基于云平臺的熱像儀巡檢系統

江 灝 生綠偉 唐 輝 湯沙沙

上海振華重工集團(股份)有限公司

1 引言

早期診斷變電站帶電運行設備的發熱隱患對電力系統安全運行、可靠供電十分重要。紅外熱像儀具有非接觸性特點及先進的成像技術，便于在線進行電氣設備的發熱檢測，使電氣設備故障診斷和維修變得簡單方便，電網設備維修從傳統的預防性檢修轉變為預知性維護，可有效減輕運行維護人員的負擔[1-2]。為滿足智能監控的需求，將紅外熱像儀安裝在運動機構上，利用多軸運動控制器控制運動機構按照設定的路徑運動，從而擴展更大的監控范圍，能夠實時檢測電氣柜內電氣設備運行情況，發送高溫報警信息到監控系統控制器。同時推送報警視頻、圖片等信息給手機客戶端，便于及時了解故障，解決問題，并實時記錄設備溫度，通過和歷史數據比較評估電氣設備使用壽命。

2 系統整體組成

系統主要由熱像儀傳感器、運動部分、監控云平臺、客戶端部分組成(見圖1)。運動部分主要由運動控制器、二維運動機構組成。運動控制器發送指令控制二維機構支架，運動機構攜帶熱像儀按周期運動，并將實時位置信息和支架運動狀態等發送到云平臺。監控云平臺由視頻數據庫、圖片數據庫、溫度值數據庫、圖片處理和WEB服務器組成，分布式地監控各運動機構。視頻數據庫主要保存溫度達到閾值時的視頻數據，提供給客戶端檢查；圖片數據庫主要也是保存溫度達到閾值時設備圖片信息，通過圖片處理技術可以分析出具體設備的溫度情況，故障狀態；溫度值數據庫通過實時溫度和歷史溫度的比較，了解設備使用壽命；WEB服務器將監控系統功能轉化為WEB服務，提供監控系統的對外接口；云平臺上的數據庫具有圖片處理、數據保存等功能，為WEB服務器提供溫度信息和視頻圖片分發的資源，用戶通過網絡訪問WEB服務器，獲取實時的視頻、溫度值，運動狀態以及歷史報警信息等。

圖1 系統框架圖

3 熱像儀巡檢系統設計

熱像儀巡檢系統主要包含二維運動機構、運動控制器、伺服驅動器、熱像儀和云平臺。

3.1 二維運動機構

運動機構設計成門字型框架，熱像儀安裝在滾珠絲桿組合滑臺上面，橫向伺服電機通過滾珠絲桿的傳動方式控制熱像儀水平運動，頂部的伺服電機通過鏈條驅動的方式控制熱像儀縱向運動，運用運動控制系統對伺服電機實施精確控制。其機械結構示意圖見圖2。

圖2 二維運動機構示意圖

運動機構的技術要求如下：

(1)整個運動支架需采用防腐防生銹材料，總重量應小于10 kg，整體穩固，抗擺動。

(2)驅動電機為伺服電機(豎直方向帶剎車)，通訊接口RS485,通訊協議Modbus RTU。

(3)水平方向和垂直方向的起始位置和終點位置均配置安全保護限位。

(4)水平方向行程0.9 m，垂直方向行程1.5 m。

(5)水平方向和垂直方向的速度范圍控制在0.5～3 m/s。

(6)運動機構負載1 kg。

3.2 運動控制器

采用基于以太網或串行總線的以DSP作為核心處理器的開放式運動控制器。這類運動控制器以DSP芯片作為運動控制器的核心處理器，具有強大的信息處理能力、較高的開放程度、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。能提供多軸協調運動控制和復雜的運動軌跡規劃、實時地插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠實現閉環控制。

選用支持Modbus RTU協議的伺服驅動器，運動控制器可以控制多臺運動機構工作。Modbus RTU主站設備(客戶端)通過串行網絡向伺服驅動器(服務器)發送查詢信息。網絡上的每一個伺服驅動器都有1個唯一的設備地址，根據特定的從站設備或者特定的廣播地址進行查詢。需要回應的查詢不可用廣播地址。接到1個完整的非廣播查詢后，從站必須向主站發送1個回應消息。當主站接收到1個完整的回應時，查詢/回應的一個周期就完成了，從站不會響應廣播查詢。當發送廣播查詢之后，在完成這個周期并發下一個查詢之前，主站必須等待一個特定的時間。某些廣播查詢會包含命令，要求從站執行特定動作。

3.3 伺服驅動器

伺服驅動器作為從站，接受來自運動控制器的指令，驅動伺服電機運動。通過位置模式對伺服電機進行閉環控制，從而可以實現高精度的定位。低速度的平緩運動使得熱像儀傳回的視頻比較流暢，不會出現抖動的畫面。

3.4 熱像儀

紅外測溫技術是利用紅外探測技術獲取設備的紅外輻射狀態的熱信息，然后轉換成溫度進行顯示的技術，是一種非接觸精確測溫方式，與傳統測溫方式相比具有很多優點：它的測量不干擾被測溫度場，不影響溫度場分布，從而具有較高的精準度；理論測量范圍寬；不需要與被測對象達到熱平衡就能讀出被測物體的溫度，所以測溫實時性強。紅外熱像儀的實時視頻圖片信息可以很直觀地反應出故障點。

3.5 云平臺

云平臺從用戶體驗的角度出發分為3種模式：SaaS、PaaS、IaaS。云計算平臺的基礎結構與視頻監控系統的結合，可以將基于云平臺的紅外視頻監控系統分為紅外視頻數據采集、用戶訪問、云計算服務器集群等模塊。紅外熱像儀和運動控制器通過網絡直接和云服務相連，云平臺采用基于B/S架構的模式，用戶可以通過移動設備或者PC計算機快速訪問，獲取視頻信息、給運動控制器發送指令。

4 關鍵技術

4.1 機構運動路線規劃

運動機構攜帶熱像儀對目標電氣柜區域進行定期巡檢，需要對運動機構的路徑進行合理規劃。對低溫區域降低巡檢頻率，對局部高溫區域進行標記并增加掃描頻率。

按工況將運動機構的路徑規劃劃分為3個階段。

(1)復位階段。整個系統上電復位后，熱像儀、伺服機構等進入初始化階段。運動結構進行位置歸零操作，依靠水平和垂直和限位開關，將機構運動到如電氣柜邊角的零點位置。

(2)巡檢搜索階段。設置好起始點和目標點的前提下，結合電子地圖規劃全局的道路路線。集合熱像儀視場角以及熱像儀到被測物體的距離，計算出水平運動方向和垂直方向的目標位置后，將所有的目標位置保存到電子地圖中，然后運動起始。按照先水平后垂直的交替運動方式，經過所有目標位置，完成對整個電氣柜的掃描。

(3)區域監控階段。將巡檢搜索階段記錄的溫度值進行統計，尋找局部高溫區域，對這些區域進行路徑規劃重點關注。通過區域監控和巡檢搜索相結合的方式，熱像儀巡檢儀能更高效地完成電氣柜的監控工作。

4.2 視頻流

熱像儀采用RTSP(Real Time Streaming Protocol)實時流傳輸協議，而在移動端的顯示需要HLS(HTTP Live Streaming)視頻流媒體播放。目前在iOS、Android等主流移動端都可以播放HLS視頻流。為了將RTSP視頻流轉化成HLS視頻流輸出，采用FFmpeg作為視頻流轉換的工具。云平臺的監控流媒體服務程序將獲取的RTSP視頻流根據需求進行HLS轉化處理，HLS生成的ts視頻切片序列和對應的索引文件存儲在云平臺上，并更新該設備HLS的索引文件。手機客戶端訪問WEB服務器，根據用戶選擇從數據庫中查找對應的熱像儀，獲取實時的視頻信息，可從WEB服務器上下載HLS索引和視頻切片進行播放[5-6]。

4.3 智能數據處理

云平臺服務器接收到手機客戶端運動機構位置狀態信息的請求后，根據數據庫配置的對應運動控制器，通過Modbus RTU協議獲取實時位置信息，再推送到手機客戶端。在智能化方面，通過分析H.264編碼標準，提出在視頻壓縮域使用運動矢量與宏塊分割類型相結合的顯著運動檢測方法，對實時視頻進行分析，智能視頻處理模塊從平臺接口接入系統，調用微信公眾號接口向用戶推送報警信息。

在云服務器上分別有視頻服務器、圖片數據庫、溫度值數據庫，主要功能是采集和存儲視頻數據、溫度數據和報警圖片數據。系統自動截取每次報警時的圖片保存到圖片數據庫，實時溫度信息會保存到數據庫并和歷史數據比較，會獲得該設備的壽命、使用年限等信息[7]。

熱像儀支持Modbus TCP協議。當被監控設備的溫度達到閾值時，截取視頻流，將此時的圖片保存到圖片數據庫，通過圖片處理技術獲取到溫度達到閾值的設備，云平臺立刻向熱像儀發送獲取溫度值請求，收到來自熱像儀的實時溫度信息，將溫度信息和到達閾值的設備名以及時間等信息保存到數據庫。

5 結語

基于物聯網、云服務平臺以及工業大數據分析所建立的熱像儀巡檢系統，實現了電氣設備的實時、智能工作溫度監測，對電氣柜等設備的全壽命周期安全管理具有十分重要的意義，能夠提高工作效率，節約生產成本，有效減少設備停機時間。