基于人工智能的配電室設備自動巡檢系統的研究

華能國際電力股份有限公司玉環電廠 謝 勇 酈忠偉 鐘天翔 王 雷

隨著自動化技術、紅外感應技術的發展，機器代替人力儼然已是新時代的潮流，智能化控制亦是更上一層樓。由于機器人技術的廣泛應用、互聯網技術的快速發展，人工智能將會更充分應用于生活中的各個場景。1954年美國戴沃爾發明了世界第一臺機器人、同時發表了《適用于重復作業的通用性工業機器人》一文并獲得美國專利。從1997年電腦“深藍”戰勝國際象棋世界國軍，到2016年谷歌公司研發的AlphaGo在圍棋人機大戰中戰勝了韓國棋手李世石，世界為之震驚，同時也掀起了人工智能的狂潮。近年來我國的人工智能技術和地位同樣步步高升，國務院頒布的《新一代人工智能發展規化》更是將人工智能技術放在了國家發展的重要位置。

1 配電室全自動巡檢系統構架

基于人工智能的配電室全自動巡檢系統設計，結合巡檢機器人系統、門禁控制器系統和服務器控制系統構成網絡通信系統。服務器利用小型基站提供無線網絡供巡檢機器人系統和門禁控制器系統使用，并通過內部協議進行控制門禁控制器系統和巡檢機器人系統。服務器根據機器人的位置，遠程控制門禁控制器配合機器人進行配電室巡檢，巡檢機器人遵循算法巡檢，實時上傳巡檢圖像和視頻至服務器。工作人員只需觀察服務器處理的結果即可。配電室全自動巡檢系統在無人值守的配電室中應用廣泛，很大程度上降低了工作危險性，同時節省了緊急事務處理時間，使配電室巡檢更加安全可靠。

1.1 服務器控制系統、巡檢機器人系統構成

服務器控制系統是由計算機和小型基站構成。主要負責人機間的交互、對操作人員協議的辨識和發送協議指令至巡檢機器人系統及門禁控制系統。計算機內有緊急處理模塊、巡檢算法模塊、地圖數據模塊、協議指令模塊和圖像識別模塊（圖1）。在機器人巡檢時，計算機處理并將數據通過小型基站的網絡下發至巡檢機器人系統和門禁控制系統，實現了緊急事件高效率處理；巡檢機器人內置視頻采集裝置和定位檢測裝置。巡檢機器人系統和服務器系統通過WIFI構成網絡通信鏈路。巡檢機器人可將巡檢時拍攝的圖片及視頻通過WIFI回傳給服務器系統，同時會實時上報定位信息至服務器[1]。巡檢機器人的CPU控制包含了巡檢路線算法，機器人遵循算法巡檢（圖2）。

圖1 服務器控制系統構成

圖2 巡檢機器人系統構成圖

1.2 自動巡檢系統構成

巡檢機器人由機身、行進輪、手臂和電機組成。負責以多種特定的巡檢模式對配電室設備巡檢。可見光攝像機負責識別配電室內柜體表面狀態指示燈和開關刀閘。拾音器負責識別配電室設備運行時是否存在故障聲音。局放檢測設備負責識別室內設備是否存在局部放電的現象。三個識別設備可將采集的數據通過網線或光纖回傳至監測平臺。遠端監測平臺負責對回傳的數據實時監控。網線或光纖為巡檢機器人和回傳數據提供網絡通道。巡檢機器人內置單片機控制系統，是由單片機MCU、數模轉換器和機器人電機組成。單片機MCU負責巡檢機器人巡檢模式的切換和巡檢路線的設定。數模轉換器負責將單片機MCU輸出的數字信號轉換成模擬信號并應用到機器人電機中，機器人電機負責機器人整體運行[2]。

1.3 機器人的巡檢流程

如圖3所示，配電室定點區域①全面巡檢業務。遠端監測平臺界面設置機器人為全面巡檢模式，并對區域①進行全面巡檢及設備狀態指示燈識別。單片機控制系統解析監測平臺指令，其單片機MCU的9引腳輸出全面巡檢信號到數模轉換器控制電機運轉，巡檢機器人遵循單片機設定的路線進入巡檢區域，監測平臺界面可控制機器人手臂伸縮和轉動，通過其配置的可見光攝像機對設備柜體表面進行圖像采集，并通過網線或光纖回傳至監測平臺[3]，平臺可根據指示燈狀態查看設備運行是否異常。

圖3 機器人巡檢流程圖

配電室定點區域②定點檢測業務。遠端監測平臺界面設置機器人為定點檢測模式，并對區域②進行定點檢測及超聲波局部放電檢測。單片機控制系統解析監測平臺指令，其單片機MCU的10引腳輸出定點檢測信號到數模轉換器控制電機運轉，巡檢機器人遵循單片機設定的路線進入巡檢區域，監測平臺界面可控制機器人手臂下拉和前伸幅度，放置局放檢測設備于待檢測設備處。此時局放檢測設備采集到的信息通過網線或光纖回傳至監測平臺，平臺可實時監控配電室內是否存在局部放電情況[4]。

配電室定點區域③手動檢測業務。遠端監測平臺界面設置機器人為手動檢測模式，并對區域③進行手動檢測及開關刀閘狀態識別。單片機控制系統解析監測平臺指令，其單片機MCU的11引腳輸出手動檢測信號到數模轉換器，控制電機運轉，巡檢機器人遵循單片機設定的路線進入巡檢區域，監測平臺界面可控制機器人機器人手臂的前伸幅度和轉動角度，操作手柄打開開關刀閘柜，同時控制攝像機探頭前伸，采集刀閘狀態并將采集到的信息通過網線或光纖回傳至監測平臺，平臺可實時查看開關刀閘狀態詳情。

配電室定點區域④定制巡檢業務。遠端監測平臺界面設置機器人為定制巡檢模式，并對區域④進行定制巡檢及儀表設備數據讀取。單片機控制系統解析監測平臺指令，其單片機MCU的12引腳輸出定制巡檢信號到數模轉換器控制電機運轉，巡檢機器人遵循單片機設定的路線進入巡檢區域，監測平臺界面可控制機器人手臂前伸和旋轉，操作手刀打開儀表設備上蓋，同時控制攝像機探頭前伸，采集儀表設備數據并通過網線或光纖回傳至監測平臺[5]，平臺可實時查看儀表設備數據詳情。

2 配電室全自動巡檢系統應用情況

依據全自動巡檢設計原理和機器人自動巡檢路線算法，配電室全自動巡檢系統在某配電室成功應用。該系統已實現配電室冷卻機組系統檢測、發電設備和輔助設備檢測的功能。操作人員可在遠端服務器查看巡檢回傳的視頻和圖像，提高了工作效率并降低了配電室風險。

2.1 配電設備系統檢測實例

冷卻系統是配電室設備穩定運行重要的輔助系統。巡檢系統檢測冷卻機組是否有以下異常情況：風冷設備漏水；溫度超過合理范圍；機組震動有雜音或轉子轉速異常；基礎設備破損等故障。由于冷卻機組設備數量繁多且分散在配電室各個地方，單純地依靠操作人員去檢測設備和統計數據會導致工作量龐大和工作效率低下，為此系統設計了冷卻機組監測，在高效率檢測設備異常的同時發出緊急情況預警和異常情況緊急上報[6]。下面以配電室冷卻機組實例進行分析其巡檢過程。

配電室冷卻機組電機轉子以2極電機為例，對其性能檢測，標準轉速為3000轉，巡檢系統以每十分鐘轉子的平均轉速為一個時間間隔t，巡檢測得的實際轉速和理想轉速合理誤差范圍應在3%以內。超過3%機器人將發出預警，拍攝實情并處理上報至服務器系統。機器人會將拍攝的圖片和視頻發送給服務器系統進行圖像分析和語音識別，服務器下發指令，確認冷卻機組設備無損壞、漏水情況和設備震動雜音。機器人內置紅外探測儀用來感知和分析溫度是否異常，一旦發現異常立即預警上報處理。

2.2 實驗結果分析

經驗證本系統已經初步實現了配電室實時監控、緊急事件上報、配電室實時圖像回傳、配電室鍋爐燃料檢測、冷卻機組系統檢測、發電設備和輔助設備檢測的功能。在無人值自動開啟守的配電室中，機器人依照算法進行自動巡檢，實時上傳倉庫視頻圖像至服務器端，操作人員只需在遠端觀看視頻和圖像即可。

智能巡檢與人工巡檢的人員需求、工作時長、時間處理耗時分別為0/3～4個、24/12小時、5～10/＞30分鐘、平均遇險次數分別為0/30次/每天及1/30次/每天。可見與傳統的巡檢方式相比，人工智能配電室全自動巡檢對操作人員的需求量和成本較小，同時可以二十四小時不間斷地工作，在緊急事故處理中更為迅速，智能機器人取代人工巡檢更是讓危險性降至最低。

綜上，隨著人工智能與現代生活的關聯愈加密切，人工智能在生活中的應用將會愈加廣泛。傳統的倉庫巡檢十分費時且不能保證檢查人員的生命安全，與之相比本設計能時刻關注倉庫內實情，以及迅速地對突發狀況做出相應措施，同時避免了員工倉庫巡檢時發生意外。本文結合網絡控制和自動化的技術，以機器人自動巡檢代替人工巡檢，解決了傳統倉庫巡檢的費時性、優化了巡檢方法及提高了巡檢系統的安全性。隨著配電室設備的增加及面積的擴大，為更加精準無誤的巡檢，在巡檢算法路線和損耗時間上有待深入研究，這將是下一步的重點研究方向。