鐵路牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)研究與設(shè)計

代文平 陳紀(jì)綱 尹 磊 肖 琨 賀 毅

(1.四川艾德瑞電氣有限公司， 成都 610031;2中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

為掌握電氣化鐵道牽引變電所內(nèi)設(shè)備的運行狀況，根據(jù)《高速鐵路牽引變電所檢修規(guī)則》等相關(guān)規(guī)定，運營單位需安排值班人員在所亭值守[1]。值守人員勞動強(qiáng)度較大，巡檢數(shù)據(jù)錄入信息管理系統(tǒng)工作耗時、繁瑣，巡視質(zhì)量與值守人員的個人經(jīng)驗和能力密切相關(guān)，且牽引變電所高電壓或惡劣氣象等條件還可能對值守人員人身造成一定的危害，迫切需要利用新興技術(shù)將值守人員從機(jī)械的工作中解放出來。同時，隨著我國電氣化鐵路開通運營里程的快速增長，鐵路運營單位的值守人員也逐年趨于不足。因此，在牽引變電所開展智能化巡視巡檢研究具有重要的意義。

電力系統(tǒng)機(jī)器人的大量應(yīng)用，為牽引變電所的智能化建設(shè)提供了理論和實踐基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了牽引變電所機(jī)器人巡檢的相關(guān)研究[2-10]，但由于產(chǎn)品功能單一、擴(kuò)展性及適用性差等問題，導(dǎo)致目前機(jī)器人在電氣化鐵路牽引變電所鮮有應(yīng)用。基于此，本文探討了一種適用于牽引變電所的智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)方案，對巡控系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)研究。系統(tǒng)采用智能巡控機(jī)器人代替人工，實現(xiàn)了變電所的智能巡檢和應(yīng)急操作。

1 智能機(jī)器人巡控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)方案

鐵路牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)運用智能巡檢和自動控制的理念，采用模塊化設(shè)計，將視頻巡檢、應(yīng)急操作、微氣象等子模塊集成于統(tǒng)一的軟件平臺，各子模塊可根據(jù)工程需要靈活配置。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，由智能巡控機(jī)器人、微氣象、機(jī)器人室、本地監(jiān)控后臺及管理服務(wù)器組成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

各輔助設(shè)備就地化安裝于牽引變電所監(jiān)測點，由相應(yīng)的子模塊單元完成信息感知及處理，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組網(wǎng)完成信息共享，并運用管理服務(wù)器、本地監(jiān)控平臺實現(xiàn)全所的信息存儲和可視化監(jiān)控。全所設(shè)備的巡檢工作由智能巡控機(jī)器人完成，并通過對巡控機(jī)器人機(jī)械手臂的操控實現(xiàn)應(yīng)急操作，為牽引變電所集中監(jiān)控和智能運維提供支撐。

1.2 系統(tǒng)特點

(1)牽引變電所設(shè)備及運行環(huán)境綜合監(jiān)控技術(shù)

牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)采用智能巡控機(jī)器人移動巡檢技術(shù)代替人工巡檢及操作控制，對牽引變電所環(huán)境和設(shè)備的溫度、局部放電情況及運行狀態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對牽引變電所設(shè)備及運行環(huán)境的綜合監(jiān)控。

(2)應(yīng)急操作技術(shù)

智能巡控機(jī)器人搭載有多種傳感器，可實現(xiàn)變電所的智能巡檢，并配置有機(jī)械手臂，在遠(yuǎn)動失靈且需要應(yīng)急操作時，運營人員可通過本地監(jiān)控后臺，控制智能遙控機(jī)器人機(jī)械手臂對變電所內(nèi)斷路器或開關(guān)進(jìn)行應(yīng)急操作，避免安全事故的發(fā)生或擴(kuò)展，保證牽引變電所的運行安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計

智能巡控機(jī)器人搭載多傳感器、高清攝像機(jī)、高清紅外儀、機(jī)械手臂等，對所內(nèi)設(shè)備進(jìn)行全天候、全覆蓋巡視監(jiān)控，完成牽引變電所的智能巡檢、應(yīng)急操作功能。其主要功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)主要功能架構(gòu)圖

2.1 智能巡檢設(shè)計

牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)智能巡檢設(shè)計具有以下功能及特點：

(1)為適應(yīng)牽引變電所面積大小，滿足信息實時性要求等，智能巡控機(jī)器人采用自適應(yīng)功能設(shè)計，既支持集中使用，也可在具有巡檢、通信、供電設(shè)施的多個室內(nèi)區(qū)間進(jìn)行調(diào)配，實現(xiàn)輪換使用，具備對變電所設(shè)備區(qū)域進(jìn)行自動化巡視、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、異常預(yù)警、協(xié)同作業(yè)等能力。

(2)為使巡檢內(nèi)容及功能盡可能地覆蓋更廣，充分利用移動巡檢的優(yōu)勢，智能巡控機(jī)器人搭載高清可見光攝像機(jī)、高靈敏紅外熱成像儀、聲音探測儀、局部放電檢測設(shè)備、SF6傳感器等多種傳感器，自動對變電所室外設(shè)備、開關(guān)柜、綜合自動化等設(shè)備進(jìn)行外觀檢查、表計識別、溫度診斷、局部放電檢測和SF6含量檢測，并對高壓開關(guān)柜室內(nèi)整體運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，將巡檢數(shù)據(jù)自動上傳到本地監(jiān)控平臺和綜合應(yīng)用服務(wù)器保存，生成檢測分析報告及報表。

(3)為解決拍照環(huán)境光線不足及拍照抖動問題，可見光攝像機(jī)采用超低照度攝像機(jī)，并在智能巡控機(jī)器人上配置輔助照明燈，增加環(huán)境照度，保證清晰成像。同時采用一體化光學(xué)防抖技術(shù)，有效過濾5～15 Hz范圍內(nèi)的細(xì)小振動，使智能巡控機(jī)器人在行進(jìn)過程中的視頻效果穩(wěn)定、清晰。

(4)為提高巡檢效率，提升紅外測溫的準(zhǔn)確性，智能巡控機(jī)器人采用紅外普測加精確測溫有機(jī)結(jié)合的技術(shù)方案。在行走過程中對視野范圍內(nèi)設(shè)備表面的溫度場，進(jìn)行整體區(qū)域性掃描式溫度采集，并對設(shè)備進(jìn)行熱診斷，有效避免區(qū)域設(shè)備被遺漏。在紅外普測模式下，智能巡控機(jī)器人可在行走過程中進(jìn)行區(qū)域性紅外掃描式普測，每隔一定距離采集一次紅外熱成像圖，檢測視野范圍內(nèi)的溫度最高點，為設(shè)備普測巡檢工作保留歷史巡檢圖像。若設(shè)備發(fā)生異常，則可通過歷史檢測記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)追溯。在普測過程中，若發(fā)現(xiàn)視野內(nèi)存在溫度超過安全閾值的設(shè)備，則立即進(jìn)行聲光報警，并對疑似故障設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的溫度精確分析，同時將巡檢結(jié)果自動存儲到本地監(jiān)控后臺，為運維人員判斷設(shè)備缺陷提供依據(jù)。

(5)為解決變壓器等電力設(shè)備故障時的聲音異常問題，智能巡控機(jī)器人采用音頻降噪算法和聲音識別技術(shù)，減輕環(huán)境噪音干擾，增強(qiáng)音頻信息識別的準(zhǔn)確性和可靠性。音頻數(shù)據(jù)經(jīng)軟件壓縮后，傳回綜合應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行分析、識別及存儲。

(6)為確保自動巡檢工作的可靠性和高效性，智能巡控機(jī)器人采用激光雷達(dá)與慣性測量單元、導(dǎo)航與無線射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)融合的方法，提供多種高精度的導(dǎo)航參數(shù)(位置、速度、姿態(tài))。位置及導(dǎo)航信息通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)交究刂葡到y(tǒng)，利用計算機(jī)在電子地圖上實時動態(tài)跟蹤和顯示智能巡控機(jī)器人的地理方位，實現(xiàn)導(dǎo)航信息的可視化、一體化和集成化。

(7)為滿足智能巡控機(jī)器人自動巡航要求，系統(tǒng)配置有自動充電裝置，充電裝置安裝于主控室或機(jī)器人專用充電房內(nèi)，當(dāng)智能巡控機(jī)器人電量低或巡檢任務(wù)結(jié)束后，自動返回充電裝置充電。特殊情況也可人工手動充電。

(8)為實現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)功能，智能巡控機(jī)器人搭載雙向語音系統(tǒng)，安裝有應(yīng)急廣播揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，用于監(jiān)控中心和現(xiàn)場人員雙向?qū)χv，雙向語音傳輸結(jié)合可見光攝像機(jī)和紅外熱成像儀，滿足遠(yuǎn)程視頻指導(dǎo)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮。

2.2 應(yīng)急操作設(shè)計

針對現(xiàn)有機(jī)器人巡檢變電所可視不可控的問題，智能巡控機(jī)器人配置機(jī)械手臂，采用按鈕視覺定位方法，準(zhǔn)確控制機(jī)械臂。如遇應(yīng)急事件，運維人員可通過本地監(jiān)控平臺準(zhǔn)確控制機(jī)械臂，對屏柜上的分合閘按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)等元器件進(jìn)行應(yīng)急操作。機(jī)械臂采用雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，不僅能上下運動，還能在上下運動中任意角度調(diào)節(jié)(180°范圍內(nèi))，可有效作用于不同高度和位置分合閘開關(guān)的操作手柄，保證操作功能的可靠性。

2.3 機(jī)器人進(jìn)出門設(shè)計

為解決智能巡控機(jī)器人戶內(nèi)外全面巡檢的問題，智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)配備門控箱，實現(xiàn)自動開/關(guān)門功能。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)需進(jìn)出門時，由智能巡控機(jī)器人通過無線通信發(fā)出開/關(guān)門信號至門控箱，門控箱接收到信號后，立即執(zhí)行相應(yīng)操作，實現(xiàn)自動開/關(guān)門。門位置信號通過RJ-45接口傳送至本地監(jiān)控后臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控和閉鎖功能。智能巡控機(jī)器人通過本地監(jiān)控后臺讀取門的實時位置信號，確保機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時能可靠進(jìn)/出門。

2.4 微氣象設(shè)計

為保障智能巡控機(jī)器人惡劣天氣環(huán)境下巡檢的可靠性和巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)配備微氣象，實時在線監(jiān)測牽引變電所環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、雨量、雪等氣象數(shù)據(jù)，并將氣象信息傳送至本地監(jiān)控后臺，實現(xiàn)對牽引變電所區(qū)域微氣象數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計與分析。并將氣象信息與智能巡控機(jī)器人定時巡檢功能相結(jié)合：(1)將氣象數(shù)據(jù)通過算法融入到設(shè)備的檢測結(jié)果中，確保巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；(2)當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)速大于30 m/s、積水超過100 mm或雪深超過50 mm等惡劣天氣時，暫停機(jī)器人巡檢任務(wù)計劃，有效保證智能巡控機(jī)器人的安全。

2.5 本地監(jiān)控后臺設(shè)計

為實現(xiàn)對全所監(jiān)測信息采集、數(shù)據(jù)分析結(jié)果、告警及聯(lián)動處置情況、缺陷狀態(tài)等的集中呈現(xiàn)，方便運維人員對所內(nèi)的運行情況進(jìn)行整體把控和運維作業(yè)管控，智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)的本地集控后臺設(shè)計，兼容windows、Andriod、IOS等主流移動終端操作系統(tǒng)，操控智能巡控機(jī)器人對各監(jiān)控點進(jìn)行日常手動或定時巡視，并實時獲取和展示變電所溫濕度、可見光視頻、熱成像圖像和SF6和局放等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過本地集控后臺收集處理，自動生成相關(guān)的報警信息和統(tǒng)計記錄，方便操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、管理和判斷，及時對異常情況進(jìn)行報警，并控制智能巡控機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，實現(xiàn)事故的提前預(yù)防與應(yīng)急操作。

2.6 通信設(shè)計

(1)智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部通信

智能巡控機(jī)器人與本地監(jiān)控平臺采用無線通信，以滿足機(jī)器人巡檢的靈活性和工程適用性；微氣象安裝于主控室房頂，可根據(jù)工程具體情況靈活選用有線或無線方式與本地監(jiān)控平臺通信。

(2)智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)與輔助監(jiān)控系統(tǒng)通信

智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)分布于鐵路沿線的牽引變電所內(nèi)，為實現(xiàn)鐵路局/供電段對智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)的操控，采用鐵路專用光纖通道完成智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)與牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互，以滿足視頻、圖片等數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求。根據(jù)工程實際情況，用戶也可選用5G無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)與輔助監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸。

3 應(yīng)用效果

基于本文所述的牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)研究及設(shè)計方案生產(chǎn)的產(chǎn)品已應(yīng)用于柳南客運專線進(jìn)德牽引變電所和西成高速鐵路洋縣西牽引變電所。產(chǎn)品采用分層架構(gòu)，通過智能巡控機(jī)器人、微氣象等輔助監(jiān)控設(shè)備采集所內(nèi)輔助設(shè)備信息，集成了視頻巡檢、紅外巡檢、環(huán)境監(jiān)測等功能，實現(xiàn)了全所的環(huán)境信息監(jiān)測、設(shè)備智能巡檢及應(yīng)急操作，所內(nèi)智能巡控系統(tǒng)前端設(shè)備能與設(shè)置在段部巡控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實現(xiàn)了信息采集、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲、告警處理和監(jiān)控等功能。自2018年12月至今，該智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)運行正常，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)監(jiān)控后臺界面友好、功能齊全、組態(tài)方便，提高了牽引變電所的正常巡視和應(yīng)急操作的自動化和智能化水平。產(chǎn)品現(xiàn)場運行圖片如圖3所示。

圖3 智能巡控機(jī)器人現(xiàn)場運行圖

4 結(jié)束語

本文從牽引變電所巡視巡檢現(xiàn)狀出發(fā)，基于智能巡檢和自動控制的理念，探討了一種適用于牽引變電所智能巡控機(jī)器人系統(tǒng)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)方案并對巡控系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)研究。系統(tǒng)采用智能巡控機(jī)器人代替人工，實現(xiàn)對變電所的智能巡檢和應(yīng)急操作。在西成高速鐵路和柳南客運專線工程中的成功應(yīng)用，驗證了系統(tǒng)功能和性能的實用性，可為牽引變電所智能運維提供技術(shù)支撐，較大地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本。