基于ZMQ通信架構(gòu)的巡檢機器人離網(wǎng)控制系統(tǒng)

孟浩，方小文，張永龍

(內(nèi)蒙古京能盛樂熱電有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 011518)

0 前言

電力巡檢是指對電網(wǎng)中的電纜、變電站、配電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，避免設(shè)備故障引發(fā)停電事故。當(dāng)前我國電力巡檢主要依靠巡檢人員定期定時人工巡檢，但電纜、變電站通常地處偏遠(yuǎn)，地理條件惡劣，而配電站數(shù)量繁多。同時，變電站、配電站內(nèi)設(shè)備放置密集，巡檢質(zhì)量及到位率均難以保證，因此電力巡檢機器人對于電網(wǎng)的安全、可靠運維具有重要意義。

通常電站有多條電纜隧道，需要每月定期對電纜隧道進(jìn)行防火封堵、積水情況等檢查，由于電纜隧道空間比較狹小，地面不平整，人工巡檢受環(huán)境制約較大，且電纜隧道氣體成分、含量未知，人員進(jìn)入存在一定的風(fēng)險。因此，需要巡檢機器人在狹小空間對電纜隧道的環(huán)境、電纜運行情況進(jìn)行巡檢。通過巡檢機器人對電纜隧道的全面檢查，及時準(zhǔn)確測量隧道中溫度、氣體含量、濕度等，既提高了巡檢效率和巡檢質(zhì)量，又有效避免人員隧道巡檢的隱患，同時機器人能自動對歷史巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，給出運行報告。

經(jīng)過大量的現(xiàn)場調(diào)研、信號測試發(fā)現(xiàn)，封閉的電纜溝內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境很差，使得在其中運行的依賴無線通信的移動巡檢機器人難以完成相應(yīng)的巡檢任務(wù)。因此，需要巡檢機器人能在無網(wǎng)絡(luò)的情況下自主進(jìn)行脫機巡檢，在巡檢機器人從電纜隧道出來之后，再次連上網(wǎng)絡(luò)的情況下，將自主巡檢的結(jié)果上傳到相應(yīng)的服務(wù)器上。

普遍的移動機器人采用機器人操作系統(tǒng)ROS[1-2]，它是一個適用于機器人的開源的元操作系統(tǒng)，集成了大量的工具、庫、協(xié)議，提供類似OS所提供的功能，簡化對機器人的控制。它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象、底層設(shè)備控制、進(jìn)程間消息傳遞以及包管理。

但在使用ROS的過程中，存在若干問題[3-5]：

(1)使用ROS平臺來進(jìn)行通信，一旦ROS核心服務(wù)roscore掛掉崩潰，整個系統(tǒng)通信都出現(xiàn)問題，各個節(jié)點間無法進(jìn)行通信。

(2)使用ROS平臺來開發(fā)業(yè)務(wù)，強依賴此平臺，靈活性受限于該平臺，擴展性差。

(3)使用ROS平臺開發(fā)的程序，在發(fā)布部署時，需要安裝ROS運行的依賴環(huán)境，否則程序無法運行，復(fù)雜性高。

(4)對網(wǎng)絡(luò)要求比較高，一旦網(wǎng)絡(luò)信號變?nèi)?，?jié)點間通信會斷，并沒有重連機制，這是災(zāi)難性的。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文作者提出基于ZMQ[6-8]通信的分布式架構(gòu)的脫機控制系統(tǒng)，提供一種高穩(wěn)定性、高性能、高擴展性和高可移植的通信方式。這種方法具有穩(wěn)定可靠、網(wǎng)絡(luò)可重連機制、基本無第三方庫依賴等優(yōu)點，解決了開發(fā)、部署使用過程中的問題。

文中的主要創(chuàng)新點如下：

(1)摒棄系統(tǒng)核心服務(wù)節(jié)點，系統(tǒng)各節(jié)點使用分布式架構(gòu)進(jìn)行部署，解決了中心化引起的系統(tǒng)通信不可達(dá)的嚴(yán)重性問題。

(2)系統(tǒng)部署無第三方依賴，提高了安裝部署的便利性。

(3)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)依賴弱，弱網(wǎng)環(huán)境依然可以自主運行，具有穩(wěn)定可靠的重連機制。

(4)具有自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)強度機制，自適應(yīng)分包、解包。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與方案

1.1 管廊巡檢機器人簡介

電纜是變電站電能傳送和信息傳輸?shù)闹匾d體，電纜主要在電纜溝中敷設(shè)，電纜溝上鋪設(shè)蓋板進(jìn)行電纜保護?，F(xiàn)階段輸變電工程大多實行無人值守，且電纜溝位于地下，空間狹窄封閉，給運行人員定期巡檢帶來困難，很難及時發(fā)現(xiàn)電纜火災(zāi)或運行過程中的不安全隱患。2016年6月18日凌晨，陜西西安330 kV南郊變(110 kV韋曲變)發(fā)生主變燒損事故，事故調(diào)查結(jié)果顯示：西安市長安區(qū)鳳棲路與北長安街十字路口(距330 kV南郊變約700 m)電纜溝道井口發(fā)生爆炸；隨即，110 kV韋曲變#4、#5主變及330 kV南郊變#3主變相繼起火；約2 min后，330 kV南郊變6回出線(南寨Ⅰ，南柞Ⅰ、Ⅱ，南上Ⅰ、Ⅱ，南城Ⅰ)相繼跳閘。事故造成負(fù)荷損失24.3×104kW·h，占西安地區(qū)總負(fù)荷的7.34%；停電用戶8.65萬戶，占西安地區(qū)總用戶數(shù)的4.32%。此外還造成了嚴(yán)重的設(shè)備損毀和社會影響。

當(dāng)前，電纜隧道中主要故障有：滲水、電纜老化、線纜腐蝕破損、電纜自燃等。開展機器人電纜隧道巡檢，能夠快速確定故障位置，及時消除電纜故障，在減少電纜火災(zāi)發(fā)生的同時，還能夠確保電能的可靠輸出，避免操作人員受到傷害。此外，巡檢機器人的應(yīng)用還能夠提高輸電安全檢測的自動化程度。考慮到電纜隧道的特點，加大電纜隧道巡檢機器人的研制具有重要意義，要開發(fā)出一種操作方便、靈活性強、安全可靠的機器人，從而有效擴大巡檢范圍，確保電能輸送的可靠性。

隧道電纜巡檢機器人見圖1。適合電纜溝內(nèi)使用的小型化巡檢機器人本體結(jié)構(gòu)，具備防護等級要求及防爆要求。

圖1 電纜隧道巡檢機器人

圖2 B/S架構(gòu)軟件界面

機器人控制系統(tǒng)與后臺數(shù)據(jù)分析軟件平臺能夠?qū)C器人進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，并能夠?qū)⒀矙z數(shù)據(jù)實時回傳并對可見光視頻、熱成像圖片、有害氣體及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷現(xiàn)場問題。

系統(tǒng)構(gòu)架為對等網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控站，基于C/S模式的本地高速歷史數(shù)據(jù)共享和B/S模式的WEB數(shù)據(jù)瀏覽與運行平臺構(gòu)成，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把上述系統(tǒng)集成為一個整體。利用機器人、圖像識別技術(shù)有效補充在線監(jiān)測設(shè)備、人員巡檢的不足，并通過大數(shù)據(jù)分析等對象建模的方法，建立了一套適用于管廊安全及管理的一種方法，實現(xiàn)資源共享和信息互通。通過建立管廊中各子系統(tǒng)的聯(lián)動和快速反應(yīng)機制，來達(dá)到各系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。

1.2 基于ZMQ通信的分布式系統(tǒng)的架構(gòu)

圖3是基于ZMQ通信的分布式架構(gòu)的脫機機器人控制系統(tǒng)。

圖3 基于ZMQ通信的巡檢機器人框架

說明如下：

上述架構(gòu)可劃分為3層，即網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層。

在網(wǎng)絡(luò)層，使用了基于ZMQ消息隊列技術(shù)中的請求-回復(fù)和發(fā)布-訂閱兩種模式實現(xiàn)了分布式架構(gòu)各節(jié)點間的消息通信，保證了節(jié)點通信消息的高速轉(zhuǎn)發(fā)；

在服務(wù)層，使用了基于協(xié)程技術(shù)的同步RPC方案，它讓分布式調(diào)用流程變得更加簡單，在提供強大的遠(yuǎn)程調(diào)用能力時不損失本地調(diào)用的語義簡潔性，并且提高了開發(fā)效率和可維護性。同時在數(shù)據(jù)序列化和反序列化中提出了更高效的方式，加快了同步RPC響應(yīng)的速度；

在業(yè)務(wù)層，即各個業(yè)務(wù)節(jié)點，用來處理巡檢機器人的各個業(yè)務(wù)邏輯。

1.3 ZMQ分布式節(jié)點通信工作過程及原理

巡檢機器人分布式節(jié)點之間通信架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于ZMQ分布式節(jié)點之間通信架構(gòu)

如圖4所示，ZMQ分布式節(jié)點有5個，分別是機器人控制系統(tǒng)、機器人巡檢業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)、機器人附屬設(shè)備控制系統(tǒng)、內(nèi)部算法系統(tǒng)、外部算法系統(tǒng)。

機器人控制系統(tǒng)一般是用WEB或者QT開發(fā)的用來控制機器人的系統(tǒng)，它通過ZMQ的請求-響應(yīng)模式和發(fā)布-訂閱模式與機器人巡檢業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，控制命令使用請求-響應(yīng)模式，獲取機器人狀態(tài)信息使用發(fā)布-訂閱模式。控制指令如圖5所示。

圖5 控制指令流程

狀態(tài)獲取流程如圖6所示。

圖6 狀態(tài)獲取流程

機器人巡檢業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)即機器人的核心大腦，主要接收機器人控制系統(tǒng)發(fā)來的指令然后執(zhí)行相應(yīng)的動作。它主要跟機器人附屬設(shè)備控制系統(tǒng)、內(nèi)部算法系統(tǒng)和外部算法系統(tǒng)進(jìn)行交互。

機器人與其附屬設(shè)備控制系統(tǒng)的通信，主要是機器人用來控制一些附屬設(shè)備(比如防火門、卷簾門等)，其流程如圖7所示。

圖7 附屬設(shè)備控制流程

機器人與算法系統(tǒng)的交互通信，主要是進(jìn)行算法識別，請求算法模塊后算法模塊返回結(jié)果。

如果是內(nèi)部算法系統(tǒng)，則滿足脫機巡檢的要求，即機器人無需外部網(wǎng)絡(luò)即可自主進(jìn)行全面巡檢任務(wù)，后期控制中心PC連上機器人后即可查看巡檢報告。

如果是外部算法系統(tǒng)，則一般是進(jìn)行一些復(fù)雜的算法識別，機器人內(nèi)部的算力無法滿足，這時候需要網(wǎng)絡(luò)要求，機器人需要通過網(wǎng)絡(luò)請求服務(wù)器上的算法模塊，然后服務(wù)器上的算法模塊返回識別結(jié)果。

其流程如圖8所示。

圖8 請求算法識別流程

2 測試案例與測試結(jié)果

2.1 系統(tǒng)運行案例

(1)將該系統(tǒng)部署到圖1所示的電纜巡檢機器人，并啟動該機器人，設(shè)置好巡檢任務(wù)時間點：從1月份到3月份，每兩天零點執(zhí)行周期任務(wù)，持續(xù)進(jìn)行巡檢任務(wù)。

(2)觀察機器人生成的巡檢報告，有無丟失。

由圖9可以看出：從1月份到3月份，每兩天會生成一個巡檢報告，系統(tǒng)并沒有丟失巡檢報告，說明巡檢機器人每天到點都會執(zhí)行巡檢任務(wù)。

圖9 巡檢機器人生成的巡檢報告

隨機抽查幾份巡檢報告，觀察巡檢報告生成的時間點，如圖10—12所示：每份巡檢報告都是在零點啟動，并且每次巡檢的巡檢點拍的可見光圖片都是相同位置，沒有巡檢報告丟失的情況。

圖10 1月8日的巡檢報告

圖11 1月22日的巡檢報告

圖12 1月30日的巡檢報告

圖15 3月25日的巡檢報告

2.2 測試結(jié)果

部署了該系統(tǒng)的巡檢機器人，在復(fù)雜的地理環(huán)境、在規(guī)定的時間點、在巡檢點的固定位置對巡檢點拍照，巡檢報告沒有丟失的情況，每次拍照的位置也是穩(wěn)定的，沒有錯位。由此可以看出：該系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性的特點，并由此獲得了客戶的高度滿意。

3 結(jié)論

通過上述實施案例可以看出，此方案能提高巡檢機器人系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，無論在復(fù)雜環(huán)境還是在正常環(huán)境，尤其是機器人處于離網(wǎng)狀態(tài)下，系統(tǒng)都能有效、穩(wěn)定、不間斷地執(zhí)行巡檢業(yè)務(wù)。