配電室智能巡檢機器人系統(tǒng)分析與應(yīng)用

鶴壁豐鶴發(fā)電有限責任公司 陳志清

傳統(tǒng)的配電室人工巡檢方式存在耗時費力、實時性差的缺點，正在被智能巡檢機器人替代。鶴壁豐鶴發(fā)電有限責任公司配電室采用軌道式智能巡檢機器人實現(xiàn)配電室全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控，有效降低了勞動強度，提高了正常巡檢作業(yè)和管理的自動化和智能化水平，為智慧電廠提供創(chuàng)新型的技術(shù)檢測手段和全方位的安全保障。本文針對軌道式智能巡檢機器人在鶴壁豐鶴發(fā)電有限責任公司配電室中的研究與應(yīng)用情況，論述了系統(tǒng)架構(gòu)、主要功能和設(shè)備狀態(tài)識別技術(shù)等方面，該項目可在同類項目進行推廣應(yīng)用。

鶴壁豐鶴發(fā)電有限責任公司配電室長18m，寬7.5m，高6m，中間布置兩排高低壓成套配電柜，負責整個化學(xué)水車間所有設(shè)備的電源供電。為了減少運行人員日常勞動強度，提高工作質(zhì)量和效率，保障配電室內(nèi)安全運行，鶴壁豐鶴發(fā)電有限責任公司采用一臺軌道式智能巡檢機器人代替人工巡檢，實現(xiàn)24小時不間斷巡檢。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

配電室軌道式智能巡檢機器人系統(tǒng)主要由巡檢機器人、軌道、無線充電基站、通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺組成。

1.1 巡檢機器人

軌道式巡檢機器人是整個巡檢系統(tǒng)的核心組成部分，機器人本體搭載360°雙光云臺、紅外熱像儀、超聲傳感器、氣體傳感器、環(huán)境監(jiān)測等傳感器。前端為帶伸縮可見光攝像機，通過伸縮桿伸縮可見監(jiān)測配電柜底部設(shè)備狀態(tài)，后端為紅外熱像儀，可以檢測配電柜設(shè)備溫度信息，巡檢機器人外型如圖1所示。

圖1 巡檢機器人 Fig.1 Inspection Robot

1.2 軌道

機器人軌道采用工字型高強度鋁合金型材，表面經(jīng)陽極氧化處理，具備高抗腐蝕和較強的耐磨損性能。在配電室兩排配電柜之間從屋頂?shù)跹b軌道，工字型軌道通過專用的吊裝結(jié)構(gòu)懸掛于配電室頂部。軌道現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 軌道Fig.2 Track

1.3 無線充電基站

根據(jù)配電室布局在機器人軌道一端部署無線充電基站，機器人電量不足時自動進入基站進行無線電能補給。

1.4 通訊網(wǎng)絡(luò)

在配電室部署無線通訊設(shè)備，機器人與基站之間通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊，在基站與后臺監(jiān)控平臺敷設(shè)光纜，通過光纜與后臺監(jiān)控平臺實時通訊。其組網(wǎng)拓撲圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.3 Network topology diagram

1.5 監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺是機器人任務(wù)分配的可視化智能調(diào)度平臺，主要完成機器人的集中監(jiān)控、任務(wù)配置、數(shù)據(jù)分析和報警等功能。主要包含機器人管理模塊、實時監(jiān)控模塊、任務(wù)管理模塊、巡檢結(jié)果確認模塊、巡檢結(jié)果分析模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)調(diào)試維護模塊和通訊接口模塊。

2 主要功能及特點

配電室軌道式智能巡檢機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢的“看”“聽”“嗅”“觸”，對配電室設(shè)備、環(huán)境等進行不間斷巡檢。主要功能和特點如下：

2.1 主要功能

2.1.1 移動高清視頻監(jiān)控

軌道式巡檢機器人安裝360°連續(xù)轉(zhuǎn)動球型云臺，實現(xiàn)全方位巡檢監(jiān)控。搭載1080P高清可見光相機，實現(xiàn)配電室內(nèi)實時移動視頻監(jiān)控。

2.1.2 設(shè)備狀態(tài)識別功能

智能巡檢機器人采用視覺導(dǎo)航技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法對現(xiàn)場典型設(shè)備進行學(xué)習(xí)。在實施過程中軌道機器人可自動移動到指定位置，控制云臺自由轉(zhuǎn)動，拍攝區(qū)域內(nèi)各種表計設(shè)備照片，并將采集到的信息實時傳輸?shù)街骺睾笈_服務(wù)器，系統(tǒng)自動根據(jù)圖像信息，識別表計讀數(shù)，并記錄在數(shù)據(jù)庫，當發(fā)現(xiàn)表計數(shù)據(jù)沖超過預(yù)設(shè)的報警值時，進行聯(lián)動預(yù)警并反饋位置，運維人員第一時間進行搶修。

主要識別設(shè)備有：電壓表、電流表等表計指示；開關(guān)柄、接地刀閘、貯能狀態(tài)等機械位置及電氣指示檢測；狀態(tài)指示燈自動識別；旋鈕開關(guān)位置識別。設(shè)備狀態(tài)識別圖如圖4所示。

圖4 設(shè)備狀態(tài)識別圖Fig.4 Device status recognition diagram

2.1.3 紅外測溫檢監(jiān)測

智能巡檢機器人搭載紅外熱成像儀，控制云臺自由轉(zhuǎn)動，拍攝配電室內(nèi)各種設(shè)備紅外熱成像圖譜。自動巡檢過程中，自動發(fā)現(xiàn)溫度超限節(jié)點和設(shè)備，依照行業(yè)規(guī)范對巡檢設(shè)備進行溫度檢測，對缺陷或故障進行自動分析判斷，并預(yù)警。

2.1.4 監(jiān)測環(huán)境溫度與濕度

軌道式機器人配備有先進的溫濕度傳感器，溫度測溫范圍為-20℃～60℃，濕度測量范圍為0～99%RH。機器人對配電室局部位置或全線的溫濕度進行實時監(jiān)測，生成溫濕度變化趨勢圖，根據(jù)局部溫濕度變化情況進行按需巡檢。

2.1.5 自動巡檢功能

軌道式機器人提供多種方式的自動巡檢計劃和方案，實現(xiàn)完全自動化運行，實現(xiàn)每天多次的對設(shè)備工作狀態(tài)的巡檢、自動預(yù)警、自動輸出報表等功能，減少人員到現(xiàn)場巡視次數(shù)，提高運行人員工作效率，有效降低運行人員的工作強度。

2.1.6 可燃、有毒有害氣體檢測

智能巡檢機器人搭載多種氣體傳感器，采用線性模擬電壓輸出，經(jīng)DSP內(nèi)置高精度ADC進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，實時監(jiān)測氣體濃度和煙霧，當濃度不在安全范圍內(nèi)時在本地和遠程中心管理平臺進行聲光報警。

2.1.7 語音對講及現(xiàn)場指揮功能

巡檢機器人具有雙向語音對講功能，運行人員遠程操作機器人監(jiān)督現(xiàn)場人員操作及施工，是定期檢修的有效工具。

2.2 主要特點

2.2.1 無線自主充電

軌道式機器人采用無線自主充電的供電方式，機器人自身帶電量管理系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備電量閾值靈活自主進行電能補給，無需人為干預(yù)。

2.2.2 遙控功能

智能巡檢機器人可以通過監(jiān)控平臺遠程遙控巡檢機器人，還可以通過配套的手持遙控器在就地對巡檢機器人進行遙控，方便維護人員后期維護。

2.2.3 精確定位功能

智能巡檢機器人在運動過程中通過伺服電機編碼器進行精確定位，遠程中心管理平臺可以實時了解巡檢機器人的位置信息。

3 主要技術(shù)

本系統(tǒng)在配電室設(shè)備狀態(tài)識別上采用了視覺導(dǎo)航技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的技術(shù)，巡檢機器人通過視覺導(dǎo)航定位設(shè)備，然后采集開關(guān)狀態(tài)、指示燈等設(shè)備圖像信息上傳至服務(wù)器，通過服務(wù)器上建立的設(shè)備狀態(tài)模型識別出設(shè)備狀態(tài)信息。為了提高設(shè)備識別率，本系統(tǒng)搭建了基于Tensorflow平臺的深度學(xué)習(xí)模型，通過不斷采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練迭代，得到最優(yōu)模型。配電室設(shè)備狀態(tài)自動識別步驟如圖5所示。

圖5 設(shè)備狀態(tài)自動識別步驟Fig.5 Automatic identification steps of device status

3.1 獲取各設(shè)備圖像數(shù)據(jù)集并進行預(yù)處理

（1）采集配電房內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)、指示燈圖像數(shù)據(jù)；

（2）利用標注工具Labelimg對圖像數(shù)據(jù)中設(shè)備運行狀態(tài)進行標注；例如：設(shè)備指示燈狀態(tài)時，若指示燈亮燈則標注“l(fā)ight”，若指示燈滅燈則標注“dark”；

（3）對標注完成的數(shù)據(jù)按照檢查錯標、漏標數(shù)據(jù)、篩選重復(fù)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)清洗的規(guī)則進行數(shù)據(jù)清洗，做為模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集，并按照比例劃分訓(xùn)練集與測試集。

3.2 設(shè)備狀態(tài)模型的構(gòu)建、訓(xùn)練、測試

（1）獲取各設(shè)備圖像的形狀、顏色、尺寸和線條特征，構(gòu)建模板圖像，并根據(jù)模板圖像特征分別進行訓(xùn)練建模；

（2）利用Cascade R-CNN算法，搭建設(shè)備狀態(tài)分析模型，使用不同的IOU閾值，采用Cascade回歸的采樣機制，以上一步輸出作為下一步輸入，得到越來越高的IOU閾值，訓(xùn)練多個級聯(lián)的檢測器，從而提升識別精度，定位各待測圖像內(nèi)的目標區(qū)域；

（3）導(dǎo)入訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，獲得初始模型；

（4）利用測試集數(shù)據(jù)對初始模型進行測試。

3.3 模型的部署

將設(shè)備狀態(tài)模型封裝在應(yīng)用容器引擎Docker中并一鍵啟動，調(diào)用對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)模型接口即可實現(xiàn)相應(yīng)的圖像識別，并反饋測試結(jié)果。

3.4 獲得最優(yōu)模型

根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整學(xué)習(xí)率Learningrate、Batch_size、Resize等，新的一版模型可以在上一版的基礎(chǔ)上進行參數(shù)的調(diào)整，不斷進行迭代優(yōu)化調(diào)整模型參數(shù)，直至模型的識別準確率達到95%以上時，獲得最優(yōu)模型。

4 結(jié)語

配電室智能巡檢系統(tǒng)以西安華控智能巡檢機器人為核心，融合多種先進技術(shù)，既具有人工巡檢的靈活性、智能性，同時也克服和彌補了人工巡檢存在的一些缺陷和不足，更適應(yīng)智慧電廠發(fā)展的實際需求，具有巨大的優(yōu)越性，是智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。