基于UE4 的井下變電所巡檢機器人數字孿生系統

李 新，李 飛，方世巍，趙紅菊

（1.國家能源集團神東煤炭集團公司石圪臺煤礦，陜西神木 719300；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

變電所作為煤礦安全的重要巡檢內容之一，具有空氣濕度大、暗黑弱光以及有害氣體多等復雜非結構化環境特征，工作環境相對惡劣，且由于機電設備數量多，布置分散，串聯特征比較明顯，一旦發生故障很容易對生產線產生重大影響。目前井下變電所巡檢仍然采用人工巡檢、就地操作，工作重復性高，耗費了大量人力但還是不能掌握變電所的實時運行情況。只有異常發生后，才能“事后響應”，存在極大的安全隱患。隨著國家智慧化礦山建設要求的提出，井下變電所的自動化和信息化勢在必行。

為此，提出的一種新的井下變電所巡檢機器人數字孿生系統，以變電所智能巡檢機器人為基礎平臺，采用虛擬現實技術為核心，通過采集巡檢機器人各種傳感器的實時運行數據和控制系統的各種實時參數，構建可視化的遠程監控；同時給出采集的歷史數據，并且通過經驗或者機器學習建立關鍵設備參數、檢驗指標的監控策略，實現趨勢預測，基于預測結果，對事故預警和維修策略進行優化，降低和避免客戶因為非計劃停機帶來的損失，實現全部巡檢過程的可視化監控[1-6]。

1 井下變電所巡檢機器人數字孿生系統

井下變電所巡檢機器人數字孿生系統以UE4為開發平臺，借助UE4 的編程語言-藍圖，實現井下變電所的日常巡檢以及報警、預警的功能。UE4 是Epic Games 公司最新推出的虛幻引擎，是一款可用于三維場景構建的虛擬現實軟件，其獨特的Cascade編輯器可以創建復雜火焰、煙霧等所需的工具；強大的渲染功能以及低消耗的GPU 粒子模擬能夠在1 個場景中設置數以千計的動態光源和粒子特效。同時UE4 能夠導入3D Max 等外部建模軟件模型，使得場景更加豐富和逼真；其藍圖以及C++源碼可以根據任務需求在源代碼的基礎上開發自己想要的功能實現人機交互，也可以通過編程實現與外部數據的通信[7-10]。

基于UE4 的井下變電所巡檢機器人數字孿生系統支持定點巡檢、自動巡檢，采集巡檢機器人的巡檢狀態，包括位置信息、導航路徑識別、自定義任務等，同時預留擴展接口便于后續功能開發。該系統主要包含3 大模塊：環境巡檢漫游模塊、中央控制模塊以及系統接口管理模塊。井下變電所巡檢機器人數字孿生系統功能結構圖如圖1。

圖1 井下變電所巡檢機器人數字孿生系統功能結構圖Fig.1 System function structure diagram

2 功能設計

2.1 巡檢環境漫游

數字孿生系統的環境漫游設計流程如下：

1）通過對變電所內各個實體要素的幾何空間位置、模型結構關系進行梳理和確認，采用分層結構和面向對象相結合的數據結構來確定空間環境的層次結構。

2）在3D Max 軟件中，對井下變電所場景內的各種設備（包括巡檢機器人、變壓器、真空饋電開關、管路閥門以及消防用品等等）進行逐個建摸并結合。模型建好后以fbx 格式導入UE4 中。

3）為進行真實模擬，將上述建立的模型賦予材質。以紋理貼圖作為輸入，通過藍圖的WorldAlignedTexture 節點對材質進行改造，從而保證貼圖的縮放比例不會影響其位置變化。同時還進行金屬度、粗糙度等屬性調節，使得材質更加逼真。

4）接收巡檢機器人本體上的可升降攝像云臺、煙霧、多參數氣體、溫濕度以及粉塵濃度傳感器的實時數據和控制系統的各種參數，通過實時查詢數據庫中的當前數據，驅動程序內UE4 場景各模型運轉，執行相應的動作。

5）該數字孿生系統可適配HTC-VIVE 虛擬現實眼鏡，由眼鏡獲取變電多場景畫面，操作者可以獲得置身于虛擬環境中的逼真感受。

2.2 中央控制功能

中央控制模塊作為數字孿生系統的控制核心，可以完成井下變電所的交互控制、巡檢模式指令切換以及巡檢信息交互等主要功能。

2.2.1 巡檢模式管理

通過實時監測井下變電所的運行參數，制定出合理的巡檢路線，會讓變電所的管理工作更加井序有然、高效便捷。操作者根據任務需要，由數字孿生系統下發巡檢模式指令（通過對數據庫中開始巡檢字段以及巡檢模式字段的修改），巡檢機器人接收到開始巡檢的指令，執行相應的巡檢任務。

1）自動巡檢。巡檢機器人接收自動巡檢指令后，根據數據庫中的自動巡檢任務信息開始巡檢。自動巡檢任務中包含巡檢位置二維碼信息以及當前每個位置信息對應的攝像云臺高度、角度信息以及其它傳感器檢測數據。巡檢機器人在自動巡檢時會根據任務制定的預設路線移動，同時也會將實時位置信息返回數據庫中指定字段，將數字孿生系統中的機器人與井下變電所中的機器人實現同步。此外，巡檢機器人執行任務時獲取的數據信息也會反饋到數據庫中，數字孿生系統可根據數據庫中更新的數據信息判斷、篩選展示在UI 界面上的內容。在巡檢過程中可以執行巡檢暫停、停止等相關操作。

2）定點巡檢。在數字孿生系統UI 界面里，可點擊任意井下變電所內部的機電設備進行指定的定點巡檢。數據庫中接收到指定設備的位置信息后，巡檢機器人會根據該位置信息找到對應位置，并執行相應的巡檢任務。其巡檢過程中的數據傳輸與移動操作與自動巡檢相同。

2.2.2 巡檢信息交互

數字孿生系統支持原始巡檢數據的保存和備份，提供歷史軌跡回放、工作情況等重現和可追溯，能夠隨時調閱歷史資料，實現數據的智能統計分析。當故障問題出現的時候，可以第一時間提示管理人員進行處理和調度，并且能夠展現隱患現場及時加以處理。同時結合現場和數據掌握隱患分布，調整區域巡查力度，實時掌握工作重點，防患于未然。

該系統的信息交互包含單次巡檢報表查詢、歷史曲線查詢、報警歷史信息查詢等等，通過操作界面的各種報表可以直觀的展示統計信息，提升對巡檢數據的理解能力。

1）單次巡檢報表界面展示的是當次巡檢結果的設備和環境信息。

2）歷史曲線查詢界面是根據歷次巡檢時存儲到數據庫里的數據繪制出2 種形式的報表：1 種是曲線；1 種是表格。2 種形式的報表都可以自定義開始、結束時間進行時間段查詢。軟件內部集成大數據分析功能，可以針對單獨某個巡檢數據繪制出當前巡檢信息的變化趨勢。

3）報警歷史信息查詢界面可實現歷史報警信息與實時報警信息的動態切換，實時報警信息會根據巡檢機器人反饋到數據庫的報警信息實時顯示；歷史報警信息則根據數據庫中存儲的每次報警信息按類別統計，將次數顯示在界面上。

系統程序數據處理和控制流程如2。巡檢機器人對現場設備采用多參數傳感器進行氧氣、二氧化碳等環境氣體采集、采用可升降攝像云臺拍攝著火點、采用熱成像儀識別高溫區域，實時檢測數據返回到UI 界面上，并進行數據處理和分析。當檢測設備無異常時，會在UI 界面上正常顯示該設備運行時的電壓、電流等參數。當緊急火情異常發生后，系統將自動根據設計的實時觸發邏輯控制程序轉換為緊急處理模式，并將報警信息實時動態顯示。

圖2 控制流程圖Fig.2 Control flow chart

2.3 系統接口

數字孿生系統需要操作、管理的數據規模較小，數據庫設計包括當前巡檢結果報表、歷史數據表等報表管理。與數據庫的通訊方式采用UDP+TCP 混合方式，UDP 通訊用于傳輸巡檢機器人速度、位移信息；TCP 通訊方式用于傳輸視角切換、門開關信息、聲音采集信息等等，通訊方式架構圖如圖3。

圖3 通訊架構圖Fig.3 Communication architecture

3 試驗驗證

在對井下變電所巡檢測試試驗中，數字孿生系統安裝于地面機房的監控平臺上，通過制定巡檢計劃、遠程監控巡檢機器人完成巡檢任務，并將巡檢數據和巡檢環境可視化顯示。管理者可在數字孿生系統主界面通過點擊“巡檢模式”，確定當前機器人的巡檢方式，并可查看當前機器人電量、行走速度、設備狀態和巡檢任務的數據信息。

相比較于傳統的人工巡檢，數字孿生系統可以實時顯示巡檢機器人的動態檢測數值，發現異常自動上報，實現巡檢全過程的智能化。實時動態檢測數據顯示界面如圖4。

圖4 實時動態檢測數據顯示界面Fig.4 Real time dynamic detection data display

4 結 語

依托于某煤礦井下變電所人工巡檢存在的問題，基于智能井下變電所巡檢機器人，設計了基于UE4 的井下變電所巡檢機器人數字孿生系統。通過對巡檢機器人定點巡檢、定時巡檢以及故障報警預警功能的開發，實現了對礦用巡檢儀的智能化管理，已經應用于煤礦現場。運行結果表明，數字孿生系統與巡檢機器人相結合可以代替人工巡檢，解決了人員勞動強度大，變電所巡檢信息不能及時傳達等問題。