基于激光引導技術的室內變電站巡檢輔助裝置設計

崔若涵，王晨杰，王 備，安 帥，柴 俊

(國網上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

變電站是各級電網的核心控制樞紐，站內的各種電氣設備都需要定期檢查，目前被廣泛應用的巡檢方式主要是傳統的人工巡檢以及新興的移動機器人巡檢。雖然部分巡檢工作能夠被移動機器人代替人工操作完成，但在特定情況下，仍需要工作人員進入現場，手動操作。工作人員進行電氣操作時，以操作票作為書面依據，操作票是防止誤操作(誤拉、誤合、帶負荷拉、合隔離開關、帶地線合閘等)的主要措施。在實際操作中，工作人員根據操作票進行電氣操作的效果跟工作人員的個人素質有關，可能會發生操作人員跑錯倉位或誤看、漏看操作票指令等情況，很難完全保證操作無誤[1-3]。

為減少人工操作時的誤操作，設計一種基于激光引導的巡檢輔助裝置，在操作人員進行電氣操作時進行激光和語音提示引導，提高巡檢效率，減少誤操作[4-6]。本文還深入研究智能電力巡檢設備、模擬屏及操作票系統協同聯動的應用場景，提出一種電力操作五防輔助引導的應用模式。

1 系統組成和功能

1.1 巡檢輔助裝置系統組成

巡檢輔助裝置包括主控系統、移動機器人平臺、模擬屏識別系統和人臉識別五防鑰匙箱四個組成部分，其整體結構如圖1所示。主控系統通過有線網絡連接到模擬屏識別系統和五防鑰匙箱解鎖系統，通過無線網絡連接到懸掛軌道式移動機器人平臺，系統的四個主要組成部分構成一個微型局域網絡。

圖1 系統整體結構圖

主控系統實現數據存儲、管理、網絡通信等功能，可以與操作票系統通信(或通過界面錄入操作信息)；可通過網絡獲取模擬屏識別系統基于模擬屏圖像分析提取的站內設備狀態信息；通過網絡獲取移動機器人平臺的運行狀態信息，并向機器人平臺傳輸引導作業指令、操作票信息。

模擬屏識別系統配置光源和攝像機，通過圖像分析實時獲取模擬屏上顯示的所有電力設備的模擬指示狀態信息，為全面跟蹤操作過程提供基礎的數據信息。通過模擬屏識別系統獲取電力設備的狀態系信息是進行激光引導的基礎，根據獲取到的電力設備狀態，引導系統能判斷上一步操作是否正確，并結合操作票信息判斷下一步操作。

懸掛軌道式移動機器人平臺具備圖像采集、視頻錄制、電力設備二維碼識別功能，具備語音提示和激光引導功能。人臉識別五防鑰匙箱具備基于人臉識別一鍵解鎖的工作人員身份驗證功能。

1.2 安全輔助裝置綜合引導作業過程

在開始設備操作流程前，操作人員靠近智能機器人，機器人拍攝作業人員面部圖像，并和操作票系統中設定的作業人員的面部特征進行自動匹配，在確認作業人員身份的前提下，可引導開展設備操作。輔助引導作業流程具體如下。

(1)開始引導開展設備操作流程時，機器人根據操作票流程運動到需要操作的開關設備正面；

(2)機器人將激光圖像投影到當前需要操作設備的面板上，動態閃爍。

(3)機器人通過語音方式提示作業內容，例如：“請斷開##號開關設備接地刀”等。

(4)在操作人員開展設備操作時，機器人通過模擬指示屏識別系統獲取設備的狀態信息；

(5)當設備狀態變化結果符合預定的操作流程時，則提示開展下一步操作。否則系統會提示操作錯誤。

(6)重復這些操作，直到正確完成操作票所要求的全部作業流程。

2 硬件設計

2.1 主控系統

主控系統硬件以一臺高性能的工業控制計算機為核心，配置顯示器、鼠標、鍵盤等輸入和輸出設備。主控計算機選用研祥IPC810主機服務器，顯示器選用AOC I2490VXH5/BS 24臺式液晶電腦顯示器。

2.2 模擬屏識別系統

模擬屏識別系統配置兩個網絡攝像機和一套光源系統，網絡攝像機型號為B12-I/POE /3T46WD-I3，分辨率1 920×1 080像素，根據實際需要配置4～8 mm鏡頭。光源系統選用節能LED白光光源。

豬流行性腹瀉是豬的一種急性、接觸性傳染病，該病的首次報道在1970年的英國和比利時，此后在許多國家也報道了該病的發生，我國在1973年發生該病，1984年，我國通過熒光抗體試驗和血清中和試驗證實了豬流行性腹瀉病。該病是由豬流行性腹瀉病毒引起的急性接觸性腸道傳染病，此病毒容易感染哺乳仔豬，臨床表現為嘔吐、腹瀉、脫水，死亡率高達95%，給全世界的養豬行業造成極大的經濟損失。

2.3 作業引導機器人平臺

作業引導機器人平臺選用懸掛軌道式基本結構，如圖2所示。機器人可以沿軌道行走，內部組成如圖3所示，主要包括框架結構、行走/升降機構、電源及充電系統、無線通信單元、集中控制單元、激光引導模塊、視頻采集單元、語音引導模塊等部分。

圖2 懸掛軌道式作業引導機器人

圖3 機器人基本組成

機器人集中控制單元選用低功耗主板，型號為N55。主板可安裝WINDOWS操作系統，運算速度快，外圍接口豐富，支持高速網絡通信。激光引導模塊采用集成激光光源，可定制顯示電力操作符號，通過控制線連接到集中控制單元，可以實現激光定位引導和閃爍提示。語音提示功能通過外接小揚聲器實現，通過USB供電，連接到集中控制單元的音頻輸出接口；揚聲器布置在機器人結構上，隨機器人整體一起移動。

機器人平臺上的運動控制、充電等單元通過單片機進行控制，控制器通過串行接口連接到集中控制單元。控制器采用STM32F429IGT芯片。該芯片是STM32系列中性能較高的產品，基于ARM Cortex-M4內核設計，時鐘頻率可達到180 MHz。STM32F429系列規格上內置最高2 M閃存；3個ADC模數轉換器，支持24個輸入通道；支持2個DMA控制器，共12個DMA通道；最高17個定時器；3個I2C接口；8個USART接口；6個SPI接口。

STM32F4系列芯片具有高性能、低功耗、接口豐富的特點，非常適合作為巡檢機器人的主控核心。

3 軟件設計

安全輔助裝置軟件系統包括主控系統軟件、模擬屏圖像識別軟件、作業引導機器人軟件。三套軟件相互協作，可實現實時作業引導、身份認證和操作監視等。

3.1 主控系統設計

主控系統軟件采用C++語言開發，實現數據庫管理、參數顯示、與模擬屏識別軟件、作業引導機器人和操作票系統通信等功能。軟件數據庫基于SQL Server 2008數據庫管理系統設計。

3.2 模擬屏圖像識別軟件

模擬屏圖像識別軟件主要實現模擬屏中各個配電設備狀態的實時提取。由于模擬屏較寬，采用一個單獨相機進行圖像分析無法避免局部遮擋，所以系統布置兩個攝像機，分別從不同方向拍攝模擬屏圖像，然后通過圖像處理的方法分別提取部分設備信息，經過組合后獲取設備的完整狀態指示信息。對于特別大型的變電站，也可以配置多個攝像機進行拍攝，然后進行融合分析的方法提取全部設備狀態數據。

通過對模擬指示屏圖像的分析可知，當拍攝圖像方位確定時，圖像中不同設備，以及同一設備的不同部件的模擬指示符號也是基本固定的，導致成像差別不大。為此，模擬屏圖像識別軟件的圖像識別處理流程如圖4所示。

圖4 模擬屏圖像處理流程

模擬屏圖像識別軟件采用C++語言開發，以OPEN CV圖像處理庫為基礎，通過QT設計運行界面。圖像分析處理的延遲小于500 ms，每秒中可完成2次以上圖像的自動分析處理。提取的開關設備狀態信息直接通過UDP報文的方式發送到主控系統和作業引導機器人平臺。

3.3 作業引導機器人軟件

3.3.1 軟件的組成和功能

作業引導機器人軟件實現基于人臉識別的身份認證處理算法，根據操作票作業流程對作業過程進行激光引導、語音提示、操作校對等主要功能。

在依據作業票開始作業前，操作人員靠近作業引導機器人，面對機器人相機，按下身份確認按鈕，機器人自動拍攝作業人員面部圖像。在操作票系統進行作業設定時，系統已經錄入了作業人員的基本信息，并在安全輔助裝置的主控系統中預先存儲了操作人員的面部圖像。作業引導機器人軟件人臉識別模塊自動分析，比較拍攝圖像與系統中記錄圖像的圖像特征，進行匹配分析，確認操作人員身份；當通過身份識別時，機器人系統通過語音提示識別結果，操作人員可跟隨機器人前進到第一步目標作業位置。

3.3.2 作業引導軟件框架

作業引導軟件是作業引導機器人系統的主控軟件，是引導作業的核心。作業引導軟件實現遠程通信、設備定位、激光引導、語音提示、操作校對等功能。軟件整體結構如圖5所示。

圖5 作業引導軟件整體結構

軟件整體上包含主控單元、網絡通信模塊、運動控制模塊、二維碼識別模塊、激光引導控制模塊、語音引導模塊、能源管理模塊等部分。主控單元實現作業引導過程的整體協同控制，實現各子模塊之間同步和數據交換。各單元的主要功能和作用具體如下。

(1)網絡通信模塊：實現遠程無線通信，接收模擬屏圖像識別系統的識別結果，獲取設備的模擬指示狀態；接收操作票系統操作票信息；向主控系統傳輸引導作業機器人的運行狀態信息、作業引導進展狀態和報警信息等。

(2)運動控制模塊：實現作業引導機器人沿軌道的運動控制，根據引導作業需求運動到指定的作業位置。

(3)二維碼識別模塊：二維碼是現有開關設備主要的識別標志，國網已經建立相應的設備二維碼標識規范。二維碼識別模塊可以通過機器人攝像機獲取開關設備圖像，并采用動態分析算法提取二維碼圖像，然后根據從圖像中截取的完整二維碼圖像獲得設備信息。二維碼識別結果是實現作業引導定位的關鍵位置反饋信息。

(4)激光引導控制模塊：實現激光引導模塊的控制，在引導機器人運動到預定位置后，激光引導控制模塊可以控制激光投射裝置將圖像投射到指定的開關設備面板上，根據作業狀態分別實現固定投射和閃爍投射的效果。

(5)語音引導模塊：實現語音信息的輸出，基于微軟的中文語音朗讀引擎開發，可以根據作業進度發出不同的語音提示。

(6)能源管理模塊：是作業引導機器人實現內部能源管理和自主充電控制的專用單元。可以實現電源監視、電能管理、低功耗控制、自主充電等功能。

作業引導軟件整體通過C++語言開發，開發環境擬選用QT5.0或以上版本，軟件采用標準化、模塊化的基本結構，便于功能擴展和維護。

4 結語

針對電氣工作者在對變電站配電設備操作的過程中可能出現的跑錯倉位或誤看、漏看操作票指令等情況，提出了一種基于激光引導的五防安全輔助裝置。安全輔助裝置包括主控系統、模擬屏圖像識別系統、作業引導機器人系統。充分利用激光引導、網絡通信、圖像識別、嵌入式等技術，軟硬件結合，三套系統相互協作，可實現實時作業引導、身份認證和操作監視。該安全輔助裝置能夠實現操作人員作業流程設備監護，在需要操作(或關注)的設備面板上用激光信號標識，引導或指示作業過程(順序)，能有效避免工作人員出現常見的誤操作。