鐵路變配電合建所智能巡檢系統的研究與應用

張 鋒

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州 062350）

1 研究內容

傳統牽引變配電所的運行維護普遍采用人工值班、定期動態巡視和計劃檢修預試等方式，保證所內電力設備的正常運行，受人員因素和環境狀態影響，存在一定的安全隱患。智能化無人值守變配電站具有以下優點：①鐵路變配電所智能巡檢系統可對隔離開關（或斷路器）運行位置和儲能狀態等設備狀態進行智能分析；②可對一、二次設備運行溫度進行自動檢測、判斷；③可對設備外觀狀態進行智能判斷，如發現絕緣破損、閃絡等；④利用模糊識別技術，可智能識別設備運行監測、監視儀表，并進行智能判斷；⑤利用聲音采集系統，可采集、上傳變壓器運行聲音，可對GIS（氣體絕緣開關）柜、電流互感器、電壓互感器等設備進行識別，發現異常及時報警；⑥對發現的設備缺陷實現自動拍照與上傳；⑦開發可人機交互并能實現智能控制的軟件系統；⑧具備自主介紹、自動引導等高級功能的語音系統。需研究智能巡檢系統在強電磁環境下的抗干擾能力。

2 技術關鍵

2.1 無人值守牽引所亭智能巡測系統

巡測機器人能夠自動根據環境自構建地圖并獲取自身當前位置，設計巡檢方案，通過采集實時信息與激光定位的方式繞過障礙物，繞過之后繼續通過激光信息匹配規劃路徑返回預定軌道，實現自主導航。巡測機器人搭載紅外熱像儀、攝像頭、溫濕度傳感器和拾音器等設備，實現對溫度的檢測、表計數據的自主讀取、濕度的控制和聲音的采集與預警等，從實時畫面、實時數據、遠程操控等多個方面，對牽引所亭的主變壓器、AT自耦變壓器、斷路器、隔離開關、GIS、站內全景等進行全方面輔助監控，為生產過程提供全面、實時的決策依據。

2.2 牽引變電所設備檢測高精度定位技術

在無軌化激光導航定位的基礎之上，巡檢操作機器人系統還將通過視覺圖像識別系統輔助機器人進行高精度的定位，視覺系統通過圖像處理技術，能夠對目標設備的坐標點進行實時分析，得出坐標點數據，智能行走裝置進行定位，以精確地對目標設備點進行操作。

2.3 大數據分析平臺

搭建多狀態量一體化分析平臺，利用變電站后臺，把巡檢所需要的各類地圖電子信息、任務監控信息及各類數據庫資料保存并進行持久化；對單站數據能夠重復疊加，對多站數據能夠集中管理。同時，對機器人運行產生的記錄進行實時存儲，建立一個實時數據區方便各個模塊進行實時數據交換。同時，具有歷史查詢、智能診斷、故障關聯、生成巡測報表及故障預警等功能。

3 技術路線

3.1 鐵路牽引變電所巡檢智能化需求及相關可行性技術研究

通過對國內外研究資料的收集，以及對重點用戶的走訪，發現目前鐵路牽引變電所對于巡檢智能化存在強烈需求：①對變配電所電力設備的運行狀態和站室環境進行巡測，實現全部設備關鍵節點溫度和運行動態監測和異常預警；②通過移動視頻巡測，實現夜間遠程防盜、夜間遠程調度、巡視等功能；③可視化界面和視頻展示巡測數據，實時掌控變配電所運行狀態；④綜合門禁、安防、互聯等系統對接，實現對變配電所全方位本地自動監控和遠程管控；⑤最終實現變配電所的無人值守和安全智能管控。

3.2 多適應性全方位移動技術

機器人底盤驅動單元通過四輪獨立驅動設計，四電機實現四驅四轉，能原地旋轉且不抖動，可實現原地轉彎。經過各惡劣路況和模擬環境越野、越障、越溝、涉水及爬坡試驗，同時通過高低溫、振動等環境可靠性試驗，用來驗證底盤驅動單元的各性能指標。為了更好的實現避障、爬坡功能，加入減振器等避障元素，確保機器人在惡劣路況下長期穩定可靠運行。

3.3 無軌導航技術

無軌導航是不通過事先預埋磁軌或其他形式的軌道來實現巡檢機器人自主行走的導航方案，該系統主要由激光雷達定位技術和導航控制技術組成。其定位方式包括兩大核心技術，即地圖等比構建技術和激光數據實時匹配定位技術。通過激光雷達、慣性測量單元與編碼器的信息融合，使智能巡檢機器人能夠在復雜室外環境和激光數據受到干擾、車輪打滑等復雜情況下，采用傳感器數據的冗余與交叉診斷技術，對受到干擾的信號進行隔離，進而保證機器人導航的可靠性。

3.4 高精度定位技術

將智能機器人置于作業場景中，機器人尋找最佳視野角度，當可以最優識別檢測對象時，機器人使用系統的記憶功能記住當前位置形成預置位。當機器人執行巡檢任務時，通過無軌導航技術到達特定位置，調取預置位，準確識別牽引變電所設備狀態。

3.5 智能巡檢系統在強電磁環境下的抗干擾能力

隨著現代科學技術的發展，電氣和電子設備的數量、種類不斷增加，空間電磁環境變得日益復雜。在這種復雜的電磁環境下，如何減少相互間的電磁干擾，使各設備不受干擾影響而相容地正常工作，是迫切需要研究的課題。

4 功能指標

牽引變電所智能機器人巡檢管理系統，運用無軌化導航技術、多業務系統集中控制、室內室外全覆蓋、多信息集中分析判別、智能故障定位、故障報警、地形適應性技術、智能運維技術，通過模塊化設計，實現全天候工作。主要體現在以下7個方面：①基于無軌化導航技術，機器人按照預先設定的路徑及任務進行巡測，可識別各種表計及指示燈，并自動分析生成數據報表，同時可以對故障進行報警，實現整個主廠房全方位全覆蓋的無人化管理；②牽引變電所智能機器人巡檢管理系統搭建多狀態量一體化數據識別和分析平臺，把移動機器人多業務單元采集的數據統一識別及存儲管理，并建立一個實時數據區，方便各個模塊進行實時數據的交互；③多信息集中分析判別并進行智能故障定位，對故障點及時報警提醒；④地形適應性技術采用激光雷達的導航方案匹配地形，在具備一定環境特征的各類室內外環境下均可通用，可以真正做到一套方案全環境通用；⑤可分類整理運行信息、智能判斷異常信息的智能運維系統，可提示異常的位置、原因及對異常進行預測、排查和準確定位；⑥采用層次清晰的模塊化設計，應具有良好的架構設計、穩定性和擴展性，當某個模塊異常時，不影響其他模塊的正常運行；⑦滿足在惡劣氣象環境、任何時段條件下的巡視檢測和數據傳輸。

5 直接經濟效益分析

大幅降低牽引變電所人力成本：機器人投入后可在第二年回收成本，單站第2年可節約成本35萬元，10年可節約成本535萬元。以某供電段既有的21個站為例，第2年可節約成本10萬元（由于維護人員和管理人員在單站與21個站的數量配比非線性，故總成本節約為非線性關系），10年可節約成本7610萬元；以30人機器人團隊可管轄的60個站為例，第2年可節約成本1740萬元，10年最少可節約成本3億元（表1、表2）。

表1 單站盈虧點分析

表2 21個站盈虧點分析

6 積極意義

牽引所巡測機器人的推廣應用，將成為鐵路新工業化、智能化建設的亮點，提升應用單位的智慧化水平，更有助于提升我國重載鐵路在國內外的形象地位，創造更高的社會效益和經濟效益。

（1）規范地面供電設備作業流程，加強安全管理。采用牽引所巡測機器人可以規范牽引所設備的巡視流程，減少人員人身傷害。保證安全生產管理資源得到充分利用，減少生產管理成本，提高安全生產管理工作效率，充分發揮安全生產管理成果在宏觀和微觀領域的作用，使安全生產管理的成果成為企業決策的重要依據。

（2）提高工作的安全性，保證員工生命安全，家庭幸福。當遇到雷暴、臺風、暴雨、嚴寒、酷暑、深夜等情況，人員無法順利實行室外巡視時，可以使用全天候的智能自主移動巡視監測系統對室外設備進行巡視、對變電所周邊環境進行監視，減少人員人身傷害事件發生。

（3）完善地面設備智能化巡測標準，提升牽引所巡測的整體管理水平。將先進的智能技術、檢測方法和手段運用于牽引所設備巡測中，用新技術輔助生產運行人員充分發揮其專業技能，在安全生產領域高效地開展生產工作、交流生產運行經驗、共享生產運行方法，共同提高專業技能水平，從而有助于提升牽引所的整體管理水平，提高企業競爭力。

高速鐵路牽引所亭智能巡測系統的推廣應用，必將產生巨大的經濟效益和社會效益，是未來智慧鐵路的智能化應用趨勢。