中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局 連興文

引言

閥廳是整個(gè)換流站的核心部分，其主要是進(jìn)行換流閥放置的封閉建筑，閥廳是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行，直接關(guān)系到整個(gè)直流輸電系統(tǒng)、換流站的安全性與穩(wěn)定性。由于換流閥本身的特性，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)生成大量的熱量，需要配置溫度監(jiān)控設(shè)施、高效冷卻設(shè)施，而正是因?yàn)闇囟缺O(jiān)控設(shè)施、冷卻設(shè)施在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)故障，必須要針對(duì)閥廳進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與定期巡檢，才能夠有效保障閥廳運(yùn)行的安全性。

傳統(tǒng)的巡檢模式主要是通過(guò)人工方式進(jìn)行巡檢，因此會(huì)面臨手段單一、檢測(cè)質(zhì)量分散、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷，從而導(dǎo)致選件及時(shí)性、到位率均無(wú)法得到有效的保障，同時(shí)固定方位的監(jiān)控系統(tǒng)也存在著較大的局限性，整體效果不夠理想[1]。然而5G 時(shí)代的全面到來(lái)，由于各種新興技術(shù)的不斷普及應(yīng)用，諸如人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算等新興技術(shù)的不斷應(yīng)用，為閥廳巡檢提供了有效的技術(shù)支持。

上述背景下，智能巡檢機(jī)器人逐漸成為行業(yè)研究的重點(diǎn)。對(duì)于閥廳管理來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)閥廳主要是采用人工巡檢的模式進(jìn)行管理，整體管理效率相對(duì)較為低下，同時(shí)巡檢的及時(shí)性、覆蓋率等均不夠理想，顯然已經(jīng)無(wú)法滿足閥廳巡檢工作的要求。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究結(jié)合閥廳巡檢工作需求與信息技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，深入闡述了閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與實(shí)際應(yīng)用情況，現(xiàn)針對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行如下分析，僅供參考與借鑒。

1 閥廳智能巡檢機(jī)器人概述

所謂閥廳智能巡檢機(jī)器人，指的是建立在可移動(dòng)的感知執(zhí)行平臺(tái)基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)本身搭載了多種類型的傳感器，以此來(lái)針對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)完成設(shè)備操作、業(yè)務(wù)處理等能夠定制的可編程多功能操作系統(tǒng)。閥廳智能巡檢機(jī)器人能夠全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢工作中面臨的一些重復(fù)性、危險(xiǎn)、困難的工作，而且閥廳智能巡檢機(jī)器人的穩(wěn)定性也更高。

從當(dāng)前普遍應(yīng)用的閥廳智能巡檢機(jī)器人來(lái)看，基本都是利用四驅(qū)底盤、無(wú)軌化導(dǎo)航技術(shù)，同時(shí)集成導(dǎo)航單元、通訊單元、主控單元、供電單元、驅(qū)動(dòng)單元、防護(hù)單元等多個(gè)模塊，本身具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，具有集群化、無(wú)軌化、可調(diào)配、智能化的優(yōu)勢(shì)，能夠有效適應(yīng)高溫、高寒等惡劣條件，且能夠與電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，能夠開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)控、紅外測(cè)溫、可見(jiàn)光圖像識(shí)別、故障報(bào)警、巡檢報(bào)告分析、定點(diǎn)巡檢、智能巡檢等多項(xiàng)工作。

2 閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)框架

閥廳智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)智能軌道來(lái)設(shè)計(jì)行走方式，并在軌道中進(jìn)行各種系統(tǒng)的掛載，如自動(dòng)化機(jī)電設(shè)施、溫濕度傳感器、影音采集設(shè)施、音視頻采集設(shè)施等，同時(shí)利用紅外熱成像相機(jī)針對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱圖像采集、熱分析，利用普通可見(jiàn)光相機(jī)來(lái)針對(duì)閥廳進(jìn)行遠(yuǎn)程的圖像采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，利用云臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸采集完成的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠及時(shí)掌握閥廳各種設(shè)備運(yùn)行狀況[3]。

2.1 系統(tǒng)硬件

對(duì)于閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包含軌道及升降設(shè)備、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、供電模塊、通信組件、控制中心等共同組成，基于各種拾音器、攝像機(jī)來(lái)完成音視頻采集工作，通過(guò)數(shù)字模擬之后，將對(duì)應(yīng)的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心后臺(tái)。此次系統(tǒng)可以滿足RS485協(xié)議、TCP/IP 協(xié)議，具體的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的核心，全面負(fù)責(zé)閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行控制?？刂浦行闹饕峭ㄟ^(guò)DSP 處理器、嵌入式CPU、通信模塊等共同組成。根據(jù)電機(jī)的工作模式來(lái)看，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要包含直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可以針對(duì)電機(jī)垂直升降、水平移動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)還能夠針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度、正反向等進(jìn)行控制[4]。

軌道機(jī)針對(duì)巡檢機(jī)器人的整個(gè)軌道運(yùn)行情況進(jìn)行控制，基于軌道總成來(lái)進(jìn)行拐彎或者直線運(yùn)行模式，這個(gè)過(guò)程中能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線供電[5]。與此同時(shí)，通過(guò)升降機(jī)的使用，還能夠針對(duì)各種掛載設(shè)備進(jìn)行多維度的移動(dòng)，使得巡檢機(jī)器人能夠針對(duì)閥廳進(jìn)行更為系統(tǒng)的掃描，且能夠提升精度更高的定位服務(wù)。此外，通信模塊主要可以提供有線與無(wú)線通信接口，滿足多元化的通信傳輸需求。

電源模塊主要是為整個(gè)系統(tǒng)及各種掛載系統(tǒng)提供電力方面的支持，能夠綜合參考閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)需求提供多元化的電力支持，如AC 220V，AC 48V，AC 24V，DC 48V ，DC 18V，DC 12V 等。此外，通過(guò)雙觸點(diǎn)焦點(diǎn)技術(shù)、直線滑環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，能夠解決傳統(tǒng)模式面臨的掉電問(wèn)題。閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的功能主要是應(yīng)用于通信，能夠讓系統(tǒng)滿足人機(jī)交互的需求。一方面，軟件能夠應(yīng)用于接收工作人員的各類指令，然后針對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行控制；另一方面，軟件能夠獲取巡檢機(jī)器人傳輸?shù)母鞣N信息，包括傳感器信息、畫(huà)面等。閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)包含巡檢配置模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)分析管理、系統(tǒng)設(shè)置等。具體是采用MVC 分層模式，將系統(tǒng)分別劃分為（Model）、視圖（View）以及控制器（Controller）。

模型能夠直接針對(duì)應(yīng)用程序相關(guān)的數(shù)據(jù)邏輯進(jìn)行處理；視圖則能夠直接現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序當(dāng)中的數(shù)據(jù)處理信息；控制器主要是負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的讀取、處理。上述三個(gè)層次之間完全獨(dú)立，相關(guān)開(kāi)發(fā)人員可以基于實(shí)際應(yīng)用需求，針對(duì)各個(gè)層次實(shí)施更改處理，系統(tǒng)本身具有理想的擴(kuò)展性。此外，MVC 分層模式還能夠讓系統(tǒng)應(yīng)用于擴(kuò)展平臺(tái)，可移植性較為理想。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

3 巡檢機(jī)器人設(shè)置

3.1 巡檢機(jī)器人

巡檢機(jī)器人主要是通過(guò)多個(gè)傳感器共同組成的系統(tǒng)，通過(guò)掛載補(bǔ)光設(shè)施、拾音設(shè)備、攝像頭、紅外檢測(cè)儀等，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)范圍主要是根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況進(jìn)行軌道的定制，水平運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)360°持續(xù)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)范圍通常可以達(dá)到-45～90°。

紅外檢測(cè)儀的使用，能夠直接針對(duì)閥廳TVM板、換流閥晶閘管、閥冷卻系統(tǒng)、交直流濾波器、平波電抗器、換流變壓器、套管、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，針對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。拾音設(shè)備能夠針對(duì)閥廳環(huán)境各種設(shè)施的運(yùn)行聲音狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)針對(duì)音頻進(jìn)行可視化的顯示。系統(tǒng)也能夠利用巡檢機(jī)器人直接針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展音頻廣播，包括各種實(shí)時(shí)喊話、警示音頻、語(yǔ)音指導(dǎo)等。巡檢機(jī)器人通過(guò)多種傳感器進(jìn)行信息的采集、傳輸，同時(shí)又能夠直接接受系統(tǒng)多種控制模式，還能夠通過(guò)掛載傳感器的調(diào)整，針對(duì)巡檢機(jī)器人功能進(jìn)行拓展。

3.2 多模式巡檢

閥廳內(nèi)部的各種儀器設(shè)備較為復(fù)雜，而且相互之間呈現(xiàn)為緊密排布的狀態(tài)，閥廳智能巡檢機(jī)器人也需要通過(guò)方便、可控、靈活的巡檢模式，才能夠有效保障巡檢工作的效果。這就需要采用多模式混合的模式開(kāi)展巡檢，在有效滿足持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間巡檢、有效覆蓋面積的前提下，進(jìn)行遙控檢測(cè)、精確檢測(cè)。

針對(duì)上述要求，可以引入2種巡檢機(jī)器人，包括遙控巡檢模式、智能巡檢模式。遙控巡檢模式主要是共同遠(yuǎn)程控制，針對(duì)特定位置、設(shè)備進(jìn)行巡檢。智能巡檢模式主要是根據(jù)提前預(yù)設(shè)的內(nèi)容，包括啟動(dòng)時(shí)間、巡檢范圍、巡檢內(nèi)容，自動(dòng)進(jìn)行巡檢，同時(shí)基于設(shè)備智能分析，生成對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。當(dāng)智能巡檢機(jī)器人發(fā)現(xiàn)故障的情況下，能夠針對(duì)該位置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)巡檢，進(jìn)一步確定故障問(wèn)題，在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。

4 智能故障診斷專家系統(tǒng)

閥廳智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，要想實(shí)現(xiàn)智能化的目標(biāo)，就必然需要引入專家?guī)?。本研究提出的系統(tǒng)是在傳統(tǒng)專家?guī)斓幕A(chǔ)上融入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖如圖4?；贐P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，能夠直接把把維修技師、維修工程師積累的實(shí)際診斷經(jīng)驗(yàn)與維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納，通過(guò)閾值與節(jié)點(diǎn)的模式儲(chǔ)存到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，同時(shí)綜合利用樣本訓(xùn)練，最終建立隱式知識(shí)庫(kù)，能夠不斷模擬專家基于直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷推理的進(jìn)程。在長(zhǎng)時(shí)間使用積累的過(guò)程中，針對(duì)新故障進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)，能夠針對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行不斷的完善，進(jìn)一步提升巡檢機(jī)器人的智能化水平。

圖4 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)架構(gòu)

人機(jī)交互界面(human-computer interface，HCI)作為人—機(jī)—環(huán)進(jìn)行交流溝通的主要結(jié)構(gòu)，其需要滿足閥廳內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，且需要滿足海量信息傳輸?shù)男枨??；谏鲜鲆?，本研究設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面主要包含四個(gè)部分：

二維地圖或者三維地圖，能夠?qū)崟r(shí)顯示各種電子地圖的各種信息，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄、導(dǎo)出、下載等功能，全面反映機(jī)器人工作狀況；針對(duì)閥廳高清圖像、熱成像圖像信息等進(jìn)行顯示；針對(duì)當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行顯示，包含智能巡檢機(jī)器人狀態(tài)、巡檢點(diǎn)情況等；報(bào)警相關(guān)的信息內(nèi)容，包括報(bào)警時(shí)間、報(bào)警值、報(bào)警內(nèi)容等?；谥悄芄收显\斷專家系統(tǒng)的應(yīng)用，系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與趨勢(shì)分析，生成日志以供查看，能夠提前預(yù)測(cè)閥廳可能出現(xiàn)的設(shè)備故障和運(yùn)行環(huán)境缺陷，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息通知后臺(tái)管理人員。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能夠全面解決傳統(tǒng)人工巡檢存在的管理效率相對(duì)低下、巡檢的及時(shí)性差、覆蓋率低等諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能化巡檢、專家系統(tǒng)分析，全面提升閥廳巡檢的智能化水平，從而有效保障換流站、電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。