一種電力信息通信機(jī)房智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊連營，楊 亞，汪文杰，陳秀國

（國網(wǎng)銅陵供電公司，銅陵244000）

一種電力信息通信機(jī)房智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊連營，楊 亞，汪文杰，陳秀國

（國網(wǎng)銅陵供電公司，銅陵244000）

目前，電力信息通信整體呈現(xiàn)開放、泛在、智能、互動、可信特征，全面支撐智能電網(wǎng)能源與信息的交互，隨著供電優(yōu)質(zhì)服務(wù)建設(shè)和農(nóng)配網(wǎng)升級改造的持續(xù)推進(jìn)，國家電網(wǎng)公司對電力信息通信機(jī)房管理的覆蓋面、集成度、實(shí)時性、安全性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的人工巡檢方式已經(jīng)無法滿足電力信息通信機(jī)房的安全保障需求。為了克服電力信息通信機(jī)房傳統(tǒng)人工巡檢方式耗時費(fèi)力、存在巡視盲區(qū)、不具實(shí)時性等問題，通過對機(jī)器人平臺、軌道敷設(shè)、功能單元、輔助單元的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行對比，設(shè)計(jì)了一種智能巡檢機(jī)器人，現(xiàn)場驗(yàn)證證實(shí)該智能巡檢機(jī)器人能夠代替人工巡檢，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，具備推廣價值。

電力信息通信機(jī)房；智能巡檢機(jī)器人；人工巡檢

1 引言

目前，電力信息通信整體呈現(xiàn)開放、泛在、智能、互動、可信等特征，全面支撐智能電網(wǎng)能源與信息的交互，由電網(wǎng)業(yè)務(wù)的支撐平臺轉(zhuǎn)變?yōu)橹坞娋W(wǎng)、電源、負(fù)荷、客戶之間交互的綜合服務(wù)平臺，成為智能電網(wǎng)支撐全球能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)載體[1-4]。電力信息通信機(jī)房承載著電力營銷、調(diào)度、運(yùn)行、檢修等重要業(yè)務(wù)，是電網(wǎng)企業(yè)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施。

然而，電力信息通信機(jī)房的傳統(tǒng)巡檢采用人工方式，該種巡檢方式存在以下弊端：

（1）巡檢耗時費(fèi)力。每座機(jī)房每次安排兩人巡視，巡檢周期為1-3次/天，巡視時間15min/次，由于電力信息通信機(jī)房分布不集中，巡檢人員開展巡視工作須在各機(jī)房之間反復(fù)折返，耗費(fèi)大量人力物力。

（2）存在巡視盲區(qū)。機(jī)房內(nèi)部署了大量電力信息交換與安全控制設(shè)備，人工巡視無法全面覆蓋。

（3）不具有實(shí)時性。機(jī)房內(nèi)的環(huán)境參數(shù)無法第一時間反饋給運(yùn)行維護(hù)人員，一旦溫濕度長時間超標(biāo)，將會出現(xiàn)設(shè)備斷電、空調(diào)停機(jī)、機(jī)房漏水等情況，對機(jī)房安全造成極大隱患，甚至影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。

為了縮短人工巡檢時間，提高巡檢工作效率，在借鑒軌道智能巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上，針對電力信息通信機(jī)房的特點(diǎn)，研制了一種電力信息通信機(jī)房的智能巡檢機(jī)器人。

2 智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)思路

一種電力信息通信機(jī)房智能巡檢機(jī)器人具備以下主要功能[5-8]：

（1）行駛功能：機(jī)器人本體能夠在機(jī)房內(nèi)平穩(wěn)行駛，在接受控制平臺直行、轉(zhuǎn)彎、變速、停止命令時，偏移角度小于8°；具有循跡避障能力，在巡檢過程中，能自動感知并躲避障礙物。

（2）溫濕度監(jiān)測功能：通過在機(jī)器人本體上安裝溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對機(jī)房內(nèi)溫濕度的精確采集、實(shí)時監(jiān)測預(yù)警及回溯分析。

（3）視頻采集傳輸功能：通過在機(jī)器人本體安裝攝像頭并設(shè)計(jì)視頻采集傳輸模式，對機(jī)房態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

（4）巡檢時間：在實(shí)現(xiàn)以上功能的基礎(chǔ)上，智能機(jī)器人巡檢時間優(yōu)于人工巡檢。

2.2 方案設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)思路，畫出方案框圖，如圖1。

圖1 ：電力信息通信機(jī)房智能巡檢機(jī)器人方案框圖

3 方案驗(yàn)證

根據(jù)電力信息通信機(jī)房的巡檢要求，對機(jī)器人各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)并驗(yàn)證。

（1）平臺設(shè)計(jì)方案

電力信息通信機(jī)房環(huán)境簡單，故選擇三種靈巧輕便的機(jī)器人作為搭載巡檢設(shè)備的平臺，分別是多足機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、四輪車機(jī)器人。如圖2所示。

圖2 ：三種機(jī)器人

通過在機(jī)器人底部安裝二極管，感應(yīng)軌道軌跡，保障平穩(wěn)運(yùn)行，并以三種機(jī)器人運(yùn)行時的偏移角度為目標(biāo)，考察機(jī)器人的運(yùn)行平穩(wěn)度。

實(shí)驗(yàn)方法：分別將多足機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、四輪車機(jī)器人放置在預(yù)設(shè)軌道上運(yùn)行，測量機(jī)器人在軌道上運(yùn)行的偏移角度，實(shí)驗(yàn)次數(shù)為10次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 三種機(jī)器人偏移角度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，多足機(jī)器人運(yùn)行時角度偏移最大，履帶式機(jī)器人運(yùn)行時偏移角度較大，四輪車機(jī)器人運(yùn)行角度偏移量最小，符合電力信息通信機(jī)房敷設(shè)軌道上機(jī)器人的運(yùn)行要求。

（2）軌道敷設(shè)方案

為機(jī)器人敷設(shè)特定的巡檢路線，并使其在預(yù)設(shè)軌道上平穩(wěn)運(yùn)行，采用紅外探測法來尋找機(jī)器人的運(yùn)行軌跡——“黑線”。即紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在機(jī)器人行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在機(jī)器人上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。因此，軌道敷設(shè)材料均采用黑色的材質(zhì)。在軌道材質(zhì)選擇上考慮黑色瓷磚、黑色涂料、黑色膠帶。

實(shí)驗(yàn)方法：采用多組對比實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室分別用黑色瓷磚、黑色涂料、黑色膠帶敷設(shè)了4m×4m、4m×5m、5m×5m的三個實(shí)驗(yàn)軌道。

考察指標(biāo)：統(tǒng)計(jì)機(jī)器人單圈運(yùn)行所需時間、是否發(fā)生停止不前現(xiàn)象、識別異常障礙物的速度以及敷設(shè)軌道所需總價。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，機(jī)器人巡檢時間隨著軌道的長度增長而增加，選用敷設(shè)黑色膠帶的成本最低，效果最好。

表2 三種軌道敷設(shè)方案對比

（3）功能單元方案

（a）溫濕度監(jiān)測方案

對溫濕度監(jiān)測傳感器的選擇主要在于它的溫濕度監(jiān)測精度和響應(yīng)時間。對兩種傳感器進(jìn)行溫濕度的監(jiān)測試驗(yàn)，在特定的電力信息通信機(jī)房（網(wǎng)絡(luò)機(jī)房），先后選用DTH11傳感器和AM2302傳感器進(jìn)行溫濕度監(jiān)測對比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 兩種傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，DTH11傳感器溫濕度監(jiān)測精度較差，AM2302傳感器溫濕度監(jiān)測效果良好，適用于智能巡檢機(jī)器人。

（b）視頻采集傳輸方案

當(dāng)巡檢機(jī)器人移動時需要對視頻、聲音等信息進(jìn)行實(shí)時傳輸，通過在規(guī)定的時間和區(qū)域范圍內(nèi)，考察高清采集有線傳輸與高清采集無線傳輸兩種方式視頻采集范圍與傳輸能力。結(jié)果如表4所示。

表4 兩種方式采集傳輸能力對比

從表中可以看出，高清采集有線傳輸因受巡檢移動時傳輸線的影響采集區(qū)域較小、傳輸能力較弱，而高清采集WIFI傳輸移動靈活，在規(guī)定時間內(nèi)，采集區(qū)域較大、傳輸能力強(qiáng)。

（4）輔助單元方案

（a）循跡避障方案

機(jī)器人在預(yù)設(shè)軌道上做巡檢任務(wù)時，須對途中障礙物進(jìn)行躲避以保障巡檢順利進(jìn)行，文中對電磁循跡和紅外循跡兩種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，具體通過統(tǒng)計(jì)機(jī)器人單圈運(yùn)行過程中能夠規(guī)避的障礙物個數(shù)（總數(shù)10個）及時間測試兩種方式的避障能力進(jìn)行優(yōu)選。

圖3 兩種循跡方式避障能力對比

圖4 最佳方案框圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可見，使用紅外循跡法能夠有效地規(guī)避障礙物。

（b）測速單元方案

測速單元能夠根據(jù)巡檢需要進(jìn)行勻速移動、變速移動、特殊區(qū)域定位精細(xì)巡檢，保證機(jī)器人不會因速度變化而發(fā)生翻車、嚴(yán)重抖動等情況，對紅外測速和專用測速碼盤兩種方式進(jìn)行比較分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 兩種測速方案對比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，紅外測速無法實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，當(dāng)執(zhí)行定位操作時，即將速度變?yōu)?時，機(jī)器人有翻車情況出現(xiàn)；專用測速碼盤能夠?qū)崿F(xiàn)變速運(yùn)行，當(dāng)執(zhí)行定位操作時，即將速度變?yōu)?時，機(jī)器人平穩(wěn)，適用于機(jī)房智能巡檢機(jī)器人。

根據(jù)對四個模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，選出最佳方案，如圖4所示。

圖5 智能巡檢機(jī)器人現(xiàn)場應(yīng)用圖片

表6 現(xiàn)場驗(yàn)證對比結(jié)果

4 現(xiàn)場示范應(yīng)用

對智能巡檢機(jī)器人的各單元模塊進(jìn)行硬件組裝，并對開發(fā)的智能巡檢軟件進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證。

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場驗(yàn)證，從銅陵供電公司在運(yùn)的信息通信機(jī)房中隨機(jī)選取3個機(jī)房進(jìn)行了為期15天的跟蹤測試，運(yùn)行結(jié)果如表6所示。

經(jīng)過檢查，機(jī)房智能巡檢機(jī)器人巡檢溫濕度精度高，巡檢時間在7′02″以內(nèi)，大大提升了人工巡檢的效率和精度。

5 結(jié)束語

針對目前電力系統(tǒng)通信機(jī)房人工巡檢耗時費(fèi)力、存在巡視盲區(qū)、無法實(shí)時監(jiān)測的問題，設(shè)計(jì)了一種電力信息通信智能巡檢機(jī)器人，以機(jī)器人巡視代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)房環(huán)境的實(shí)時精確監(jiān)測，并且大大降低了巡檢時間。隨著電網(wǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大，信息化程度的逐步加深，精細(xì)化管理要求的不斷提高，相信智能巡檢機(jī)器人將具有更好的應(yīng)用前景。

[1]李向東,魯守銀,王宏等.一種智能巡檢機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人,2005,27(6):502-506.Li Xiangdong,Lu Shouyin,Wang Hong.Design and Analysis on the Architecture of an Intelligent Iterative Inspection Robot[J].Robit,2005,27(6):502-506.

[2]陳凌峰,初艷華.智能巡檢機(jī)器人測溫應(yīng)用及案例[J].電子測試,2016,(23):29,25.Chen Lingfeng,Chu Yanhua.Application and Case of Temperature Measuring Using Intelligent Patrol Robot[J].Electronic Test,2016,(23):29,25.

[3]Sawada J,Kusumoto K,Munakata T.A mobile robot for inspection of power transmissions lines[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1991,6(1):309-315.

[4]Pouliot N,Montambault S.Field-oriented developments for LineScout Technology and its deployment on large water crossing transmission lines[J].Journal of Field Robotics,2012,29(1):25-46.

[5]肖鵬,欒貽青,郭銳等.變電站智能巡檢機(jī)器人激光導(dǎo)航系統(tǒng)研究[J].自動化與儀表,2012,27(5):5-9.Xiao Peng,Luan Yiqing,Guo Rui.Research of the Laser Navigation System for the Intelligent Patrol Robot[J].Automation and Instrumentation,2012,27(5):5-9.

[6]高旻龍.智能巡檢機(jī)器人在變電站中的應(yīng)用[J].價值工程,2015,(11):254-255.Gao Minlong.Application of Intelligent Inspection Robot in Substation[J].Value Engineering,2015,(11):254-255.

[7]H.Kobayashi,H.Nakamura,and T.Shimada.An Inspection Robot for Feeder Cables Basic Structure and Control[C].Iecon 1991.992-995.

[8]周盼,張蕾.基于Android平臺的變電站智能巡檢系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2015,23(9):3073-3076.Zhou Pan,Zhang Lei.An Android Platform Based Information Acquisition System for Transformer Stations[J].Computer Measurement and Control,2015,23(9):3073-3076.

Design and Application of an Intelligent Inspection Robot for Information and Communication Room

Yang Lianying,Yang Ya,Wang Wenjie,Chen Xiuguo
(State Grid Tongling Electric Power Supply Company,Tongling 244000,China)

At present,electric power information communication presents new characteristics such as open,ubiquitous,smart,interactive and credible,which fully support the interaction between smart grid energy and information.With continuous progress of the power supply quality service construction and village distribution network upgrading and reconstruction,state grid corporation puts forward higher requirement to the electric power information communication computer room management,such as integration,real-time and security.Traditional way of manual inspection has been unable to meet the demand of electric power information security of communication computer room.In order to overcome the problem of manual inspection for information and communication room,such as time-consuming,laborious,weak real-time,and it exists many blind spots of supervision,compares the experiment programs of robot platform,track laying,fuctional units and auxiliary units,designs an Intelligent Iterative Inspection Robot,site verification proves that the intelligent inspection can replace manual inspection,it has a significantly economic and social benefits,also with promotional value.

Information and communication room;Intelligent inspection robot;Manual inspection

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.023

TP391

A

1002-2279-（2017）05-0089-06

楊連營（1966－），男，安徽六安人，高級工程師，主研方向：智能信息處理理論與技術(shù)。