電纜隧道智能巡檢機器人在電網(wǎng)智能化中的應(yīng)用研究

李乾 錢恒健 方永毅 邢昆 劉保安

摘要：隨著我國現(xiàn)代化城市的不斷建設(shè)，城市電纜隧道的建設(shè)也越來越多，電纜的巡檢工作也越來越繁重和復(fù)雜，對于人員的安全隱患也顯露出來。因此，開發(fā)電纜巡檢機器人代替人工巡檢模式已經(jīng)成為電網(wǎng)智能化建設(shè)的需求。文章從機器人的研究難點出發(fā)，詳細(xì)介紹了其研究方案。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);智能化;電纜;巡檢;機器人;應(yīng)用

中圖分類號：TM75;TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0085-05

0引言

為了提高城市電纜管網(wǎng)的現(xiàn)代化管理水平、有效地減輕巡檢人員的工作強度、避免電纜事故的發(fā)生，電纜隧道智能巡檢機器人的研究與應(yīng)用迫在眉睫。電纜隧道智能巡檢機器人的應(yīng)用可以大大加快電纜管理的現(xiàn)代化和智能化程度。把以前電纜的運行維護(hù)人員解放出來，降低人員安全隱患及事故隱患，并能夠投入到精細(xì)化管理中去。

電纜隧道巡檢機器人研究方向可分為隧道頂部軌道巡檢機器人和地面輪式巡檢機器人兩種。由于電纜隧道巡檢路線存在高度落差、隧道壁變形和地面積水等情況，巡檢項目相比較變電站巡檢有所不同，變電站的表計比較多，而電纜隧道幾乎沒有表計，但是電纜隧道要求增加有害氣體、地面積水、隧道壁變形和電纜支架銹蝕度等巡檢項目。

基于以上因素，隧道巡檢機器人的研究趨勢主要針對頂部軌道巡檢型式，此型式可避開地面積水和隧道落差對巡檢的阻礙，另外頂部軌道式機器人可在基本巡檢功能上附加初期火災(zāi)處理、工具包和急救包的傳遞功能，趨于智能人性化發(fā)展。巡檢機器人如圖1所示。

1研究的難點及內(nèi)容

1.1研究的難點

根據(jù)巡檢機器人所應(yīng)用的范圍有一定的局限性，因此，研究的難點有以下4個方面：

1）機器人在隧道內(nèi)的精確定位。

2）機器人軌道如何通過豎井在隧道頂部的下口。

3）機器人穿越防火墻。

4）隧道內(nèi)的信號接收。

1.2研究的內(nèi)容

根據(jù)上述難點問題，針對巡檢機器人的研究內(nèi)容有：

1）研發(fā)一套電纜隧道智能巡檢機器人系統(tǒng)。包括：自動巡檢、電纜設(shè)備的實時監(jiān)測并發(fā)送報警信息、遠(yuǎn)方控制等功能。

2）研究機器人輔助現(xiàn)場工作人員作業(yè)技術(shù)。利用機器人的特性，配合、幫助現(xiàn)場工作人員進(jìn)行初步的巡視、消缺等工作。

3）研究機器人遠(yuǎn)程操控技術(shù)。在人員無法到達(dá)的設(shè)備現(xiàn)場，利用機器人實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

4）研究機器人自動處理現(xiàn)場事故技術(shù)。利用在線監(jiān)測手段獲取事故信息，在事故發(fā)生時先于工作人員第一時間到達(dá)現(xiàn)場，并為工作人員提供現(xiàn)場有關(guān)數(shù)據(jù)，事故影像情況等，同時具備執(zhí)行應(yīng)急巡檢的能力。

5）研究機器人現(xiàn)場監(jiān)護(hù)技術(shù)。通過對現(xiàn)場人員進(jìn)行實時定位，利用人員跟隨技術(shù)通過視頻和聲音傳輸，后臺實時觀察操作人員的工作狀況、指揮指導(dǎo)操作人員操作、后臺和操作人員實現(xiàn)人機互動交流。

2巡檢機器人的研究方案

對于電纜隧道智能巡檢機器人應(yīng)先建立其工作的流程內(nèi)容，其工作流程圖如下圖2所示。

2.1巡檢機器人功能

若要完成圖1的工作流程，巡檢機器人需具備如下功能，如表1所示。

2.2系統(tǒng)功能分析

2.2.1定位系統(tǒng)

智能巡檢機器人在運動過程中通過伺服電機里程碼盤和激光測距儀結(jié)合的方式進(jìn)行定位，保證智能巡檢機器人控制器和遠(yuǎn)程中心管理平臺可以實時了解巡檢機器人的位置信息。輔助定位部分由硬件輔助定位和軟件輔助定位兩種方式。實現(xiàn)視頻機器人運動輔助定位（位置校正）、特定目標(biāo)定位、充電定位等定位功能。

2.2.2視頻巡檢

包括移動高清視頻監(jiān)控、標(biāo)記識別、地質(zhì)沉降、設(shè)備的銹蝕檢測、照明燈識別及漏水與積水識別。

1）移動高清視頻監(jiān)控：機器人身上將裝有1080P高清可見光照相機，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)在隧道內(nèi)可移動的視屏圖像監(jiān)控功能。兼顧化光學(xué)防抖技術(shù)，可以對5-15Hz范圍內(nèi)的細(xì)小振動有效過濾。如果隧道中已經(jīng)沒有工作人員，那么照明燈會處在熄滅的裝下，這時機器人將采用自身搭載的高亮度紅外線進(jìn)行補光照明，以實現(xiàn)有效照明，如圖3所示。

2）標(biāo)記識別：高清視頻相機實時采集監(jiān)測點表計圖片，經(jīng)后臺智能分析軟件分析，可識別出表計讀數(shù)，并對采集數(shù)據(jù)存儲、判定，形成表計歷史數(shù)據(jù)信息、設(shè)備缺陷預(yù)警信息及巡檢報表。

3）地質(zhì)沉降：巡檢機器人采用預(yù)置點標(biāo)定與視頻識別相結(jié)合的方法，對隧道的基建變形、地質(zhì)變化、結(jié)構(gòu)縫錯位等進(jìn)行檢測，有效預(yù)警可能發(fā)生的嚴(yán)重地質(zhì)危害。

4）設(shè)備銹蝕檢測：環(huán)境采集一支線中空氣潮濕，氣體成分復(fù)雜，易導(dǎo)致設(shè)備生銹腐蝕，久而久之會導(dǎo)致設(shè)備故障。巡檢機器人系統(tǒng)通過圖像識別及圖像對比方法，可對套管設(shè)備、緊固件進(jìn)行精確定位、拍照，結(jié)合人工確認(rèn)，實現(xiàn)銹蝕分析，提前預(yù)警，一定程度上防止故障的發(fā)生。

5）照明燈識別：機器人上帶有攝像機及光照度檢測傳感器，可以對隧道中的光照情況進(jìn)行檢測。系統(tǒng)可設(shè)備預(yù)定規(guī)則，系統(tǒng)可統(tǒng)計整個隧道中的燈管狀態(tài)，若連續(xù)出現(xiàn)10m范圍內(nèi)無有效照明時，系統(tǒng)將立即發(fā)出預(yù)警信息，提醒操作人員注意對隧道設(shè)備進(jìn)行運維。

6）漏水與積水識別：機器人系統(tǒng)可針對隧道中的土建滲水、地面積水情況進(jìn)行識別。在正常巡檢情況下，機器人對特定的滲水泄漏點進(jìn)行檢測;常規(guī)行進(jìn)過程中，可采用掃描的方式進(jìn)行滲水漏水檢測。

2.2.3紅外熱成像

由于隧道內(nèi)空氣流通性較差，設(shè)備溫度差異較小，巡檢機器人上攜帶的高靈敏度熱成像儀應(yīng)能在隧道環(huán)境中清晰成像。系統(tǒng)對設(shè)備類型進(jìn)行定點監(jiān)測，行進(jìn)過程中采用1HZ的熱圖檢測方式進(jìn)行普檢，全程有錄像，本地存儲時間不小于2個月。

1）紅外線普測;隧道內(nèi)的巡檢機器人自身帶有紅外線普測功能，在巡檢的過程將對其視野范圍內(nèi)的全部設(shè)備進(jìn)行表面溫度感應(yīng)監(jiān)測，并在全部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行溫度的掃描式采集，對設(shè)備開展紅外線檢測和紅外熱診斷工作，可以有效避免區(qū)域設(shè)備被遺漏，運維人員可以通過后臺電腦觀察某一點的溫度值，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和異常隱患，為設(shè)備的檢查維修提供實時資料。能夠完整的為所監(jiān)測的設(shè)備提供歷史監(jiān)測圖像記錄，以保證在有設(shè)備發(fā)生異常報警時，可以通過歷史監(jiān)測圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行追查。

2）精確測溫：對隧道內(nèi)易發(fā)熱的重要設(shè)備如：電纜接頭、接地箱、接地線等，進(jìn)行精確的測溫和實時監(jiān)控;在發(fā)現(xiàn)有異常溫度的設(shè)備時，能夠通過紅外普測進(jìn)行自動檢測，為工作人員進(jìn)行排查事故提供幫助;在設(shè)備檢修完成并投入運行后或是新設(shè)備在試運行期間，對設(shè)備進(jìn)行精確測溫監(jiān)控;在系統(tǒng)輸電線出現(xiàn)超負(fù)荷情況下，對該設(shè)備進(jìn)行精確的溫度測量;精確測量溫度時，機器人會從多個不同的方位對設(shè)備多個關(guān)鍵部位進(jìn)行整體的視頻圖像監(jiān)控。

巡檢機器人系統(tǒng)采用的是全自動定點檢測模式，該系統(tǒng)會自動設(shè)定需要檢測的位置和設(shè)置檢測的相關(guān)參數(shù)，而且在每次經(jīng)過同一個檢測點時，會自動對該點位的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對比準(zhǔn)確度很高。機器人上所攜帶的高靈敏度熱成像儀，應(yīng)能在低溫差的隧道環(huán)境中，將設(shè)備的溫度與環(huán)境背景溫度進(jìn)行有效區(qū)分，使被檢測設(shè)備清晰成像，并對設(shè)備進(jìn)行精確的溫度檢測。采用機器人自動進(jìn)行精確測溫操作，可以有效避免人工檢測時的問題，測溫過程繁瑣，調(diào)節(jié)的參數(shù)不合適，檢測的溫度不準(zhǔn)確;易產(chǎn)生遺漏，世博支線中設(shè)備眾多，人工巡檢可能漏檢;數(shù)據(jù)不可追溯，人工記錄的數(shù)據(jù)可能信息不全，現(xiàn)場圖像后期整理工作量大，分析困難。紅外線成像效果圖如圖4所示。

3）缺陷定點跟蹤測溫：為了能夠更加準(zhǔn)確的獲得某一處設(shè)備的熱缺陷變化趨勢和熱缺陷處理情況，要對該點進(jìn)行定點定時的檢測，采集完整的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)工作的實際需要呈現(xiàn)出曲線或直方圖等形式的數(shù)據(jù)集。

2.2.4環(huán)境檢測

智能機器人自身攜帶的環(huán)境監(jiān)測模塊，具備監(jiān)測隧道中0：、H2s、CO、CH4、溫度、濕度、煙霧等環(huán)境信息。

2.2.5語音對講現(xiàn)場指揮功能

智能巡檢機器人系統(tǒng)搭載雙向語音系統(tǒng)，安裝有應(yīng)急廣播揚聲器和監(jiān)聽麥克。用于監(jiān)控中心和隧道內(nèi)人員進(jìn)行雙向?qū)χv，實現(xiàn)對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮。在交通疏導(dǎo)與事故處置時，結(jié)合高清視頻功能，操作人員可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺對現(xiàn)場情況進(jìn)行監(jiān)控、監(jiān)督與指導(dǎo)，確保工作高效、實時的開展。

2.2.6異常預(yù)警及聯(lián)動告警處置

根據(jù)隧道的運行情況，按不同等級可發(fā)生報警：機器人本地聲光預(yù)警、監(jiān)控中心聲光預(yù)警。當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境氣體達(dá)到報警參數(shù)、火情、積水異常，巡檢點設(shè)備發(fā)生異常，地質(zhì)變化、通訊系統(tǒng)故障、充電站故障、防火門電源異常等異常情況時，系統(tǒng)都應(yīng)進(jìn)行報警。當(dāng)工作人員確認(rèn)報警信息后，系統(tǒng)可以解除相關(guān)報警。

2.2.7火災(zāi)檢測及應(yīng)急處理

通過巡檢機器人人體搭載的高清視頻設(shè)備檢測管廊內(nèi)部異常光源、煙霧情況;紅外設(shè)備識別火源，對管廊內(nèi)設(shè)備明火及設(shè)備內(nèi)部異常溫度進(jìn)行檢測，及時識別疑似火災(zāi)位置，由平臺專家系統(tǒng)分析是否有著火點，是否需要聯(lián)動消防系統(tǒng);確認(rèn)著火點后，發(fā)送火災(zāi)告警至本地監(jiān)控平臺，配合滅火機器人及時對發(fā)現(xiàn)火源進(jìn)行處置，同時巡檢機器人應(yīng)駛離到安全距離（機器人承受最高溫度）以外觀察。配合氣體檢測設(shè)備，對管廊內(nèi)部有害氣體進(jìn)行檢測，為人員進(jìn)入管廊內(nèi)部進(jìn)行消防或其他作業(yè)提供參考。

2.2.8監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有紅外線視頻及巡檢采集存貯功能，支持現(xiàn)代化視頻的一切功能（包括停止、播放、錄音錄像及視頻截圖等）。

2.2.9機器人工作模式

巡檢機器人系統(tǒng)工作模式應(yīng)具自動巡檢、遙控巡檢、特殊巡檢以及在異常情況下通過與其他系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動的遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮模式，如圖5所示。

1）自動巡檢模式：自動例行巡檢是巡檢機器人按照預(yù)設(shè)規(guī)劃路徑自動巡視方式，是在隧道內(nèi)日常運維工作中最常見的應(yīng)用模式，將巡檢數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)骄C合管理平臺保存，生成檢測分析報告。

2）遙控巡檢模式：支持機器人多目標(biāo)位置的人工遙控巡行，支持人工多種速度遙控模式的巡檢工作方式。可根據(jù)現(xiàn)場的運行情況，監(jiān)控中心操作人員可以手動控制機器人到達(dá)指定位置進(jìn)行作業(yè)。尤其對于在機器人自主巡檢過程中如檢測到設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)異常并向運維人員告警時，運維人員可以在第一時間操控機器人快速到達(dá)異常設(shè)備位置，及時對異常設(shè)備進(jìn)行查看并核實報警信息，以便迅速制定響應(yīng)策略。

3）特殊巡檢模式：特殊巡檢模式為自動巡檢、遙控巡檢的補充方式，針對支線及其它設(shè)備區(qū)內(nèi)需要重點關(guān)注的巡檢對象、巡檢點針對f生設(shè)置巡檢任務(wù)。

對區(qū)域內(nèi)需進(jìn)行非定時、特別關(guān)注的設(shè)備類型及巡檢點類型，例如接頭、接地線等設(shè)備設(shè)施，專門設(shè)定巡檢任務(wù);或在隧道內(nèi)部檢修工作或其他作業(yè)開始前，設(shè)定專門任務(wù)對環(huán)境、設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，為確保設(shè)備、人員安全提供保障。

4）系統(tǒng)聯(lián)動工作模式：通過將巡檢機器人系統(tǒng)與隧道內(nèi)部其他系統(tǒng)自動設(shè)備進(jìn)行對接，在特殊情況下人員不能及時進(jìn)入現(xiàn)場時，由巡檢機器人系統(tǒng)直接控制現(xiàn)場自動設(shè)備進(jìn)行作業(yè);或由巡檢機器人系統(tǒng)提供輔助聲光信息，聯(lián)動系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程現(xiàn)場信息進(jìn)行操作等。

3結(jié)語

1）文章所研究的隧道電網(wǎng)智能巡檢機器人系統(tǒng)適合于90%以上的電纜隧道應(yīng)用，智能巡檢機器人系統(tǒng)的應(yīng)用能有效地提升電纜隧道的科學(xué)管理水平。

2）該巡檢機器人使用后，可為電纜設(shè)備的維護(hù)檢修等工作提供歷史數(shù)據(jù)，從而提高隧道內(nèi)電纜智能化的監(jiān)測水平，對于管理水平的提高有明顯的幫助。

3）能夠有效提高工作人員的安全系數(shù)并減少人員的勞動強度，緩解電力部門存在的結(jié)構(gòu)性人員缺失狀況;還能夠降低突發(fā)事件的影響，提高應(yīng)對突發(fā)事件的能力，減少因突發(fā)事件所造成的電纜停電，降低電纜的運行成本，提高智能化電網(wǎng)的運營能力，為電力部門做出貢獻(xiàn)。