電纜隧道智能巡檢機器人在電網智能化中的應用研究

李乾 錢恒健 方永毅 邢昆 劉保安

摘要：隨著我國現代化城市的不斷建設，城市電纜隧道的建設也越來越多，電纜的巡檢工作也越來越繁重和復雜，對于人員的安全隱患也顯露出來。因此，開發電纜巡檢機器人代替人工巡檢模式已經成為電網智能化建設的需求。文章從機器人的研究難點出發，詳細介紹了其研究方案。

關鍵詞：電網;智能化;電纜;巡檢;機器人;應用

中圖分類號：TM75;TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0085-05

0引言

為了提高城市電纜管網的現代化管理水平、有效地減輕巡檢人員的工作強度、避免電纜事故的發生，電纜隧道智能巡檢機器人的研究與應用迫在眉睫。電纜隧道智能巡檢機器人的應用可以大大加快電纜管理的現代化和智能化程度。把以前電纜的運行維護人員解放出來，降低人員安全隱患及事故隱患，并能夠投入到精細化管理中去。

電纜隧道巡檢機器人研究方向可分為隧道頂部軌道巡檢機器人和地面輪式巡檢機器人兩種。由于電纜隧道巡檢路線存在高度落差、隧道壁變形和地面積水等情況，巡檢項目相比較變電站巡檢有所不同，變電站的表計比較多，而電纜隧道幾乎沒有表計，但是電纜隧道要求增加有害氣體、地面積水、隧道壁變形和電纜支架銹蝕度等巡檢項目。

基于以上因素，隧道巡檢機器人的研究趨勢主要針對頂部軌道巡檢型式，此型式可避開地面積水和隧道落差對巡檢的阻礙，另外頂部軌道式機器人可在基本巡檢功能上附加初期火災處理、工具包和急救包的傳遞功能，趨于智能人性化發展。巡檢機器人如圖1所示。

1研究的難點及內容

1.1研究的難點

根據巡檢機器人所應用的范圍有一定的局限性，因此，研究的難點有以下4個方面：

1）機器人在隧道內的精確定位。

2）機器人軌道如何通過豎井在隧道頂部的下口。

3）機器人穿越防火墻。

4）隧道內的信號接收。

1.2研究的內容

根據上述難點問題，針對巡檢機器人的研究內容有：

1）研發一套電纜隧道智能巡檢機器人系統。包括：自動巡檢、電纜設備的實時監測并發送報警信息、遠方控制等功能。

2）研究機器人輔助現場工作人員作業技術。利用機器人的特性，配合、幫助現場工作人員進行初步的巡視、消缺等工作。

3）研究機器人遠程操控技術。在人員無法到達的設備現場，利用機器人實現遠程操作。

4）研究機器人自動處理現場事故技術。利用在線監測手段獲取事故信息，在事故發生時先于工作人員第一時間到達現場，并為工作人員提供現場有關數據，事故影像情況等，同時具備執行應急巡檢的能力。

5）研究機器人現場監護技術。通過對現場人員進行實時定位，利用人員跟隨技術通過視頻和聲音傳輸，后臺實時觀察操作人員的工作狀況、指揮指導操作人員操作、后臺和操作人員實現人機互動交流。

2巡檢機器人的研究方案

對于電纜隧道智能巡檢機器人應先建立其工作的流程內容，其工作流程圖如下圖2所示。

2.1巡檢機器人功能

若要完成圖1的工作流程，巡檢機器人需具備如下功能，如表1所示。

2.2系統功能分析

2.2.1定位系統

智能巡檢機器人在運動過程中通過伺服電機里程碼盤和激光測距儀結合的方式進行定位，保證智能巡檢機器人控制器和遠程中心管理平臺可以實時了解巡檢機器人的位置信息。輔助定位部分由硬件輔助定位和軟件輔助定位兩種方式。實現視頻機器人運動輔助定位（位置校正）、特定目標定位、充電定位等定位功能。

2.2.2視頻巡檢

包括移動高清視頻監控、標記識別、地質沉降、設備的銹蝕檢測、照明燈識別及漏水與積水識別。

1）移動高清視頻監控：機器人身上將裝有1080P高清可見光照相機，這樣就能夠實現在隧道內可移動的視屏圖像監控功能。兼顧化光學防抖技術，可以對5-15Hz范圍內的細小振動有效過濾。如果隧道中已經沒有工作人員，那么照明燈會處在熄滅的裝下，這時機器人將采用自身搭載的高亮度紅外線進行補光照明，以實現有效照明，如圖3所示。

2）標記識別：高清視頻相機實時采集監測點表計圖片，經后臺智能分析軟件分析，可識別出表計讀數，并對采集數據存儲、判定，形成表計歷史數據信息、設備缺陷預警信息及巡檢報表。

3）地質沉降：巡檢機器人采用預置點標定與視頻識別相結合的方法，對隧道的基建變形、地質變化、結構縫錯位等進行檢測，有效預警可能發生的嚴重地質危害。

4）設備銹蝕檢測：環境采集一支線中空氣潮濕，氣體成分復雜，易導致設備生銹腐蝕，久而久之會導致設備故障。巡檢機器人系統通過圖像識別及圖像對比方法，可對套管設備、緊固件進行精確定位、拍照，結合人工確認，實現銹蝕分析，提前預警，一定程度上防止故障的發生。

5）照明燈識別：機器人上帶有攝像機及光照度檢測傳感器，可以對隧道中的光照情況進行檢測。系統可設備預定規則，系統可統計整個隧道中的燈管狀態，若連續出現10m范圍內無有效照明時，系統將立即發出預警信息，提醒操作人員注意對隧道設備進行運維。

6）漏水與積水識別：機器人系統可針對隧道中的土建滲水、地面積水情況進行識別。在正常巡檢情況下，機器人對特定的滲水泄漏點進行檢測;常規行進過程中，可采用掃描的方式進行滲水漏水檢測。

2.2.3紅外熱成像

由于隧道內空氣流通性較差，設備溫度差異較小，巡檢機器人上攜帶的高靈敏度熱成像儀應能在隧道環境中清晰成像。系統對設備類型進行定點監測，行進過程中采用1HZ的熱圖檢測方式進行普檢，全程有錄像，本地存儲時間不小于2個月。

1）紅外線普測;隧道內的巡檢機器人自身帶有紅外線普測功能，在巡檢的過程將對其視野范圍內的全部設備進行表面溫度感應監測，并在全部區域內進行溫度的掃描式采集，對設備開展紅外線檢測和紅外熱診斷工作，可以有效避免區域設備被遺漏，運維人員可以通過后臺電腦觀察某一點的溫度值，及時發現設備缺陷和異常隱患，為設備的檢查維修提供實時資料。能夠完整的為所監測的設備提供歷史監測圖像記錄，以保證在有設備發生異常報警時，可以通過歷史監測圖像的數據進行追查。

2）精確測溫：對隧道內易發熱的重要設備如：電纜接頭、接地箱、接地線等，進行精確的測溫和實時監控;在發現有異常溫度的設備時，能夠通過紅外普測進行自動檢測，為工作人員進行排查事故提供幫助;在設備檢修完成并投入運行后或是新設備在試運行期間，對設備進行精確測溫監控;在系統輸電線出現超負荷情況下，對該設備進行精確的溫度測量;精確測量溫度時，機器人會從多個不同的方位對設備多個關鍵部位進行整體的視頻圖像監控。

巡檢機器人系統采用的是全自動定點檢測模式，該系統會自動設定需要檢測的位置和設置檢測的相關參數，而且在每次經過同一個檢測點時，會自動對該點位的歷史數據進行對比分析，對比準確度很高。機器人上所攜帶的高靈敏度熱成像儀，應能在低溫差的隧道環境中，將設備的溫度與環境背景溫度進行有效區分，使被檢測設備清晰成像，并對設備進行精確的溫度檢測。采用機器人自動進行精確測溫操作，可以有效避免人工檢測時的問題，測溫過程繁瑣，調節的參數不合適，檢測的溫度不準確;易產生遺漏，世博支線中設備眾多，人工巡檢可能漏檢;數據不可追溯，人工記錄的數據可能信息不全，現場圖像后期整理工作量大，分析困難。紅外線成像效果圖如圖4所示。

3）缺陷定點跟蹤測溫：為了能夠更加準確的獲得某一處設備的熱缺陷變化趨勢和熱缺陷處理情況，要對該點進行定點定時的檢測，采集完整的數據，并且根據工作的實際需要呈現出曲線或直方圖等形式的數據集。

2.2.4環境檢測

智能機器人自身攜帶的環境監測模塊，具備監測隧道中0：、H2s、CO、CH4、溫度、濕度、煙霧等環境信息。

2.2.5語音對講現場指揮功能

智能巡檢機器人系統搭載雙向語音系統，安裝有應急廣播揚聲器和監聽麥克。用于監控中心和隧道內人員進行雙向對講，實現對現場的遠程監控指揮。在交通疏導與事故處置時，結合高清視頻功能，操作人員可通過遠程監控后臺對現場情況進行監控、監督與指導，確保工作高效、實時的開展。

2.2.6異常預警及聯動告警處置

根據隧道的運行情況，按不同等級可發生報警：機器人本地聲光預警、監控中心聲光預警。當出現環境氣體達到報警參數、火情、積水異常，巡檢點設備發生異常，地質變化、通訊系統故障、充電站故障、防火門電源異常等異常情況時，系統都應進行報警。當工作人員確認報警信息后，系統可以解除相關報警。

2.2.7火災檢測及應急處理

通過巡檢機器人人體搭載的高清視頻設備檢測管廊內部異常光源、煙霧情況;紅外設備識別火源，對管廊內設備明火及設備內部異常溫度進行檢測，及時識別疑似火災位置，由平臺專家系統分析是否有著火點，是否需要聯動消防系統;確認著火點后，發送火災告警至本地監控平臺，配合滅火機器人及時對發現火源進行處置，同時巡檢機器人應駛離到安全距離（機器人承受最高溫度）以外觀察。配合氣體檢測設備，對管廊內部有害氣體進行檢測，為人員進入管廊內部進行消防或其他作業提供參考。

2.2.8監控系統

該系統具有紅外線視頻及巡檢采集存貯功能，支持現代化視頻的一切功能（包括停止、播放、錄音錄像及視頻截圖等）。

2.2.9機器人工作模式

巡檢機器人系統工作模式應具自動巡檢、遙控巡檢、特殊巡檢以及在異常情況下通過與其他系統設備進行聯動的遠程監控指揮模式，如圖5所示。

1）自動巡檢模式：自動例行巡檢是巡檢機器人按照預設規劃路徑自動巡視方式，是在隧道內日常運維工作中最常見的應用模式，將巡檢數據自動傳輸到綜合管理平臺保存，生成檢測分析報告。

2）遙控巡檢模式：支持機器人多目標位置的人工遙控巡行，支持人工多種速度遙控模式的巡檢工作方式。可根據現場的運行情況，監控中心操作人員可以手動控制機器人到達指定位置進行作業。尤其對于在機器人自主巡檢過程中如檢測到設備、環境狀態異常并向運維人員告警時，運維人員可以在第一時間操控機器人快速到達異常設備位置，及時對異常設備進行查看并核實報警信息，以便迅速制定響應策略。

3）特殊巡檢模式：特殊巡檢模式為自動巡檢、遙控巡檢的補充方式，針對支線及其它設備區內需要重點關注的巡檢對象、巡檢點針對f生設置巡檢任務。

對區域內需進行非定時、特別關注的設備類型及巡檢點類型，例如接頭、接地線等設備設施，專門設定巡檢任務;或在隧道內部檢修工作或其他作業開始前，設定專門任務對環境、設備運行狀態進行確認，為確保設備、人員安全提供保障。

4）系統聯動工作模式：通過將巡檢機器人系統與隧道內部其他系統自動設備進行對接，在特殊情況下人員不能及時進入現場時，由巡檢機器人系統直接控制現場自動設備進行作業;或由巡檢機器人系統提供輔助聲光信息，聯動系統根據遠程現場信息進行操作等。

3結語

1）文章所研究的隧道電網智能巡檢機器人系統適合于90%以上的電纜隧道應用，智能巡檢機器人系統的應用能有效地提升電纜隧道的科學管理水平。

2）該巡檢機器人使用后，可為電纜設備的維護檢修等工作提供歷史數據，從而提高隧道內電纜智能化的監測水平，對于管理水平的提高有明顯的幫助。

3）能夠有效提高工作人員的安全系數并減少人員的勞動強度，緩解電力部門存在的結構性人員缺失狀況;還能夠降低突發事件的影響，提高應對突發事件的能力，減少因突發事件所造成的電纜停電，降低電纜的運行成本，提高智能化電網的運營能力，為電力部門做出貢獻。