變電站智能巡檢機器人監控系統設計與實現

李 梁，劉 帥，李國波，趙洪丹

0 引言

變電站是整個電力系統的關鍵設施，其工作狀況直接影響到整個電力網絡能否正常運行。所以對其的巡檢與維護是關乎電力系統安全生產的一項重要任務。雖然目前的變電站內自動化儀表已經可以通過聯網的方式，從后方監控室直接獲取讀數與工作狀況信息。但是，變電站內仍然存在大量刀閘開關，絕緣瓷瓶，油位計等設施，需要人員定期進行巡視，排除由于設備缺陷造成的安全隱患。變電站巡檢機器人正是設計用于幫助變電站巡視人員，完成對變電站現場儀表設備繁雜的巡檢任務，從而節省人力成本[1]。巡檢機器人不會由于大量重復性工作而出現漏檢，誤檢現象，從而相對于人工巡檢，提高巡視強度，減少巡視誤查。

變電站巡檢機器人控制系統最基本的功能是負責控制巡檢機器人，實現其智能無人巡檢。面對室外復雜的工作環境，控制系統還要能夠及時處理各種突發異常，確保巡檢機器人自身的安全。本文所介紹的變電站巡檢機器人控制系統由兩部分組成。第一是位于機器人本體的控制器，其主要功能是完成一些較底層的機構控制，包括各個機載設備的繼電器通斷，運動電機的速度調節，并且將底層傳感器采集到的模擬信號轉換為數字信號，提供給高層使用。第二是位與遠端監控室的監控系統，通過無線網絡與有線網絡的結合，實現與變電站現場機器人的實時通訊。本文主要介紹后者的設計與實現。

監控系統可以讓操作人員方便的監控機器人的實時運行狀態，控制機器人執行巡檢指令，實現對巡檢機器人的遙操作控制。不僅如此，考慮到巡檢任務的高度重復性，監控系統還可以按照操作人員事先的標定信息，完成無人巡檢。在無人巡檢過程中，監控系統應當對采集到的圖像信息具有一定的分析能力，能夠及時發現處于異常工作狀況的設備儀表，并向操作人員報告。當完成每日的巡檢任務后，監控系統還應該將每日的巡檢結果存貯在數據庫中，供操作人員查詢。監控系統的諸多功能，給其設計與實現帶來困難。在[2]中，使用MSRDS（Microsoft Robotics Developer Studio）作為控制系統框架，完成對機器人系統的仿真與控制，同樣，在[3]中，作者利用號稱“機器人操作系統”的ROS（Robot Operating System）作為框架，設計并開發自己的控制系統。MSRDS的優點在于能夠提供良好的人機交互界面，并且做到界面顯示，功能算法實現與人機交互的相互隔離，從而有利于模塊化的組織監控軟件。而ROS的優勢在于各個傳感器，執行器模塊化的運行并實現他們之間良好的通訊機制，有利于將監控系統按功能層次分割開來，降低模塊間的耦合，使得監控軟件整體的魯棒性變強。本文中的監控系統也基于這些思想，采用設計模式中的方法，完整地實現了監控系統所應具有的功能。

本文的其余部分安排如下：第一章簡單介紹了監控系統的功能設計，第二章將詳細介紹監控系統的實現，第三章介紹的是在無人巡檢中起到重要作用的圖像處理系統，第四章給出該項目中巡檢機器人試運行期間的運行結果，最后一章是對全文的總結。

1 監控系統功能的設計

應用于變電站巡檢的機器人需要能夠起到代替巡視工作人員對變電站進行巡視檢查的作用，應該配備有多種傳感器，足以采集變電站現場所需要的各類數據，同時也需要良好的通訊渠道，能夠實時反饋機器人自己的工作狀態并執行操作人員下達的控制指令。為了獲得更好的控制，還需要將巡檢機器人與遠端的監控系統連接在一起，使得巡檢機器人可以接受監控端發來的指令，并且可以將現場采集到的信息實時傳送回監控系統。

監控系統運行在監控終端，負責完成對巡檢機器人的遙操作控制。作為整個巡檢系統的最上層，監控系統是操作人員與巡檢機器人之間唯一的接口。其設計的好壞將直接影響整個系統功能的實現。

監控系統用于自動記錄巡檢機器人運行狀態和運行數據，并用于人工監視、遙控、查詢及管理巡檢數據。監控系統軟件平臺由人機界面、權限管理及圖像數據庫等部分組成。除了要完成對機器人及其上的設備進行基本開關、移動操作之外，還需要提供更加高級與人性化的功能，包括控制機器人的作業方式、對異常信息的報警與自處理、管理軟件操作人員。對于變電站現場需要定時巡檢的儀表或者設備，可以首先將其位置信息以及能讓像機進行正常拍攝的云臺信息保存為標定列表。將需要進行巡檢的時間保存為運行參數列表，由定時器進行觸發。當到達巡檢時間的時候，控制小車完成自動巡檢任務。由于自動巡檢時涉及到要操作多種設備（車體電機，云臺，攝像頭等），所以可以采用狀態機模型對各個模塊進行協調控制，順利進行巡檢。監控軟件還配有儀表識別功能，可以對由高清攝像機拍攝的儀表照片自動進行識別（指針儀表的指針讀數、液位儀表的液位高度等），當超出儀表所標定的正常范圍時，將會對異常數據進行報警，提醒操作人員注意。同樣，機器人配備的紅外攝像機可以檢測出溫度異常的設備，當發現有超出正常運行溫度的設備時，也會進行報警。由于每天巡檢產生的數據量十分巨大，所以還需要將巡檢所得到的數據存入數據庫，方便后續的管理。因此，監控軟件還具有連接數據庫的功能，并可以存儲，修改與刪除其中的數據。需要進行管理的數據可以分為用戶登錄信息、用戶操作信息、圖像信息、標定信息，運行參數信息5 個主要部分。需要在數據庫中分別建立相應的表項對其進行存貯與管理。除此之外，監控軟件還需要提供一個方便用戶操作的人性化界面，如圖1所示：

圖1 監控系統功能結構圖

1.1 機器人（移動車體）管理

負責與變電站現場小車及其負載設備通信的建立與保持，繼而完成對其所有的控制。包括機器人控制：負責控制與機器人的連接，控制機器人的運行，如車體的速度控制、溫度控制、充電控制等。并且可以通過控制繼電器，達到對車載設備的斷電重啟功能。云臺控制：負責控制與云臺的連接，反饋云臺當前位置以及控制云臺轉動。云臺高清攝像機控制：負責控制與云臺上高清攝像機的連接，及攝像機的軟件重啟，焦距調節及拍照控制。云臺紅外攝像機控制：負責控制與云臺上紅外攝像機的連接，及攝像機的焦距，采集紅外成像。前、后標清攝像機控制：負責控制與前、后標清攝像機的連接，并且可以采集變電站現場的聲音信號。

1.2 運行模式控制

提供兩種運行模式，一為人工巡檢模式：提供人工巡檢的相關操作，如控制機器人前往目標點、移動云臺、對目標位置進行拍攝等。另一個為自動巡檢模式：提供自動巡檢功能，采用自動機模型，在用戶指定的時刻對標定點進行自動巡檢。

1.3 圖像處理

圖像處理系統是為了能夠讓巡檢機器人在進行無人巡檢的過程中，及時發現處于異常工作狀態的設備儀表。高清圖像識別：利用圖像處理相關算法，對云臺高清攝像機拍攝到的高清圖像進行圖像處理，對不同的儀表類型采取不同的識別方式，最終給出識別結果，判定儀表、油位讀數是否在正常范圍之內。紅外圖像測溫：利用紅外攝像機拍攝的帶有溫度信息的圖像，對圖像中目標區域進行溫度檢查，判定區域內設備是否有溫度異常的情況。此部分的詳細實現在下一章進行介紹。

1.4 數據庫管理

負責監控系統與數據庫的連接、數據傳輸。維護數據庫端與監控系統相關的4 個數據庫。用戶信息數據庫：負責存貯所有操作人員的用戶名、密碼與權限信息。可進行新添，修改與刪除操作。并且可記錄與查詢所有操作人員對軟件的使用操作情況，包括登陸軟件、退出軟件的時間、對圖像數據的存貯、查詢、刪除等操作。標定信息數據庫：存貯巡檢點的標定信息，包括標定點名稱、類型、里程計、云臺讀數、巡檢時間段等。可進行新添，修改與刪除操作。參數信息數據庫：存貯巡檢時間參數、機器人運行參數。圖像信息管理：存貯經過操作人員確認后的巡檢得到的圖像及相關信息，包括自動識別的儀表指針、紅外圖像的溫度值等。操作人員可以查詢與刪除記錄。并提供打印服務。

1.5 巡檢日志

記錄監控終端的一切運行信息以及人員操作，通過回溯系統的運行日志，可以分析系統歷史運行狀態，主要用于對系統的維護。

2.4.5 速效鉀 長順縣土壤速效鉀含量涵蓋1～5等級(圖3e)，其中上等水平耕地面積181.87 km2，占全縣耕地面積的41.4%，主要分布在長順縣的西部和東北部；中等水平耕地面積254.54 km2，占全縣耕地面積的57.95%，主要分布在長順縣的北部和東部。

2 監控系統功能實現

監控系統本身所具有的功能已經十分的繁雜，不僅僅需要完成基本的硬件控制，還要提供如自主巡檢，圖像識別這樣的高級功能，不僅要建立與管理數據庫，還要提供良好的人機交互界面。除此之外，面對變電站現場復雜的工作環境，監控軟件還應該具有一定的異常處理能力，即使在無人狀況下遇到突發狀況，也能夠合理應對，保證巡檢機器人的安全。

按照功能的差異性，監控系統可以分為3 個層次實現，如圖2所示：

圖2 監控系統功能實現圖

2.1 基礎層

該層主要負責實現對巡檢機器人上所有硬件的基本操作，使得上層功能的實現可以脫離開繁瑣的硬件調用流程。并且可以在網絡通訊質量不好的情況下，仍然維持監控系統對巡檢機器人的操控。機器人控制模塊的所有功能均是在本層中實現的。程序實現時采用單例模式的方法封裝對各個硬件的控制模塊，這樣做既可以方便上層對硬件接口的調用，實現模塊間的低度耦合，同時也避免了在系統中對同一硬件設備聲明兩個實體，造成資源訪問沖突的錯誤。除此以外，該層還負責管理監控系統與數據庫之間連接的建立與維持。方便上層更好的操作數據庫。

由于基礎層負責管理機器人硬件，因此巡檢日志中對設備歷史運行狀態的記錄也是在這里完成的。

2.2 功能層

通過基礎層提供的豐富而魯棒的接口服務，該層可以方便的組織出高級控制功能。運行模式控制便是在這一層實現的。

運行模式中，自動巡檢是整個監控系統的核心功能。由于該功能適用于無人條件下，不僅僅需要對巡檢機器人各個硬件設備進行頻繁、有序的操作，更要具備一定的異常處理能力，應對變電站現場復雜的工作環境，保障巡檢機器人自身安全性。

在巡檢流程中設置的自動/人工巡檢切換，則是方便操作人員在機器人巡檢途中，對未標定的儀表進行巡查。由于基礎層提供的良好接口，可以保證自動機啟動以后，可以按照步驟準確的執行指令，完成巡檢任務，如圖3所示：

圖3 自主巡檢流程圖

同時，考慮到巡檢途中機器人可能遇到的異常狀況，或由于機器人本身硬件發生故障導致巡檢任務無法繼續，自動機中還加入了異常處理環，當進入此狀態后，監控系統將暫停巡檢任務，根據異常情況的不同，采取相應的處理措施。除了提供運行模式控制功能以外，功能層還負責管理監控系統對各個數據庫的查詢，存貯與管理工作。

3 圖像處理系統

圖像處理系統主要由紅外圖像測溫和高清圖像識別兩部分組成。前者利用紅外相機采集到的帶有溫度信息的紅外圖像，檢測圖像目標區域溫度，與警戒溫度進行對比，即可以找出處于異常工作溫度的設備。實現起來較為容易，這里主要介紹高清圖像識別功能的實現。

高清圖像識別是指對于由高清攝像機拍攝到的儀表盤指針讀數，油位計液面高度進行識別。基于“離線標定，在線識別”的思想，采取模板匹配的方法，識別儀表附近特征明顯的標記物（Mark）或者紋理豐富的部件（表盤黑框輪廓等）作為模板，進行離線標定和在線識別。

上述過程中，均用此模板來進行匹配，找到儀表位置并進行識別。學習并獲取模板文件之后，進行離線標定，獲得被識別儀表的表盤輪廓、指針中心、表盤半徑等信息，選擇最適合該儀表的識別算法、識別空間，生成標定文件存于相應文件夾，作為在線識別時的參數。按照儀表種類的不同，有4 種不同的算法對圖像進行識別。

對于指針式儀表，采用改進的中心投影法。在HSV 空間內遍歷表盤上每個像素，沿半徑方向向旋轉中心投影，計算灰度值的最大值或者最小值。制定評價標準，評估最佳空間最優算法。

對于紅線液位表和紅指針液位表，采用自動閾值篩選法，以整個帶黑框的表盤作為模板進行匹配。根據紅線占整個表盤面積的比例是個固定值這個特點，首先獲得儀表在H空間和S 空間的圖像，采用自動閾值設定的方法依次在表盤面積范圍內搜索紅線。比較H 空間和S 空間的計算結果，取更靠近表盤中心的區域作為真實的指針標出。然后根據紅線離Max 及Min 刻度的距離來得出液位表的示數。

對于紅色球面液位計，由于紅色在H 空間中特征顯著，直接在H 空間里搜索紅色閾值范圍之內的區域，作為紅色液位的面積。然后以紅色區域的中心位置為圓心，以最大寬度為半徑生成一個圓形，比較紅色區域的面積占圓形區域面積的比例，獲得最終讀數。

對于無色液位計，以帶螺釘的表頭作為特征，識別此模板并在識別時進行匹配。根據表盤有液體部分和無液體部分呈現出不同這個特點，無液位部分表盤有明顯的豎狀條紋紋理。在彩色空間中檢測模板區域內的直線，并將直線區域聯通作為無液位區域，計算該區域的面積以及表盤的面積，兩者相比得出液體占表盤面積的比例。

4 現場應用

實際應用中，主程序的主界面如圖4所示：

圖4 圖形操作界面

A 框中為巡檢機器人上各個視像傳感器的實時監測畫面，從上到下依次是高清攝像機，紅外攝像機，兩部標清攝像機的實時視像。B 框顯示機器人當前的運行狀態，包括里程計讀數、速度、溫度等文字信息，下方是一個二維動態地圖，顯示機器人在變電站現場的實際位置。C 框中包括對機器人控制的常用操作按鈕，如云臺轉動、攝像機對焦、機器人移動以及定時巡檢等。

通過主界面的菜單欄，用戶還能夠訪問各個數據庫的信息，實現對系統參數、操作人員、采集數據、巡檢任務的管理。如圖5所示：

圖5 不同類型的儀表示例

圖5 是對4 種典型的儀表運用圖像處理算法后得到的結果。可以看到，對于指針儀表以及油位計，算法能夠準確的找到指針位置；而對于液位類的儀表，算法也能夠標記出液位所占據的圖像面積，從而可以以此計算得到液位的實際體積。

目前的巡檢系統的高清儀表識別受到天氣，光線等影響，識別率為80%。

5 總結

本文詳細講解變電站巡檢機器人控制系統的設計與實現。從監控終端平臺的功能設計到實現，還特別介紹了為完成自主巡檢任務而采用的圖像處理算法。監控系統軟件由層次清晰的各個功能模塊組成，能夠控制巡檢機器人在變電站復雜工作環境下對相關設備儀表進行巡檢，節省人力資源的同時，還提高了對異常設備的排查能力，確保安全生產。

目前的巡檢系統的高清儀表識別準確率僅能達到80%，如何更好地應用圖像處理算法提高識別準確率，是該系統下一步的改進方向。巡檢機器人雖然可以采集到現場設備工作時的聲音，卻沒有進一步進行處理，如何通過設備工作聲音來檢測設備工作狀態，判斷設備是否工作異常也是系統可以提高的地方。

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