智能機(jī)器人在電力設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用研究

譚其勇　賴　斌　林陽(yáng)坡　蔣凱迪　吳章坤

（1．廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司北海供電局，廣西 北海 536000；2．廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361001）

智能機(jī)器人在電力設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用研究

譚其勇1賴斌2林陽(yáng)坡2蔣凱迪2吳章坤2

（1．廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司北海供電局，廣西 北海 536000；2．廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361001）

本文介紹了智能機(jī)器人的基本構(gòu)造，梳理人工智能在進(jìn)行電力系統(tǒng)巡檢和故障診斷過程中的各種方法，基于智能機(jī)器人實(shí)際工作運(yùn)行的情況，分析故障診斷存在的問題，提出了解決問題的措施，并提出了智能機(jī)器人未來(lái)趨勢(shì)與展望。

人工智能；故障診斷；電力系統(tǒng)

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，不穩(wěn)定因素日益增多，故障及其風(fēng)險(xiǎn)概率徒增，電力系統(tǒng)故障診斷也成為炙熱重要研究領(lǐng)域。

一、智能機(jī)器人基本構(gòu)造

智能機(jī)器人通常由傳感系統(tǒng)、智控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)及交互系統(tǒng)等組成， 各系統(tǒng)相互獨(dú)立又相互融合，以保證機(jī)器人的動(dòng)作或決策符合預(yù)定的要求。

（一）智能機(jī)器人的傳感系統(tǒng)

智能機(jī)器人有敏銳的“感覺器官”，能夠敏銳地感覺自身及周圍環(huán)境變化。智能機(jī)器人的“感覺器官”是借助高性能的傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，并通過該系統(tǒng)以一定的參數(shù)進(jìn)行“言語(yǔ)”表達(dá)。智能機(jī)器人的傳感系統(tǒng)包括一系列傳感器和傳感技術(shù)，傳感器分為內(nèi)傳感器和外傳感器。內(nèi)傳感器用于感知機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)，如角度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。外傳感器用于感知外部環(huán)境，通常包括視覺傳感器、觸覺傳感器、力傳感器和平衡傳感器等。

（二）智能機(jī)器人的智控系統(tǒng)

智控系統(tǒng)是機(jī)器人的核心系統(tǒng)之一，智能機(jī)器人具有信息收集、信息審核、信息過濾、信息處理與反饋以及信息決策功能，這一功能主要依賴智控系統(tǒng)操控并實(shí)現(xiàn)。智能機(jī)器人的智控功能體現(xiàn)在多個(gè)方面，如路徑追蹤、故障檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別。通常智能機(jī)器人控制系統(tǒng)需借助微型計(jì)算機(jī)來(lái)完成，該微型計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信、管理、運(yùn)動(dòng)及相關(guān)計(jì)算，并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信息或反饋信息。

（三）智能機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)

路徑導(dǎo)航系統(tǒng)是機(jī)器人非常重要的組成部分。智能機(jī)器人可依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化計(jì)算公式推導(dǎo)的規(guī)則（如行走線路最短、行走耗時(shí)最短等），在其可選擇的路線中找到一條最優(yōu)路徑，或根據(jù)信號(hào)指令按照特定程序設(shè)計(jì)要求在某特定路徑上“行走”。智能機(jī)器人可以進(jìn)行靜態(tài)穿梭，也可以越過動(dòng)態(tài)障礙物，導(dǎo)航系統(tǒng)融合圖像識(shí)別、紅外定位、傳感信息、超聲振動(dòng)、激光反射等多項(xiàng)技術(shù)，從而完成將機(jī)器人順利移動(dòng)到指定位置的信息指令。

（四）智能機(jī)器人的交互系統(tǒng)

交互系統(tǒng)是人與智能機(jī)器人進(jìn)行指令傳達(dá)、信息交流、數(shù)據(jù)回饋的基礎(chǔ)，是智能機(jī)器人根本特性，也是區(qū)別一般機(jī)器人的根本標(biāo)志。該系統(tǒng)主要包括文字識(shí)別與處理、語(yǔ)音識(shí)別與語(yǔ)音合成、圖像識(shí)別及信息處理、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、信息綜合分析與追蹤決策等技術(shù)領(lǐng)域。正是基于上述技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

二、基于智能機(jī)器人的電力系統(tǒng)故障診斷方法

（一）專家系統(tǒng)診斷方法

專家系統(tǒng)診斷方法是目前應(yīng)用最廣且影響最大的診斷方法。專家系統(tǒng)通過內(nèi)嵌計(jì)算機(jī)及其智能程序?qū)崿F(xiàn)，內(nèi)嵌計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)了海量知識(shí)庫(kù)，融合人工智能技術(shù)，通過智能程序系統(tǒng)，將收集的信息或信號(hào)與存儲(chǔ)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)和推理判斷，從而解決問題。專家系統(tǒng)通常由知識(shí)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、信息與信號(hào)輸入系統(tǒng)、推理決策系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、信息與信號(hào)輸出系統(tǒng)組成，具備信息咨詢、推理判斷、分析決策等功能，如圖1所示。

（二）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法

相比較而言，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法更靈活更便捷，更適宜云數(shù)據(jù)處理。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)悍的建模逼近能力和模式識(shí)別能力，可對(duì)任意復(fù)雜狀態(tài)或過程進(jìn)行分類和識(shí)別。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛用于電力系統(tǒng)故障判斷與分析，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以迅速且準(zhǔn)確地判斷故障所在，且不受電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行方式、故障類別及其他環(huán)境等相關(guān)因素的影響，識(shí)別與診斷效果顯著。

（三）模糊理論診斷方法

電力系統(tǒng)故障診斷是一個(gè)集信息收集、信息研判、信息決策非精確化的動(dòng)態(tài)過程，這種非精確化基于誘因之間的模糊與非精確性。通常根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)在故障征兆和故障誘因之間建立模糊關(guān)系矩陣，將模糊關(guān)系進(jìn)行矩陣組合，用邏輯或并邏輯進(jìn)行模糊診斷。隨著該理論的發(fā)展和云數(shù)據(jù)庫(kù)的融入，變量表述開始得以應(yīng)用，這使其更接近人類表達(dá)習(xí)慣，用戶可以進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與方案篩選，根據(jù)模糊度高低進(jìn)行甄別并擇優(yōu)決策。

（四）遺傳算法診斷方法

遺傳算法本質(zhì)上是一種概率統(tǒng)計(jì)法，是模仿生物進(jìn)化概率搜索尋優(yōu)的過程表達(dá)，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需待處理問題知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，只需通過適應(yīng)度公式（函數(shù)）對(duì)海量息進(jìn)行個(gè)別評(píng)析，從而得出最優(yōu)解答方案。智能機(jī)器人基于遺傳算法能夠在云數(shù)據(jù)或云空間中進(jìn)行自適應(yīng)搜尋，從優(yōu)化的角度出發(fā)基本上可以解決故障診斷問題，尤其是在復(fù)故障或存在保護(hù)、斷路器誤動(dòng)作的情況下，能夠給出全局最優(yōu)或局部最優(yōu)的多個(gè)可能的診斷結(jié)果。

（五）幾種智能方法綜合診斷方法

無(wú)論是專家系統(tǒng)診斷方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法，還是模糊理論診斷方法和遺傳算法診斷方法都有其軟肋或短板。若需構(gòu)造性能優(yōu)越的智能機(jī)器人，需綜合多個(gè)方法和技術(shù)，將上述診斷方法進(jìn)行智能融合，設(shè)計(jì)成集成智能系統(tǒng)。即將系統(tǒng)分成若干模塊，并集成主體系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模塊群，構(gòu)造功能全面和完善系統(tǒng)整體。當(dāng)前，人工智能控制系統(tǒng)的各模塊出現(xiàn)了相互融合的趨勢(shì)，智能機(jī)器人“智能性”越來(lái)越明顯，也越來(lái)越深刻。

三、智能機(jī)器人在電力設(shè)備故障診斷應(yīng)用中的問題及解決措施

圖1　智能機(jī)器人專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（一）存在的問題

1.電力儲(chǔ)備不足及其次生問題

目前，絕大部分智能機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力依賴內(nèi)嵌的蓄電池，機(jī)器人在運(yùn)行過程中處于耗電狀態(tài)，內(nèi)嵌蓄電池電力儲(chǔ)備有限，當(dāng)電力儲(chǔ)備不足時(shí)，機(jī)器人無(wú)法自動(dòng)返回，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.圖像與語(yǔ)音識(shí)別功能不夠完善

目前，機(jī)器人在巡檢或故障診斷過程中，只能拍攝儀表的圖像，尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)或診斷的設(shè)備指針式儀表讀數(shù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，需人工通過機(jī)器人傳送的圖像進(jìn)行識(shí)別讀數(shù)后下達(dá)指令。此外，維護(hù)人員向機(jī)器人下達(dá)語(yǔ)音指令時(shí)，機(jī)器人存在不同程度地延遲，甚至無(wú)法識(shí)別語(yǔ)音。

3.機(jī)器人導(dǎo)航故障及其修復(fù)

機(jī)器人在路徑移動(dòng)過程中一旦接收不到指令信號(hào)（磁信號(hào)、激光信號(hào)等），導(dǎo)航系統(tǒng)便可能出現(xiàn)故障，機(jī)器人就可能偏離路徑軌道或停滯不前，從而影響整個(gè)巡檢或故障診斷任務(wù)。

（二）解決措施

針對(duì)智能機(jī)器人在電力系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的上述問題，結(jié)合電力巡檢或診斷的實(shí)際情況研究出相關(guān)解決措施。

1.光電池應(yīng)用及控制面板優(yōu)化

光電池是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件，利用光電池產(chǎn)生的電能供于機(jī)器人，可以解決機(jī)器人電力驅(qū)動(dòng)之短板。此外，在智能機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控面板上增加電池電壓顯示，當(dāng)內(nèi)嵌蓄電池的電壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)，便出現(xiàn)報(bào)警提示。也可設(shè)計(jì)內(nèi)部管理程序采集電池電量信息，并根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)路徑及工作任務(wù)計(jì)算剩余電量和可續(xù)航時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人電量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.提升機(jī)器人圖像和語(yǔ)音識(shí)別功能

增加圖像和語(yǔ)音模式識(shí)別配置，配置供圖像和語(yǔ)音識(shí)別的各項(xiàng)參數(shù)，增加自動(dòng)識(shí)別指針儀表的模式及其配置，強(qiáng)化機(jī)器人雙向語(yǔ)音功能模塊，豐富人類常用指令性語(yǔ)音庫(kù)，配置好系統(tǒng)的拾音器和擴(kuò)音器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別與遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮。

3.多樣多點(diǎn)感應(yīng)輔助路徑導(dǎo)航

對(duì)機(jī)器人工作過程中偏離路徑軌道或停滯不前現(xiàn)象，可采用多樣多點(diǎn)感應(yīng)信號(hào)及激光或雷達(dá)及視頻輔助完成。可以在機(jī)器人上加載激光感應(yīng)儀、磁感應(yīng)儀、動(dòng)態(tài)平衡儀等，增加感應(yīng)導(dǎo)航模式，增強(qiáng)感應(yīng)信號(hào)，并通過自動(dòng)平衡升降調(diào)節(jié)自適應(yīng)裝置，使其在工作過程中實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)平衡度及自身自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

四、智能機(jī)器人在電力設(shè)備故障診斷應(yīng)用展望

智能機(jī)器人集合了計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)軟件、遠(yuǎn)程控制、磁（光）感應(yīng)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、遙感與傳感、運(yùn)動(dòng)力學(xué)、人工智能等學(xué)科與技術(shù)，是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。智能機(jī)器人在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，切實(shí)解決了電力系統(tǒng)巡檢及故障診斷等領(lǐng)域的問題和難題，極大地提高了工作效率。利用智能機(jī)器人開展電力系統(tǒng)故障診斷應(yīng)用研究，要結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，重視電力故障綜合信息的收集與整理，構(gòu)建并不斷充實(shí)用于故障診斷的數(shù)據(jù)庫(kù)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的延伸和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人在云平臺(tái)下工作運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)人工與人工智能的交互融合。

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