鐵路無人化牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用研究

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 鄭偉軍

牽引變電所是現(xiàn)代鐵路電力系統(tǒng)中的核心部分，用于對(duì)市政電網(wǎng)三相220kV交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車快速穩(wěn)定運(yùn)行。但需要注意的是，鐵路電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，牽引變電所可能受到環(huán)境、線路自身等因素的影響而出現(xiàn)故障，嚴(yán)重干擾電力機(jī)車的運(yùn)行，因而需要采取合理的方式對(duì)牽引變電所進(jìn)行巡檢。傳統(tǒng)人工巡檢時(shí)，效率低且受到人工主觀因素的影響，無法準(zhǔn)確尋找出牽引變電所中出現(xiàn)的故障。基于此，設(shè)計(jì)一種無人化牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)，以此為進(jìn)一步提升鐵路牽引變電所巡檢效果提供幫助。

1 總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)代鐵路領(lǐng)域共有3種無人化牽引變電所巡視方法，分別為輪式機(jī)器人、導(dǎo)軌式機(jī)器人與視頻攝像頭，每種方法具有不同特點(diǎn)，適用于不同場(chǎng)合，需要根據(jù)牽引變電所現(xiàn)場(chǎng)巡視點(diǎn)分布情況、室內(nèi)外設(shè)備分布情況、系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展情況等因素，選擇最佳的巡視方法。其中，牽引變電所巡視點(diǎn)眾多，分布較為分散，需要布置大量攝像頭，且后續(xù)擴(kuò)展難度較大，因而不適用于視頻攝像頭巡視方法。在牽引變電所室內(nèi)，設(shè)備布置較為整齊與規(guī)律，巡視點(diǎn)較為集中，通過導(dǎo)軌式機(jī)器人可以快速準(zhǔn)確完成巡視工作，但鋪設(shè)軌道較長(zhǎng)，軌道數(shù)量眾多，同時(shí)增加現(xiàn)場(chǎng)工作危險(xiǎn)性，因而也不適用于無人化牽引變電所智能巡視要求[1]。

本文設(shè)計(jì)中選擇了輪式機(jī)器人，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中共包含兩大模塊：一是機(jī)器人模塊。為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備巡視設(shè)備，對(duì)牽引變電所內(nèi)部設(shè)備的溫度、運(yùn)行狀態(tài)予以檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給調(diào)度站；二是調(diào)度站。用于完成整個(gè)系統(tǒng)控制與調(diào)度相關(guān)工作，其主要包含4個(gè)功能：3D可視化系統(tǒng)。通過機(jī)器人采集數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，構(gòu)建牽引變電所現(xiàn)場(chǎng)3D模型，以清晰、直觀將現(xiàn)場(chǎng)情況顯示出來；供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通。用于自動(dòng)輸送各設(shè)備模型相關(guān)信息，提升設(shè)備信息管理效果；牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)通。用于自動(dòng)對(duì)設(shè)備模型予以調(diào)節(jié)，以提升設(shè)備模型的準(zhǔn)確性；視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成。用于對(duì)視頻系統(tǒng)升級(jí)，促進(jìn)牽引變電所設(shè)備巡視數(shù)據(jù)交換與控制效果。

圖1 鐵路無人化牽引變電所智能巡視系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 功能詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人功能

機(jī)器人。本文設(shè)計(jì)選擇輪式機(jī)器人，主要包括：一是機(jī)箱。用于對(duì)其他各功能模塊進(jìn)行固定；二是激光傳感器。用于對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果建立現(xiàn)場(chǎng)地圖，以此對(duì)機(jī)器人運(yùn)行進(jìn)行導(dǎo)航；三是云臺(tái)。選擇的是全向云臺(tái)，可360°旋轉(zhuǎn)，用于調(diào)節(jié)攝像頭、測(cè)溫元件的方向；四是攝像頭。用于對(duì)變電所內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及周邊環(huán)境的拍攝，以此判斷變電所運(yùn)行情況是否符合規(guī)定要求；五是壁障傳感器。用于判斷機(jī)器人移動(dòng)線路上是否出現(xiàn)障礙物；六是紅外測(cè)溫元件。用于對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)，判斷牽引變電所環(huán)境溫度是否異常[2]。其中，攝像頭與紅外測(cè)溫元件為核心模塊，直接關(guān)系到整個(gè)智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用情況，針對(duì)牽引變電所智能巡視要求，應(yīng)按照表1參數(shù)對(duì)兩模塊進(jìn)行配置。

表1 智能巡視系統(tǒng)攝像頭與紅外測(cè)溫元件主要參數(shù)表

充電房。用于為機(jī)器人充電與存放，以使機(jī)器人正常運(yùn)行。充電房整體框架為鍍鋅鋼管，外部分別鋪設(shè)一層防腐材料、防水材料等，用于機(jī)器人的保護(hù)，防止充電房潮濕而增加機(jī)器人損壞概率。充電房?jī)?nèi)主要設(shè)備包括：空調(diào)。用于調(diào)節(jié)房?jī)?nèi)溫度，防止房?jī)?nèi)溫度過高或過低而導(dǎo)致機(jī)器人損壞；充電樁。用于向機(jī)器人充電，其中共包含多種充電模式，如自主觸頭連續(xù)充電、手動(dòng)連接車體充電孔充電、手動(dòng)直接連接電池充電等，操作人員可根據(jù)實(shí)際情況而選擇不同的充電方式；專用配電箱。用于安裝、固定相關(guān)電氣設(shè)備。通信模塊。用于系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸，針對(duì)機(jī)器人作業(yè)特點(diǎn)，選擇的是以太網(wǎng)無線通信模式，各機(jī)器人與基站內(nèi)均安裝一個(gè)無線通信芯片，并在芯片內(nèi)分別錄入獨(dú)立的IP地址，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)將其與基站進(jìn)行連接，并完成信息進(jìn)行傳輸，通過基站內(nèi)部的查詢，判斷設(shè)備間通信狀態(tài)是否出現(xiàn)異常。

2.2 調(diào)度站功能

2.2.1 3D可視化系統(tǒng)

隨著牽引變電所設(shè)備數(shù)量的不斷增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖像難以直觀、準(zhǔn)確顯示出牽引變電所實(shí)際情況。為了提升變電所內(nèi)部情況顯示情況，設(shè)計(jì)了3D可視化系統(tǒng)。3D圖像可視化過程主要由3個(gè)階段構(gòu)成。確定建模對(duì)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，結(jié)合智能巡檢系統(tǒng)運(yùn)行要求，主要建模對(duì)象包括：地理位置、桿塔外觀、排水溝等現(xiàn)場(chǎng)基本情況；控制室、檢修室、集油池等內(nèi)部建筑情況；牽引變壓器、斷路器、互感器、避雷裝置等內(nèi)部設(shè)備情況等。而二次電纜無需建模，以降低建模工作量。

模型構(gòu)建。先構(gòu)建出牽引變電所的整體模型，即通過機(jī)器人中的3D激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的采集，通過計(jì)算與分析后，自動(dòng)得到變電所的點(diǎn)云圖，之后以此為基礎(chǔ)，通過OSG軟件予以渲染，以此構(gòu)建出整體模型。構(gòu)建出變電所整體模型后，以CAD軟件為主要工具分別構(gòu)建各設(shè)備與建筑的模型，并通過OSG軟件予以渲染。

模型展示。以C++語言為主要工具，結(jié)合B/S框架技術(shù)等，開發(fā)模型顯示模塊，在保證模型顯示需求的同時(shí)，減少硬件使用，節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)投入。模型展示界面當(dāng)中，主要功能包括各設(shè)備、建筑物、環(huán)境模型的展示、縮放與拖動(dòng)，以便工作人員根據(jù)實(shí)際需求準(zhǔn)確對(duì)模型進(jìn)行查看。模型顯示過程中，先通過對(duì)模型屬性的分析，去除那些無用或應(yīng)用價(jià)值較低的數(shù)據(jù)，以此對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，使模型更加精簡(jiǎn)，為模型加載提供支持。之后，利用具有加載功能的中間層對(duì)模型進(jìn)行加載，將模型基本信息與連接傳輸給系統(tǒng)，這樣雖然加載操作較為煩瑣，但無須大量數(shù)據(jù)支持，顯著提升模型加載效率，降低系統(tǒng)對(duì)調(diào)度站硬件設(shè)備的要求[3]。

2.2.2 供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通

構(gòu)建出3D可視化系統(tǒng)后，系統(tǒng)中將會(huì)出現(xiàn)很多模型，若只有模型，將會(huì)影響模型的顯示效果，因而應(yīng)在設(shè)備模型中添加相應(yīng)的參數(shù)信息。若采用傳統(tǒng)人工輸入模型，不僅需要投入大量實(shí)踐，增加相關(guān)工作人員的工作量，而且還容易受到人員主觀因素的影響而降低輸入信息準(zhǔn)確性。同時(shí)，供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部將會(huì)生成大量設(shè)備信息與運(yùn)維管理信息等。所以，為了將所有模型信息直觀顯示出來，應(yīng)將3D可視化系統(tǒng)與供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)通。當(dāng)生產(chǎn)端調(diào)度系統(tǒng)獲得設(shè)備基礎(chǔ)信息與運(yùn)維管理信息后，自動(dòng)將這些信息傳輸給3D模型，3D模型以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化與豐富，從而提升模型的顯示效果，為牽引變電所調(diào)度管理提供支持。

該功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)，為提升調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，3D可視化系統(tǒng)與供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通運(yùn)行時(shí)，只可對(duì)信息進(jìn)行讀取，禁止對(duì)信息予以修改。此外，為了確保系統(tǒng)順暢運(yùn)行，在3D可視化系統(tǒng)內(nèi)部，構(gòu)建出相應(yīng)的暫存數(shù)據(jù)庫，以對(duì)調(diào)度系統(tǒng)信息的整理以篩選，去除那些無用的信息，以提升系統(tǒng)聯(lián)通運(yùn)行效率，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)通

牽引變電所工作過程中，操作較為頻繁，設(shè)備不斷輪換，使得開關(guān)位置經(jīng)常出現(xiàn)改變，為了提升模型與設(shè)備工作情況的一致性，應(yīng)將3D可視化系統(tǒng)與牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)是牽引變電所管理系統(tǒng)中的重要組成部分，用于對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，對(duì)整個(gè)鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義。所以，現(xiàn)代鐵路領(lǐng)域發(fā)展過程中，已將牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)連接到鐵路關(guān)鍵信息系統(tǒng)內(nèi)。

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為了提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，防止對(duì)整個(gè)鐵路系統(tǒng)運(yùn)行帶來較大干擾，3D可視化系統(tǒng)與牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)時(shí)，采用單向通信模式，即遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)生成遙信變位等報(bào)文信息后，直接傳輸給3D可視化系統(tǒng)，可視化系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)，動(dòng)態(tài)對(duì)設(shè)備模型予以調(diào)節(jié)。但3D可視化系統(tǒng)禁止向遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)傳輸信息或指令，以免干擾遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。與此同時(shí)，在兩系統(tǒng)之間，安裝一套性能良好的防護(hù)系統(tǒng)，用于對(duì)兩系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)控與保護(hù)，防止不良信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)而影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。此外，為了提升兩系統(tǒng)通信安全性，也應(yīng)構(gòu)建暫存數(shù)據(jù)庫（如圖3所示）。

圖3 牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)通結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成

現(xiàn)代鐵路信息管理建設(shè)時(shí)，已經(jīng)建立了遠(yuǎn)動(dòng)功能和視頻監(jiān)控功能，通過這些系統(tǒng)的應(yīng)用，在一定程度上提升鐵路管理效果，但現(xiàn)有功能較為滯后，不符合現(xiàn)代鐵路信息化管理要求。為此，在牽引變電所智能巡視系統(tǒng)中，應(yīng)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)與集成，即增加多種攝像頭畫面調(diào)節(jié)方式：點(diǎn)擊相應(yīng)的設(shè)備模型，利用本系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)優(yōu)化攝像頭參數(shù)；在3D可視化系統(tǒng)內(nèi)，點(diǎn)擊攝像頭模型，以此顯示相應(yīng)的畫面信息；直接利用攝像頭內(nèi)的列表獲得畫面。

3 工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

按照上述內(nèi)容對(duì)智能巡視系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，并應(yīng)用到某鐵路牽引變電所內(nèi)，通過該變電所對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用情況的觀察，判斷系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果，其中巡視點(diǎn)681個(gè)，分合區(qū)域39個(gè)，儀表讀數(shù)區(qū)域48個(gè)，紅外測(cè)溫區(qū)域328個(gè)，其他區(qū)域266個(gè)。通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證觀察可發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人方面，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)巡視時(shí)間在90～110min范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于人工巡視的150min，且巡視內(nèi)容更加詳細(xì)；在調(diào)度站功能方面，系統(tǒng)可構(gòu)建并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)3D模型，真實(shí)、準(zhǔn)確顯示出變電所設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

綜上，某現(xiàn)代鐵路牽引變電所信息化管理系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，開發(fā)出一套集輪式機(jī)器人、3D可視化系統(tǒng)、供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通、牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)通、視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成為一體的智能化巡視系統(tǒng)，以加強(qiáng)對(duì)變電所內(nèi)部設(shè)備的巡視與檢查，使相關(guān)工作人員準(zhǔn)確了解內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行情況，為提升整個(gè)變電所設(shè)備運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性提供有力支持。