢系統。該系統主要通過智能巡檢機器人監測牽引變電所內各種一次供電設備運行狀態，實現變電所無人值守和設備運行遠程維護。

1 系統設計

1.1 系統總體架構

牽引變電所智能巡檢系統基本組成包括：巡檢機器人子系統，視頻監控子系統，機器人充電子系統，通信網絡子系統，平臺管理子系統。

1.2 子系統設計

1.2.1 巡檢機器人子系統

巡檢機器人子系統包含了底盤模塊、供電模塊、云臺模塊、氣體檢測傳感器模塊、溫濕度檢測模塊、語音對講模塊，如圖1所示。

圖1 巡檢機器人子系統

巡檢機器人子系統底盤模塊具備高運動能力，采用四輪獨立驅動的底盤，支持原地轉彎，能適應多種路況；激光雷達導航可實現全所覆蓋，巡檢作業可跨室內外區域，在復雜環境中實現檢測無死角；底盤驅動模塊具有自身短路、斷路、過流、過壓、欠壓、過溫檢測功能和實時通信監測功能，發生異常時可上傳報警信息并自動停車。

供電模塊采用充電電池，電池裝置有信號觸頭和正負極觸頭，可實現機器人自主充電。

云臺模塊搭載了高清攝像機以及紅外熱成像儀，采用全向型云臺，支持水平方向360°和垂直方向90°旋轉，可以控制高清攝像頭與紅外熱像儀在巡檢過程中的拍攝角度。云臺配有補光燈和雨刷，以支持夜間和雨天的巡檢。

氣體檢測傳感器模塊采用紅外吸收檢測原理的氣體傳感器模組，用于測量所內的SF6氣體，還可檢測氧氣、一氧化碳、甲烷、硫化氫等氣體。

溫濕度檢測模塊包括溫濕度傳感器，實時檢測牽引變電所室內和管廊內部溫濕度，并具有預防傳感器結露功能。

語音對講模塊包括拾音器和對講機，用于內部人員與后臺人員通話指導。

1.2.2 機器人充電子系統

帶電檢測機器人在變電所長期值守、完全自治，必須能快速高效、安全可靠地自主充電，因此需要設計有效實用的自主充電樁。系統采用電極對接的有線充電方式進行充電，通過在充電樁附近鋪設磁軌，或利用紅外對射模塊引導機器人自行導航至充電樁處。充電時機器人位置和充電臂位置均可調整，以便充電插頭與充電座自動對接。另外，在充電樁上還設計有誤差容忍和自主糾錯機構，可以滿足機器人在小范圍偏差內仍能與充電裝置對接成功。

1.2.3 視頻監控子系統

視頻監控子系統完成監控目標的視頻信息采集和傳輸，包括室外高速球型攝像機以及硬盤錄像機，通過對室外高速球機的預置位設置，實現視頻監控巡視功能，并在牽引變電所場坪一次設備動作時自動控制攝像機和云臺的自由轉動、變焦，完成監控的快速聚焦定位，拾取現場視頻及圖片。系統具有對圖像的切換、自由存放、硬盤錄像、回放及逐幀搜索畫面功能。視頻監控子系統還具有報警聯動視頻功能，各個子系統的告警和狀態變化都可以作為視頻聯動的條件，并能進行邏輯組合，一個觸發條件可并發2臺以上攝像機聯動。

1.2.4 通信網絡子系統

通信網絡子系統由站端無線網絡及有線網絡組成，主要實現信息交互、通道切換、系統對時等功能。無線網絡主要由部署于牽引變電所房屋頂部的無線AP實現場坪全覆蓋，完成巡檢機器人子系統與平臺管理子系統間的實時通信。站端有線網絡實現視頻監控子系統與平臺管理子系統間的實時通信。信息交互內容包括機器人狀態信息、檢測設備信息、環境信息、監控后臺控制指令信息及各類預警告警信息。通信網絡子系統在通信中斷等異常情況下將發出告警信息，并能保證圖像、語音等各類數據不丟失，在通信恢復后可自動續傳。

1.2.5 平臺管理子系統

平臺管理子系統采用分布式架構，實現機器人與固定監控的數據信息深度融合，包括站端子站平臺以及上級主站平臺。平臺管理子系統架構如圖2所示。

圖2 平臺管理子系統架構

站端子站平臺主要完成對巡檢機器人子系統以及視頻監控子系統的管控與分析工作，包括巡檢任務的派發、遠程遙控作業以及圖像智能分析等，同時可實現在場坪一次設備動作時向視頻監控子系統發出巡視指令，完成快速定位聚焦，拾取現場視頻及圖片。上級主站平臺主要完成對站端一個或多個站端子站平臺的集中管控與大數據分析。一套主站平臺可完成對多個站端子站平臺的監視管理工作，解決了上級平臺無法集中管控現場巡檢情況的難題。平臺借助標準接口技術，可與既有系統進行數據對接，從而實現巡檢機器人子系統與視頻監控子系統的高效協同聯動，彼此監管、優勢互補。

2 系統實現

2.1 智能巡檢管理平臺

智能巡檢管理平臺軟件基于NET架構，采用Microsoft Visual Studio的C#語言開發，可以在Windows的各個版本操作系統跨平臺運行。結合先進的人工智能技術、現場實時精準采集的數據以及豐富的設備檢測經驗，強大的后臺軟件能對設備運行狀態做出準確的判斷，并能通過趨勢分析提前發現事故先兆，實現預測性維護。軟件功能模塊包括實時監控、任務管理、遠程遙控、歷史查詢、報警管理、數據統計分析等模塊。

（1）實時監控模塊用于查看機器人運行過程中的任務信息、圖像信息、現場環境信息和機器人本體狀態、電池狀態和車體行進信息等。

（2）任務管理模塊分為例行巡檢規劃、特巡任務規劃和遙控巡檢3種模式，不同任務模式間可隨時切換。例行巡檢規劃可提前生成若干巡檢任務，執行每天定期巡檢；特巡任務規劃可在特殊情況下實時生成臨時巡檢任務；遙控巡檢通過局端遠程控制機器人巡檢，獲取變電所內設備實時信息。

（3）遠程遙控模塊可通過手柄實時遙控調整云臺方位和俯仰角，控制行進方向和車體速度，并遙控高清攝像機和紅外檢測儀聚焦檢測目標，完成規定任務。

（4）報警管理模塊實時獲取并顯示報警信息，生成報警報告，報警統計分析和報警預告等。

（5）歷史查詢和數據分析模塊用于對機器人巡檢獲得的音視頻數據、圖像數據、設備狀態、表計讀數等信息的集中存儲、分析診斷和分類查詢。

2.2 智能巡檢機器人

智能巡檢機器人是智能巡檢系統的核心，由巡檢機器人本體、本地監控后臺、遠程集控后臺、機器人充電室、導航設施及其他輔助設施組成。自主移動平臺上搭載可見光攝像機、紅外熱像儀和聲音采集器等檢測設備。智能巡檢機器人如圖3所示。

圖3 智能巡檢機器人

智能巡檢機器人在導航技術和運動四驅底盤基礎上集成了圖像識別、自動控制等多種技術，可以自主或遙控的方式在不斷電的情況下完成對室內（外）高壓設備進行紅外溫度監測和儀表油位的圖像識別等任務，具有遙控巡檢、視頻監控、噪聲監測、氣體泄漏檢測、紅外測溫、故障報警等功能。智能巡檢機器人基本性能參數如表1所示。

表1 智能巡檢機器人性能參數

2.3 視頻監控子系統

視頻監控子系統主要設備包括網絡視頻錄像機NVR及高清攝像機。高清攝像機主要布置在需要進行視頻監控的場所，如二次設備室、高壓室、室外變壓器側、饋線側等。攝像機一般選用高清高速球機（性能指標見表2）。攝像機通過同軸電纜連接至智能巡檢系統機柜的NVR，NVR通過局域網與智能巡檢系統后臺管理機相連，進行視頻監控和聯動操作等。智能巡檢管理平臺從NVR中讀取攝像機列表，進行實時圖像顯示、錄像管理、攝像機參數設置。當有告警或主要監控設備發生狀態變化時，觸發攝像機聯動，軟件系統發送調用預置位的命令給NVR，采集現場的實時監控視頻和圖片。

表2 高速球機性能參數

2.4 通信網絡子系統

通信網絡子系統分為3層，分別為監控層、通信層和終端層。監控層是智能巡檢系統管理平臺中的三維實景監控平臺；通信層由網絡交換機等設備組成，負責建立監控層與智能終端層的網絡通道；終端層包括輪式智能巡檢機器人、紅外熱成像儀和固定監測點等。終端層機器人的巡檢信息數據通過通信層上傳至工作站的三維實景監控平臺。最終實現的通信網絡子系統結構如圖4所示。

圖4 通信網絡子系統

2.5 機器人充電子系統

機器人充電房由充電柜、充電座、無線通信設備和自動卷簾門組成，采用220 V交流供電。機器人工作狀態包括巡檢、充電、空閑3種。收到巡檢命令后，機器人首先檢查電池電量是否充足，充足即進入巡檢狀態，按任務規劃進行設備巡檢，否則拒絕執行并報警。巡檢完成后，機器人返回充電房。機器人在巡檢中實時檢測電池電量，若電量不足則立即返回充電房充電，充電過程完全自動化。

3 系統功能

系統最終實現了以下核心功能：

（1）數據全面采集。系統可實現對包括紅外測溫、儀表讀數、刀閘變位、開關及指示燈狀態、噪聲監測數據、微氣象數據及高清視頻的全面采集，還能接入現場第三方系統數據。

（2）實時傳輸。系統可實時上傳數據，進行實時語音對講，實時下達巡檢指令。

（3）智能識別。系統可實現表計、開關狀態、設備溫度、SCADA遠動信息、火災的智能識別。

（4）高清顯示。系統實現了對微氣象、現場視頻、設備狀態、運行狀態、分析結果、操作日志等信息的高清顯示。

（5）預警研判。系統實現了對采集數據進行分析統計，作出趨勢研判和預警提示等功能。

（6）遠程控制。系統實現了遠程遙控行進、遠控SCADA確認、自動聯動卷簾門、遠程雙向語音對講功能。

4 系統應用情況

該智能巡檢系統在京張高鐵小白楊220 kV牽引變電所投入使用，智能機器人可按預設程序對該變電所470臺設備和現場環境進行自動巡檢巡查，也可遠程控制智能機器人和視頻監控設備完成設備綜合巡檢，一次巡檢用時2 h。系統能實現數據自動采集，巡檢覆蓋率達到100%，識別精度均達到98%以上。

通過智能巡檢機器人實現智能化巡檢，可及時發現設備異常現象，規避設備運行隱患，提高工作效率和巡視質量，使巡檢更加及時高效。另外，當維護人員現場進行設備保養和設備維修時，可觸發機器人的作業保障功能，保障工作人員的作業環境安全，同時實現作業過程監督。

當智能巡檢系統接收到站端設備故障信號時，可觸發機器人進行故障節點環繞巡視，幫助遠程專家快速鎖定問題根源，在最短時間內完成應對策略。當現場設備出現故障時，技術專家可在段/局級遠程對現場操作人員進行音視頻指導，確保關鍵操作正確無誤。巡檢機器人能夠代替人工完成變電所檢測中的急、難、險、重和重復性工作，減輕工作人員的工作負擔。

5 結語

牽引變電所智能巡檢系統以智能巡檢機器人為核心，具有遙控巡檢、視頻監控、噪聲監測、氣體泄漏檢測、紅外測溫、故障報警等功能。該系統用于牽引變電所設備和環境的巡檢巡查及實時監控管理，成功解決了傳統巡檢方式受限制條件多、巡檢點位分散、手段單一、人為因素影響、巡檢效率低等問題，提高了牽引變電所設備運行的可靠性和穩定性，為高鐵運行安全提供了保障，具有良好的推廣應用前景。