電動汽車充電站智能巡檢機器人系統研究

單蕾瑾， 余志慧，　戴詠夏， 章丹竺

（1.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州　310009；2.杭州市新能源汽車服務有限公司，杭州　310012）

0　引言

隨著我國社會的不斷進步和發展，我國的汽車保有量不斷增加，在國家新能源汽車政策鼓勵和支持下，電動汽車充電站和充電樁等配套設施建設也迎來快速發展。2010—2016年，中國充電站保有量從76座增長至5 600座，年復合增長率達104.8%，公共充電樁數量從1 122個增長至15萬個，年復合增長率達126.1%。發展新能源汽車，特別是電動汽車，對于能源、環保等領域都具有重要意義，而充電基礎設施的建設完善則是電動汽車普及發展的必要保障。但在充電設施大力建設和運營過程中面臨著充電樁分布范圍廣、管理維護困難、缺乏有效監控、充電車位被占用、充電樁被惡意破壞等問題，成為阻礙電動汽車發展的重要因素。

目前，大多數充電站通過安裝攝像機及探頭的方式，對站內的環境、充電樁的運行狀態及充電車位的使用情況進行監視。雖然提高了站內人員對站內整體運行狀況的掌握，但仍然不能及時發現充電樁的運行故障及充電車位的占用問題[1-2]。

因此，針對目前充電站運營中存在的問題，結合充電站實際情況，研發1套適應于一般充電站環境、具有高防護能力和可靠性的充電站軌道機器人系統，完成對充電站的智能巡檢，可以使站內工作人員實時掌控充電站充電樁及車位的狀態信息，提高充電站運營的安全可靠性。

1　軌道智能巡檢機器人系統

軌道智能巡檢機器人系統基于架設的軌道，實現的自主導航、精確定位、智能巡檢的移動平臺，集可見光、紅外、聲音等傳感器于一體，實現對充電站內充電樁的在線監控，將被檢測設備的視頻、聲音和紅外測溫數據通過無線網絡傳輸到監控室；監控后臺系統通過設備圖像處理模式識別等技術，結合設備圖像紅外專家庫，實現對設備缺陷、運行狀態、外觀異常的判別；并配合智能車位鎖管理系統對充電車位智能管理。

1.1　系統組成

充電站軌道智能巡檢機器人系統為網絡分布式架構，如圖1所示，整體可分為3層，分別為基站層、通信層和終端層。基站層由后臺監控機、監控后臺軟件及數據庫組成；通信層由電力載波儀、交換機等組成；終端層為充電站內的軌道機器人及其附屬設備和充電樁的監控終端。

軌道機器人沿軌道巡檢獲得的檢測信息通過電力載波儀、交換機、光電轉換器等傳至充電站內的監控室中，在本地完成對機器人運動狀態的控制和充電樁運行狀態的智能巡檢。

圖1　軌道機器人系統整體架構

1.2　系統功能

充電站軌道智能巡檢機器人系統具備在線監控、檢測功能、巡檢功能、分析處理功能和智能車位管理功能。此外，還具備自主避障功能，保障軌道機器人運行的安全性。

1.2.1在線監控

通過監控后臺在線監視軌道機器人的運行狀態，在線監視充電樁的運行狀態、溫度及充電車位使用情況；巡檢人員可在監控后臺控制軌道機器人進行充電站內設備的巡視；可對機器人本體、云臺及檢測設備進行手動控制；實現充電站內設備巡視的本地及遠程控制功能。

1.2.2檢測功能

檢測充電站內充電樁的外觀、溫度及充電車位的使用情況；檢測充電站內火災的發生情況；通過機器人沿L型軌道的運動，對充電站內設備的全方位、無死角智能巡檢；通過視頻服務器將采集到的信號傳輸至后臺分析軟件進行處理。

1.2.3巡檢功能

巡檢機器人按預先規劃好的任務路徑沿軌道行駛對充電站內的設備進行例行巡檢；手動控制巡檢機器人到達指定位置進行特殊巡檢；自動調整云臺的角度和方向，拍攝檢測點的高清圖像。

1.2.4分析與處理功能

自動分析巡檢過程中拍攝的檢測點圖像，識別檢測點設備的狀態數據；自動智能分析設備故障或缺陷，根據分析結果自動報警，協助巡檢人員判別設備的故障；根據巡檢結果數據生成巡檢設備報表。

1.2.5智能車位管理

檢測充電車位是否有車輛存在；車輛占用車位，不進行充電或充電完成未在規定時間內離去，則告警提示用戶離開；充電樁終端智能控制車位鎖的起落，提示用戶充電或離開充電車位。

其中在線監控、檢測功能和巡檢功能已在電力系統變電站中智能機器人巡檢系統中得到了廣泛應用[3-6]。

1.3　分析與處理功能

1.3.1紅外測溫與故障診斷

以非接觸測溫為基礎的紅外診斷技術在電力系統得到了廣泛應用，但是，目前主要使用的紅外熱像儀以手持形式為主。使用手持紅外熱像儀進行電力設備診斷時，一般需要預先錄下關注點的圖像，然后帶回實驗室進行離線分析，這樣并不能實現實時檢測和及時發現問題[7-8]。

該系統采取在線式紅外熱成像裝置，包括紅外圖像采集裝置、紅外圖像處理模塊、圖像顯示、存儲、查詢和報表生成模塊。系統可根據預先設定的充電設施正常運行的溫度閾值和紅外裝置采集的紅外圖像，自動進行判斷，對超出報警值的設備在監控中心主控計算機上給出聲音和文本報警；借助紅外熱像和紅外圖譜識別，能判斷一些關鍵設備的內部溫度梯度，可以形成某一時刻充電站的某一充電設備的溫度曲線，也可以生成某一設備在一定歷史時間內的時間的溫度曲線，從而可分析充電設施是否可能會發生故障。

1.3.2可見光圖像監測與故障診斷

在一般的充電站圖像監測系統中，特定的圖像經攝像機和采集卡輸入到視頻服務器中，經壓縮后傳輸到監控中心，監控中心同時顯示多個充電站的站內所有設備的實時圖像，運營人員通過人工分析判斷充電設施的運行狀態。

該系統可在無人值守充電站先利用軌道機器人系統到達指定檢測點拍攝待檢設備關鍵區域的可見光圖像，并將圖像發送給監控中心的監控后臺中進行圖像分析，在分析過程中首先對采集的圖像進行預處理，識別出被監測的電力設備，通過將該圖像與上次采集的圖像進行差圖像分析、累積圖像分析、相關分析、區域標識、紋理描述和評判等處理，結合對應設備的參數庫確定其是何設備，如果是儀表則識別出讀數。如果處于正常狀態則切換攝像機采集和分析下一幅圖像，如有畸變發生則存儲結果，并且監控后臺發出告警信息，提醒運營人員發現設備故障。運營人員也可查詢數據庫中存儲的某設備圖像分析結果，了解某時間段內此設備的運行情況，提前預判此設備需要檢修的時間，降低設備故障運行的發生率。

1.4　智能車位管理系統

針對充電車位被非充電車輛占用及充電車輛不及時離開的問題，系統中的智能車位管理系統功能可用于充電樁狀態、參數的監測以及智能停車位管理，以解決充電車位的占用問題。

通過充電樁廠商提供相關通信數據傳輸接口讀取充電樁的狀態、電壓、電流、溫度等數據。數據傳輸接口使用網口，采用TCP（傳輸控制協議）。充電樁、充電樁和車位鎖監控設備、站級監控主機、交換機通過網線相連接。車位鎖、充電樁和車位鎖監控設備通過485總線相連接。車位鎖無車落下按鈕、充電樁和車位鎖監控設備通過開關信號線相連接。在樁內監控設備與樁體及車位鎖監控設備通信過程中，充電樁內部監控設備為客戶端，樁體及車位鎖監控設備為服務器端。在樁體及車位鎖監控與站級監控通信過程中，樁體及車位鎖監控為客戶端，站級監控作為服務器端。智能車位管理系統網絡架構如圖2所示。

圖2　智能車位管理系統網絡架構

1.4.1充電樁樁體監控功能

充電樁樁體監控主要為了方便運營管理人員及時了解監控充電樁的運行狀態、參數，降低人工巡視工作量，為充電樁的安全有序運營提供保障。

充電樁樁體監控由站控層和間隔層兩部分構成，采用分層、分布、開放式網絡系統實現連接。1臺充電樁發生故障而停運時不影響其他充電樁的監控。站控層由計算機網絡連接的主機構成，提供站內運行的人機界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站充電樁的監控管理中心。站控層設備集中布置于站內監控室內。間隔層由充電樁監控單元、自動化終端、間隔層網絡設備、通信接口設備構成，完成面向單元設備的檢測控制功能。站控層采用基于TCP/IP協議的10M/100M高速以太網作為通信網絡，間隔層采用實時、可靠、抗干擾性能好的現場總線。具備合理的網絡架構和信息處理機制，保證在正常運行狀態及事故狀態下不出現因網絡負載過重而導致系統死機或嚴重影響系統速度的情況。

充電樁樁體監控系統的主要功能有：充電樁參數狀態監控、智能車位鎖狀態監控等功能。充電樁參數狀態監控監視的主要參數有：充電樁樁號、充電樁當前狀態、充電槍連接狀態、充電電壓、充電電流、充電樁溫度、充電槍溫度、充電停止原因、當前故障報警狀態、電池組最高溫度、電池組最低溫度、SOC（荷電狀態）等。智能車位鎖狀態監控監視當前車位鎖處于升起還是落下狀態，監視車位中是否有車，控制車位鎖落下/升起等。

1.4.2智能車位管理功能

智能車位管理系統為規范用戶現場停車管理，發揮充電車位最大作用，防止充電車位被社會車輛隨意占用的問題。

智能車位管理系統包含站級監控部分和樁側監控部分。站級監控部分通過與充電樁監控設備通信遠程監視當前車位鎖狀態、遙控車位鎖升起落下。樁側監控部分通過充電樁監控和各種傳感器智能監視控制車位鎖升起落下，由以下幾部分構成：充電樁和車位鎖監控設備、智能車位鎖、車位鎖蜂鳴器、車位鎖中超聲感應器、車位中超聲感應器、車位鎖無車落下開關等。

車位鎖安裝示意如圖3所示。車位鎖安裝在車位前端，車位鎖帶有2個超聲感應器，其中1個位于車位鎖蓋子頂部中心位置，另1個安裝于車位中央，超聲感應器與車位鎖控制器之間通過信號線連接。車位鎖無車落下按鈕安裝于充電樁樁體上，通過信號線與充電樁和車位鎖控制設備相連接。充電樁和車位鎖監控設備與車位鎖通過485總線相連，1臺充電樁和車位鎖監控設備可以同時支持多個車位鎖控制。充電樁和車位鎖監控設備對車位鎖進行控制需要采集充電樁狀態、參數，與充電樁內控制器之間通過以太網通信，1臺充電樁和車位鎖監控設備支持多臺充電樁控制器信息采集。

智能車位管理的實現過程如下：

（1）系統處于初始狀態。此時地鎖處于初始開鎖狀態，當系統檢測充電車輛進入充電車位，語音提示車輛在5 min內開始充電。

（2）若車輛在5 min之內未開始充電，則語音提示車輛離開充電車位，若5 min后仍未離開充電車位或開始充電，則地鎖閉鎖。此時只能通過聯系充電站的運營人員才能解鎖。

圖3　智能車位鎖安裝示意

（3）若車輛5 min之內開始充電，完成充電5 min后仍未離開充電車位，則系統語音提示車輛離開充電車位，若5 min后仍未離開充電車位，則地鎖閉鎖。此時只能通過聯系充電站的運營人員才能解鎖。

（4）若車輛5 min之內開始充電，完成充電5 min內離開充電車位，系統恢復初始狀態，等待下一輛充電車輛的到達。

（5）系統具備檢測人為強壓地鎖的功能，當檢測到有人強壓地鎖時，會發出告警提示，監控后臺也會語音報警提示運營人員。

2　軌道智能巡檢機器人動力系統設計

2.1　軌道設計

軌道機器人軌道為L型軌道[9]，如圖4所示，采用工字型輕型鋁合金，在轉彎處設置工字型鋁合金彎軌道，軌道半徑為100 mm，軌道采用吊掛裝置將其吊掛于車棚頂上。為便于攝像頭觀察充電樁屏幕且不影響行人行走和車輛的停靠，將攝像頭的離地高度定為2.5 m，距離充電樁1 m。

圖4　軌道機器人軌道示意

2.2　驅動設計

充電站軌道機器人驅動部分如圖5所示，采用齒輪傳動機構，經一級變速后帶動橡膠輪行走；工字鋁4個邊沿分別設置引導輪，引導機器人行走，防止行走時產生左右竄動；在工字鋁與橡膠輪相對的面設置引導輪，防止行走時產生跳動[10-16]。

軌道機器人行走輪裝置分為2個部分：電動機帶動的前輪和無驅動的后輪。前輪和后輪的安裝底板均放置回轉軸承，并與云臺的安裝底板連接，使轉彎時云臺不會產生晃動。

圖5　軌道機器人驅動設計

3　軌道智能巡檢機器人監控后臺設計

軌道機器人的監控后臺軟件采用了在傳統三層體系結構基礎上構建的面向業務的四層體系結構，架構如圖6所示。

（1）接入層：包括充電樁監測數據的接入、機器人運行數據及巡檢分析數據的接入、可見光設備及紅外設備視頻的接入。

（2）數據層：接收通過接入層傳輸的數據，包括充電站內所有在線運行充電樁的運行數據、充電狀態等；機器人在線運行的實時數據及巡檢任務數據；可見光設備的視頻及圖形數據及紅外設備的視頻和圖像數據。

（3）業務層：主要包含狀態監控、視頻轉發、控制平臺、巡檢平臺、數據分析及統計報表功能模塊。

（4）展示層：主要支持可見光設備在線視頻的顯示；紅外設備在線視頻的顯示；軌道機器人運行軌道地圖及巡檢任務執行路徑的顯示；人機交互界面，實現控制命令和巡檢任務的執行功能。

圖6　監控后臺軟件架構

4　應用實例

此處研發的軌道式智能巡檢機器人已在浙江省杭州市香樟街國家電網充電站投入運行，運行實景圖如圖7所示。通過現場運行證明，軌道機器人沿著架設的軌道對充電站充電設備狀態進行智能識別實時監管，實現了全天候、多層次、寬領域的巡視工作，有效地提高設備運行健康狀態掌握能力，可降低運維人員的勞動強度，實現了充電站運營環境的遠程監管，為實現充電站的無人運營提供了技術條件。

圖7　香樟路軌道機器人運行實景

5　結語

針對目前充電站內設備巡檢方法存在的缺陷和不足等問題，設計研制了一種適用于充電站運營環境的軌道式智能巡檢機器人。對該機器人電力驅動系統主要零部件進行了設計選型與校核，結果表明：該機器人的動力系統滿足要求。現場運行情況表明：該機器人能夠穩定可靠地完成巡檢工作，并且將巡檢的數據傳送至后臺，進行顯示、存儲與分析處理，并根據智能分析的結果對故障設備進行告警提示，提高了充電站內充電設施運行的可靠性。