鐵路牽引變電所智能巡控機器人系統研究與設計

代文平 陳紀綱 尹 磊 肖 琨 賀 毅

(1.四川艾德瑞電氣有限公司， 成都 610031;2中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

為掌握電氣化鐵道牽引變電所內設備的運行狀況，根據《高速鐵路牽引變電所檢修規則》等相關規定，運營單位需安排值班人員在所亭值守[1]。值守人員勞動強度較大，巡檢數據錄入信息管理系統工作耗時、繁瑣，巡視質量與值守人員的個人經驗和能力密切相關，且牽引變電所高電壓或惡劣氣象等條件還可能對值守人員人身造成一定的危害，迫切需要利用新興技術將值守人員從機械的工作中解放出來。同時，隨著我國電氣化鐵路開通運營里程的快速增長，鐵路運營單位的值守人員也逐年趨于不足。因此，在牽引變電所開展智能化巡視巡檢研究具有重要的意義。

電力系統機器人的大量應用，為牽引變電所的智能化建設提供了理論和實踐基礎。近年來，國內外專家學者開展了牽引變電所機器人巡檢的相關研究[2-10]，但由于產品功能單一、擴展性及適用性差等問題，導致目前機器人在電氣化鐵路牽引變電所鮮有應用。基于此，本文探討了一種適用于牽引變電所的智能巡控機器人系統方案，對巡控系統功能進行詳細研究。系統采用智能巡控機器人代替人工，實現了變電所的智能巡檢和應急操作。

1 智能機器人巡控系統

1.1 系統方案

鐵路牽引變電所智能巡控機器人系統運用智能巡檢和自動控制的理念，采用模塊化設計，將視頻巡檢、應急操作、微氣象等子模塊集成于統一的軟件平臺，各子模塊可根據工程需要靈活配置。系統采用分層架構，由智能巡控機器人、微氣象、機器人室、本地監控后臺及管理服務器組成，網絡架構如圖1所示。

圖1 智能巡控機器人系統網絡架構圖

各輔助設備就地化安裝于牽引變電所監測點，由相應的子模塊單元完成信息感知及處理，通過網絡設備組網完成信息共享，并運用管理服務器、本地監控平臺實現全所的信息存儲和可視化監控。全所設備的巡檢工作由智能巡控機器人完成，并通過對巡控機器人機械手臂的操控實現應急操作，為牽引變電所集中監控和智能運維提供支撐。

1.2 系統特點

(1)牽引變電所設備及運行環境綜合監控技術

牽引變電所智能巡控機器人系統采用智能巡控機器人移動巡檢技術代替人工巡檢及操作控制，對牽引變電所環境和設備的溫度、局部放電情況及運行狀態等信息進行監測，實現對牽引變電所設備及運行環境的綜合監控。

(2)應急操作技術

智能巡控機器人搭載有多種傳感器，可實現變電所的智能巡檢，并配置有機械手臂，在遠動失靈且需要應急操作時，運營人員可通過本地監控后臺，控制智能遙控機器人機械手臂對變電所內斷路器或開關進行應急操作，避免安全事故的發生或擴展，保證牽引變電所的運行安全。

2 系統設計

智能巡控機器人搭載多傳感器、高清攝像機、高清紅外儀、機械手臂等，對所內設備進行全天候、全覆蓋巡視監控，完成牽引變電所的智能巡檢、應急操作功能。其主要功能架構如圖2所示。

圖2 智能巡控機器人系統主要功能架構圖

2.1 智能巡檢設計

牽引變電所智能巡控機器人系統智能巡檢設計具有以下功能及特點：

(1)為適應牽引變電所面積大小，滿足信息實時性要求等，智能巡控機器人采用自適應功能設計，既支持集中使用，也可在具有巡檢、通信、供電設施的多個室內區間進行調配，實現輪換使用，具備對變電所設備區域進行自動化巡視、數據采集、數據分析、異常預警、協同作業等能力。

(2)為使巡檢內容及功能盡可能地覆蓋更廣，充分利用移動巡檢的優勢，智能巡控機器人搭載高清可見光攝像機、高靈敏紅外熱成像儀、聲音探測儀、局部放電檢測設備、SF6傳感器等多種傳感器，自動對變電所室外設備、開關柜、綜合自動化等設備進行外觀檢查、表計識別、溫度診斷、局部放電檢測和SF6含量檢測，并對高壓開關柜室內整體運行狀態進行實時監測，將巡檢數據自動上傳到本地監控平臺和綜合應用服務器保存，生成檢測分析報告及報表。

(3)為解決拍照環境光線不足及拍照抖動問題，可見光攝像機采用超低照度攝像機，并在智能巡控機器人上配置輔助照明燈，增加環境照度，保證清晰成像。同時采用一體化光學防抖技術，有效過濾5～15 Hz范圍內的細小振動，使智能巡控機器人在行進過程中的視頻效果穩定、清晰。

(4)為提高巡檢效率，提升紅外測溫的準確性，智能巡控機器人采用紅外普測加精確測溫有機結合的技術方案。在行走過程中對視野范圍內設備表面的溫度場，進行整體區域性掃描式溫度采集，并對設備進行熱診斷，有效避免區域設備被遺漏。在紅外普測模式下，智能巡控機器人可在行走過程中進行區域性紅外掃描式普測，每隔一定距離采集一次紅外熱成像圖，檢測視野范圍內的溫度最高點，為設備普測巡檢工作保留歷史巡檢圖像。若設備發生異常，則可通過歷史檢測記錄進行數據追溯。在普測過程中，若發現視野內存在溫度超過安全閾值的設備，則立即進行聲光報警，并對疑似故障設備進行進一步的溫度精確分析，同時將巡檢結果自動存儲到本地監控后臺，為運維人員判斷設備缺陷提供依據。

(5)為解決變壓器等電力設備故障時的聲音異常問題，智能巡控機器人采用音頻降噪算法和聲音識別技術，減輕環境噪音干擾，增強音頻信息識別的準確性和可靠性。音頻數據經軟件壓縮后，傳回綜合應用服務器進行分析、識別及存儲。

(6)為確保自動巡檢工作的可靠性和高效性，智能巡控機器人采用激光雷達與慣性測量單元、導航與無線射頻標簽數據融合的方法，提供多種高精度的導航參數(位置、速度、姿態)。位置及導航信息通過網絡實時傳輸到基站控制系統，利用計算機在電子地圖上實時動態跟蹤和顯示智能巡控機器人的地理方位，實現導航信息的可視化、一體化和集成化。

(7)為滿足智能巡控機器人自動巡航要求，系統配置有自動充電裝置，充電裝置安裝于主控室或機器人專用充電房內，當智能巡控機器人電量低或巡檢任務結束后，自動返回充電裝置充電。特殊情況也可人工手動充電。

(8)為實現遠程指導功能，智能巡控機器人搭載雙向語音系統，安裝有應急廣播揚聲器和麥克風，用于監控中心和現場人員雙向對講，雙向語音傳輸結合可見光攝像機和紅外熱成像儀，滿足遠程視頻指導，實現遠程監控指揮。

2.2 應急操作設計

針對現有機器人巡檢變電所可視不可控的問題，智能巡控機器人配置機械手臂，采用按鈕視覺定位方法，準確控制機械臂。如遇應急事件，運維人員可通過本地監控平臺準確控制機械臂，對屏柜上的分合閘按鈕、轉換開關等元器件進行應急操作。機械臂采用雙步進電機驅動，不僅能上下運動，還能在上下運動中任意角度調節(180°范圍內)，可有效作用于不同高度和位置分合閘開關的操作手柄，保證操作功能的可靠性。

2.3 機器人進出門設計

為解決智能巡控機器人戶內外全面巡檢的問題，智能巡控機器人系統配備門控箱，實現自動開/關門功能。當機器人執行巡檢任務需進出門時，由智能巡控機器人通過無線通信發出開/關門信號至門控箱，門控箱接收到信號后，立即執行相應操作，實現自動開/關門。門位置信號通過RJ-45接口傳送至本地監控后臺，實現遠程實時監控和閉鎖功能。智能巡控機器人通過本地監控后臺讀取門的實時位置信號，確保機器人執行任務時能可靠進/出門。

2.4 微氣象設計

為保障智能巡控機器人惡劣天氣環境下巡檢的可靠性和巡檢數據的準確性，智能巡控機器人系統配備微氣象，實時在線監測牽引變電所環境溫度、濕度、風速、雨量、雪等氣象數據，并將氣象信息傳送至本地監控后臺，實現對牽引變電所區域微氣象數據的收集、統計與分析。并將氣象信息與智能巡控機器人定時巡檢功能相結合：(1)將氣象數據通過算法融入到設備的檢測結果中，確保巡檢數據的準確性和可靠性；(2)當出現風速大于30 m/s、積水超過100 mm或雪深超過50 mm等惡劣天氣時，暫停機器人巡檢任務計劃，有效保證智能巡控機器人的安全。

2.5 本地監控后臺設計

為實現對全所監測信息采集、數據分析結果、告警及聯動處置情況、缺陷狀態等的集中呈現，方便運維人員對所內的運行情況進行整體把控和運維作業管控，智能巡控機器人系統采用C/S架構的本地集控后臺設計，兼容windows、Andriod、IOS等主流移動終端操作系統，操控智能巡控機器人對各監控點進行日常手動或定時巡視，并實時獲取和展示變電所溫濕度、可見光視頻、熱成像圖像和SF6和局放等數據。數據通過本地集控后臺收集處理，自動生成相關的報警信息和統計記錄，方便操作人員進行數據分析、管理和判斷，及時對異常情況進行報警，并控制智能巡控機器人執行相關任務，實現事故的提前預防與應急操作。

2.6 通信設計

(1)智能巡控機器人系統內部通信

智能巡控機器人與本地監控平臺采用無線通信，以滿足機器人巡檢的靈活性和工程適用性；微氣象安裝于主控室房頂，可根據工程具體情況靈活選用有線或無線方式與本地監控平臺通信。

(2)智能巡控機器人系統與輔助監控系統通信

智能巡控機器人系統分布于鐵路沿線的牽引變電所內，為實現鐵路局/供電段對智能巡控機器人系統的操控，采用鐵路專用光纖通道完成智能巡控機器人系統與牽引變電所輔助監控系統的數據信息交互，以滿足視頻、圖片等數據傳輸帶寬要求。根據工程實際情況，用戶也可選用5G無線網絡實現牽引變電所智能巡控機器人系統與輔助監控系統的信息傳輸。

3 應用效果

基于本文所述的牽引變電所智能巡控機器人系統研究及設計方案生產的產品已應用于柳南客運專線進德牽引變電所和西成高速鐵路洋縣西牽引變電所。產品采用分層架構，通過智能巡控機器人、微氣象等輔助監控設備采集所內輔助設備信息，集成了視頻巡檢、紅外巡檢、環境監測等功能，實現了全所的環境信息監測、設備智能巡檢及應急操作，所內智能巡控系統前端設備能與設置在段部巡控系統進行遠程通信，實現了信息采集、遠程控制、數據存儲、告警處理和監控等功能。自2018年12月至今，該智能巡控機器人系統運行正常，性能穩定，系統監控后臺界面友好、功能齊全、組態方便，提高了牽引變電所的正常巡視和應急操作的自動化和智能化水平。產品現場運行圖片如圖3所示。

圖3 智能巡控機器人現場運行圖

4 結束語

本文從牽引變電所巡視巡檢現狀出發，基于智能巡檢和自動控制的理念，探討了一種適用于牽引變電所智能巡控機器人系統方案，詳細闡述了系統方案并對巡控系統功能進行詳細研究。系統采用智能巡控機器人代替人工，實現對變電所的智能巡檢和應急操作。在西成高速鐵路和柳南客運專線工程中的成功應用，驗證了系統功能和性能的實用性，可為牽引變電所智能運維提供技術支撐，較大地提高生產效率，節約人工成本。