人機協同視域下智能巡檢機器人設備在變電站巡視領域的應用分析

劉正勝 孟濤 安桂敏 錢澤中 瞿文龍

一、智能巡檢機器人系統組成

變電站巡檢機器人設備包含多重技術：電磁兼容技術、多傳感融合技術、導航、模式識別技術、無線傳輸技術[1-2]。因此采用分層控制，具體來說，就是遠程集控、本地監控和移動站控制三層。遠程集控系統層安裝在調度或集控中心，用來統一管理、監控多個變電站的機器人巡檢系統[3-5]。本地監控系統和移動站控制系統都在變電站，本地監控主要是用來操控機器人的，而移動站控制是配合本地監控，用來開展具體工作的。

移動站由兩部分組成：移動體運動控制子系統、工作子系統。

移動體運動控制子系統構成：PC104主板、PMAC2A-104運動控制卡、電機驅動器。

工作子系統主要負責完成機器人在巡視過程中需要做的工作。

二、智能巡檢機器人系統功能

變電站機器人巡檢系統應具備巡視功能，可制定巡檢計劃，對變電站內的設備開展設備外觀檢查、表計讀取、紅外測溫、聲音檢測等巡視工作，或通過人工遙控操作，對指定設備進行現場監視及遠程視頻指導等工作。巡檢系統應具備數據分析和管理功能，可查詢歷次巡檢計劃編制、數據記錄和報表生成情況，可獲得歷史巡檢軌跡曲線，可開展設備測溫、刀閘分合狀態判斷、懸掛異物判斷、聲音判斷等缺陷、故障診斷工作，并對異常情況報警。巡檢系統應滿足技術條件要求。

三、智能巡檢機器人系統基本工作原理

智能巡檢機器人由紅外熱成像技術原理，模糊控制原理，卡爾曼濾波原理三個基本的工作原理組成[6-7]。

紅外熱成像技術原理：通過吸收紅外福射能量，測出設備表面的溫度和溫度場的分布，可以清晰的判斷出設備是不是發熱，并能在紅外測溫儀上看出來，使效果直觀顯現出來。

模糊控制原理：以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一類計算機控制策略，是一種非線性控制。模糊控制系統的基本結構，由模糊化、知識庫、模糊推理和清晰化(或稱去模糊化)4個功能模塊組成。

卡爾曼濾波(Kalman filtering)采用由狀態方程和觀測方程組成的線性隨機系統的狀態空間模型來描述濾波器，并利用狀態方程的遞推性，按線性無偏最小均方誤差估計準則，采用一套遞推算法對該濾波器的狀態變量作最佳估計，從而求得濾掉噪聲的有用信號的最佳估計。

四、智能巡檢機器人巡檢方式

智能巡檢機器人巡檢應包含正常巡檢、特殊巡檢、故障巡檢[8]。

正常巡檢：運行單位根據變電站巡檢計劃，安排機器人對站內設備進行周期性的巡檢工作；正常巡檢中，變電站巡檢機器人一般應完成室外部分各類一次設備的巡視，無法安排機器人安全到達的區域除外；各項巡檢內容可以單獨進行也可以根據需要組合進行。

特殊巡檢：該巡檢適用情景，如系統大負荷及高溫時；設備經過檢修、試驗、改造或長期停用，重新投入運行及新安裝設備投入運行；惡劣天氣、自然災害、外力影響發生前、后；法定節假日和上級通知有重要保供電任務期間；設備操作需要現場監視或遠程視頻指導時；熄燈夜巡時。特殊巡檢計劃應根據具體巡檢任務和巡檢目的制訂。特殊巡檢宜全程人工遠程監控，同步進行巡檢數據檢查與復核。如果現場環境不利于巡檢工作繼續開展或機器人行為異常，應立即中止巡檢。

故障巡檢：設備發生故障，現場情況不明或人員去現場查看存在人身傷害風險時，應全程人工遠程監控；設備帶電運行，但存在尚未消除的缺陷或隱患，需要定期跟蹤巡檢時。故障巡檢計劃應根據具體巡檢任務和巡檢目的制訂?，F場環境不利于巡檢工作繼續開展或機器人行為異常，應立即中止巡檢。

五、實例分析

本文針對220kV某變電站開展了機器人巡檢系統的應用。

（一）機器人巡檢系統路徑設置

1、錄制地圖

首先要對變電站進行現場勘察，確定原點和路線。在某些較大的站，如500kV站，機器人電量可能支撐不了地圖錄制完成，通常需要分區域錄制。分區域錄制時，需要確定原點坐標（首次錄制時的機器人起點），每個區域均從這個點啟動錄制。如圖1所示，將該站分為3個區域，原點在三區域交匯處。

圖1 大型變電站原點確定方法

為了方便后期制作路徑，盡量保證機器人走過所有需要巡檢的路線，盡量在區域內有路徑閉環。其閉環的解釋如圖2所示：

圖2 閉合路徑掃描示意圖

機器人以路徑1-2-3-4掃描云龍東線，這就是一個閉環。掃描云龍西線時，緊接著云龍東線掃描路徑以1-5-6-7-2，同理龍團一線以路徑5-8-9-10-6。簡單來說就是在小范圍內需要掃回起始點。至于以哪種路徑方式可以靈活選擇，掃圖時機器人可以前進/后退進行，但操作者不能遮擋激光（操作者需在機器人前方操作）。

使用平板軟件連接機器人，將機器人放在原點處（在錄制地圖前，先標記車頭朝向），用運動按鍵控制機器人按照勘察好的路線運動，在錄圖過程中需要關注機器人是否處于開啟錄制狀態，如果錄制狀態被異常關閉，需要將機器人移動至關閉時刻的那個點，并重新開啟錄制功能。

2、制作路徑

在實際運用環境中，變電站面積較大，需要巡檢的路徑也很長，在機器人0.5m/s的運動速度下，很可能掃描時間超長，增加調試人員在戶外的時間。所以，我們可以采取分區域的方式來進行掃圖，以減少一次錄圖的文件大小，降低出現錯誤的概率。同時，也可以分時間，分進度等靈活進行調試。分區域掃圖需要確定掃圖的開始點（即原點）。原點的位置宜選擇所有分區的中心位置，以便以最小的路程到達需要掃描的區域，節省時間。

掃描地圖需要把機器人將要巡檢的路線全部掃描一次，并且因激光定位的特殊性，最好能夠圍繞設備轉一圈形成閉環，以保證掃描的全面性。同時，在開始錄制地圖前，規劃好路徑，以減少走重復路的情況，減少調試時間。

以主變區域為例制作路徑，如圖3所示。

圖3 主變路徑制作

如果遇到無法形成閉環的情況（斷頭路），到達路徑端點后，將機器人調頭，換一個方向將機器人退出該路徑。

制作方法：

加載地圖：

打開《DrawPathTool.exe》軟件，通過“文件-打開”選擇《navigation.yaml》文件，軟件將呈現掃描的地圖。

參考路徑：

通過“文件-加載參考路徑”選擇《navigation.path》文件，軟件將呈現掃圖時機器人運行的軌跡。如圖4虛線所示：

圖4 參考路徑

圖4中圓圈為原點，箭頭為方向。

基本路徑：

點擊“繪制”功能，在地圖上點擊左鍵確認路徑端點，移動鼠標確認路徑長度和角度，點擊右鍵取消路徑操作。此時可以參考原始軌跡，如圖5所示：

圖5 基本路徑1

在繪制地圖時，需要注意機器人起點位置必須由原點位置開始，第一條由原點開始的路徑最好以原點車頭方向為路徑運動方向。

如果路徑需要做微小調整時，可以點擊“編輯”，左鍵按住端點（圓圈），使用鍵盤上、下、左、右鍵可以實現路徑一次5cm移動。

在交叉路口處，可使用“增加點”來實現交叉繪制，如圖6所示：

圖6 基本路徑2

在彎道，需要保證半徑在1m以上，且彎道上不能執行runto命令。如圖7所示：

圖7 基本路徑3

在某些有縫隙的蓋板路中，機器人運行可能會產生探溝報警，這種情況需要通過調整路徑來規避，在該處路徑設置成曲線路徑，使機器人探溝光束不會持續照射到蓋板路縫隙中。

3、路徑驗證

在完成地圖下發后，將機器人運動至零點位置，通過CLI發送clear pos命令后，復位機器人位置，開始地圖驗證。地圖驗證是驗證機器人在巡線路徑時，是否按照實際需要行走。如果出現偏差，根據偏差情況對路徑端點進行調整。

如圖8中設置路徑為紅色，但機器人實際走的路徑為黃色：

圖8 路徑驗證

此時實際路徑相對于規劃路徑向右偏差15cm，故此時我們需要將路徑向左調整15cm，調整后下發給機器人。

此時只需要點擊單獨下發路徑到機器人即可，以避免機器人重啟，耽誤調試時間。下發后，再次驗證機器人是否按照設置路徑行走。并且同時下發到數據庫。

如果機器人在轉彎點的位置發生偏移，則只需調整轉彎點端點的位置即可。

機器人在諸如坡道、凹凸路面等路面運行時，過快的運行速度可能損壞機器人，所以需要限制機器人運行速度。在“激光機器人地圖錄入工具”選擇“繪制功能區域-減速區域”繪制，確定地圖中需要設置減速區域的位置，并繪制減速區域，所畫區域一定要覆蓋所有需要減速的位置。常規減速區域設置中，區域寬度為1m（在路徑兩側平均發分配）。如果路徑為弧形，區域可適當放寬。

總結

變電站用機器人和人工搭配巡視，具有很大的優勢，不僅能夠更加精確的對變電站設備狀態進行分析，還能夠彌補人工巡視帶來的不足，也會越來越適應現代電網的發展需求，應用前景和發展空間是非常廣闊的，值得各大電網公司推廣使用。