閥廳智能巡檢機器人系統設計及應用研究

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局 連興文

引言

閥廳是整個換流站的核心部分，其主要是進行換流閥放置的封閉建筑，閥廳是否能夠穩定運行，直接關系到整個直流輸電系統、換流站的安全性與穩定性。由于換流閥本身的特性，運轉過程中會生成大量的熱量，需要配置溫度監控設施、高效冷卻設施，而正是因為溫度監控設施、冷卻設施在使用過程中容易出現故障，必須要針對閥廳進行實時監控與定期巡檢，才能夠有效保障閥廳運行的安全性。

傳統的巡檢模式主要是通過人工方式進行巡檢，因此會面臨手段單一、檢測質量分散、工作效率低、勞動強度大等缺陷，從而導致選件及時性、到位率均無法得到有效的保障，同時固定方位的監控系統也存在著較大的局限性，整體效果不夠理想[1]。然而5G 時代的全面到來，由于各種新興技術的不斷普及應用，諸如人工智能、大數據技術、云計算等新興技術的不斷應用，為閥廳巡檢提供了有效的技術支持。

上述背景下，智能巡檢機器人逐漸成為行業研究的重點。對于閥廳管理來說，傳統閥廳主要是采用人工巡檢的模式進行管理，整體管理效率相對較為低下，同時巡檢的及時性、覆蓋率等均不夠理想，顯然已經無法滿足閥廳巡檢工作的要求。針對上述問題，本研究結合閥廳巡檢工作需求與信息技術發展動態，深入闡述了閥廳智能巡檢機器人系統設計方案與實際應用情況，現針對相關內容進行如下分析，僅供參考與借鑒。

1 閥廳智能巡檢機器人概述

所謂閥廳智能巡檢機器人，指的是建立在可移動的感知執行平臺基礎之上，系統本身搭載了多種類型的傳感器，以此來針對設備的狀態進行檢測，同時完成設備操作、業務處理等能夠定制的可編程多功能操作系統。閥廳智能巡檢機器人能夠全面代替傳統的人工巡檢工作中面臨的一些重復性、危險、困難的工作，而且閥廳智能巡檢機器人的穩定性也更高。

從當前普遍應用的閥廳智能巡檢機器人來看，基本都是利用四驅底盤、無軌化導航技術，同時集成導航單元、通訊單元、主控單元、供電單元、驅動單元、防護單元等多個模塊，本身具有極強的適應性，具有集群化、無軌化、可調配、智能化的優勢，能夠有效適應高溫、高寒等惡劣條件，且能夠與電力系統進行無縫對接，能夠開展實時監控、紅外測溫、可見光圖像識別、故障報警、巡檢報告分析、定點巡檢、智能巡檢等多項工作。

2 閥廳智能巡檢機器人系統框架

閥廳智能巡檢機器人的設計主要是通過智能軌道來設計行走方式，并在軌道中進行各種系統的掛載，如自動化機電設施、溫濕度傳感器、影音采集設施、音視頻采集設施等，同時利用紅外熱成像相機針對設備進行熱圖像采集、熱分析，利用普通可見光相機來針對閥廳進行遠程的圖像采集、實時監控[2]。同時在此基礎上，利用云臺實時傳輸采集完成的圖像數據，系統能夠及時掌握閥廳各種設備運行狀況[3]。

2.1 系統硬件

對于閥廳智能巡檢機器人系統的設計，主要包含軌道及升降設備、電機驅動電路、供電模塊、通信組件、控制中心等共同組成，基于各種拾音器、攝像機來完成音視頻采集工作，通過數字模擬之后，將對應的信息傳輸到監控中心后臺。此次系統可以滿足RS485協議、TCP/IP 協議，具體的結構見圖1。

圖1 閥廳智能巡檢機器人系統示意圖

控制中心是整個系統當中的核心，全面負責閥廳智能巡檢機器人系統的運行控制。控制中心主要是通過DSP 處理器、嵌入式CPU、通信模塊等共同組成。根據電機的工作模式來看，電機驅動模塊主要包含直流電機驅動電路、步進電機驅動電路，可以針對電機垂直升降、水平移動進行控制，同時還能夠針對電機轉動角度、速度、正反向等進行控制[4]。

軌道機針對巡檢機器人的整個軌道運行情況進行控制，基于軌道總成來進行拐彎或者直線運行模式，這個過程中能夠進行數據傳輸、無線供電[5]。與此同時，通過升降機的使用，還能夠針對各種掛載設備進行多維度的移動，使得巡檢機器人能夠針對閥廳進行更為系統的掃描，且能夠提升精度更高的定位服務。此外，通信模塊主要可以提供有線與無線通信接口，滿足多元化的通信傳輸需求。

電源模塊主要是為整個系統及各種掛載系統提供電力方面的支持，能夠綜合參考閥廳智能巡檢機器人系統需求提供多元化的電力支持，如AC 220V，AC 48V，AC 24V，DC 48V ，DC 18V，DC 12V 等。此外，通過雙觸點焦點技術、直線滑環技術的應用，能夠解決傳統模式面臨的掉電問題。閥廳智能巡檢機器人系統實物圖如圖2所示。

圖2 閥廳智能巡檢機器人系統實物圖

2.2 系統軟件

系統軟件的功能主要是應用于通信，能夠讓系統滿足人機交互的需求。一方面，軟件能夠應用于接收工作人員的各類指令，然后針對巡檢機器人進行控制；另一方面，軟件能夠獲取巡檢機器人傳輸的各種信息，包括傳感器信息、畫面等。閥廳智能巡檢機器人系統包含巡檢配置模塊、運動控制模塊、數據分析管理、系統設置等。具體是采用MVC 分層模式，將系統分別劃分為（Model）、視圖（View）以及控制器（Controller）。

模型能夠直接針對應用程序相關的數據邏輯進行處理；視圖則能夠直接現實應用程序當中的數據處理信息；控制器主要是負責各種數據的讀取、處理。上述三個層次之間完全獨立，相關開發人員可以基于實際應用需求，針對各個層次實施更改處理，系統本身具有理想的擴展性。此外，MVC 分層模式還能夠讓系統應用于擴展平臺，可移植性較為理想。系統結構圖見圖3。

圖3 閥廳智能巡檢機器人系統結構模型圖

3 巡檢機器人設置

3.1 巡檢機器人

巡檢機器人主要是通過多個傳感器共同組成的系統，通過掛載補光設施、拾音設備、攝像頭、紅外檢測儀等，對應的檢測范圍主要是根據場地實際情況進行軌道的定制，水平運動能夠實現360°持續旋轉，運動范圍通常可以達到-45～90°。

紅外檢測儀的使用，能夠直接針對閥廳TVM板、換流閥晶閘管、閥冷卻系統、交直流濾波器、平波電抗器、換流變壓器、套管、隔離開關、斷路器等進行實時監測，針對溫度數據進行實時傳輸。拾音設備能夠針對閥廳環境各種設施的運行聲音狀態進行監控，同時針對音頻進行可視化的顯示。系統也能夠利用巡檢機器人直接針對現場開展音頻廣播，包括各種實時喊話、警示音頻、語音指導等。巡檢機器人通過多種傳感器進行信息的采集、傳輸，同時又能夠直接接受系統多種控制模式，還能夠通過掛載傳感器的調整，針對巡檢機器人功能進行拓展。

3.2 多模式巡檢

閥廳內部的各種儀器設備較為復雜，而且相互之間呈現為緊密排布的狀態，閥廳智能巡檢機器人也需要通過方便、可控、靈活的巡檢模式，才能夠有效保障巡檢工作的效果。這就需要采用多模式混合的模式開展巡檢，在有效滿足持續長時間巡檢、有效覆蓋面積的前提下，進行遙控檢測、精確檢測。

針對上述要求，可以引入2種巡檢機器人，包括遙控巡檢模式、智能巡檢模式。遙控巡檢模式主要是共同遠程控制，針對特定位置、設備進行巡檢。智能巡檢模式主要是根據提前預設的內容，包括啟動時間、巡檢范圍、巡檢內容，自動進行巡檢，同時基于設備智能分析，生成對應的統計報表。當智能巡檢機器人發現故障的情況下，能夠針對該位置進行長時間連續巡檢，進一步確定故障問題，在傳輸數據的同時，啟動預警系統。

4 智能故障診斷專家系統

閥廳智能巡檢機器人的應用，要想實現智能化的目標，就必然需要引入專家庫。本研究提出的系統是在傳統專家庫的基礎上融入人工神經網絡，詳細的結構圖如圖4。基于BP 神經網絡的應用，能夠直接把把維修技師、維修工程師積累的實際診斷經驗與維修經驗進行歸納，通過閾值與節點的模式儲存到神經網絡當中，同時綜合利用樣本訓練，最終建立隱式知識庫，能夠不斷模擬專家基于直覺、經驗進行診斷推理的進程。在長時間使用積累的過程中，針對新故障進行迭代學習，能夠針對知識庫進行不斷的完善，進一步提升巡檢機器人的智能化水平。

圖4 基于人工神經網絡的專家系統架構

人機交互界面(human-computer interface，HCI)作為人—機—環進行交流溝通的主要結構，其需要滿足閥廳內部的復雜環境，且需要滿足海量信息傳輸的需求。基于上述要求，本研究設計的人機交互界面主要包含四個部分：

二維地圖或者三維地圖，能夠實時顯示各種電子地圖的各種信息，可以實時進行記錄、導出、下載等功能，全面反映機器人工作狀況；針對閥廳高清圖像、熱成像圖像信息等進行顯示；針對當前任務狀態進行顯示，包含智能巡檢機器人狀態、巡檢點情況等；報警相關的信息內容，包括報警時間、報警值、報警內容等。基于智能故障診斷專家系統的應用，系統支持歷史數據統計與趨勢分析，生成日志以供查看，能夠提前預測閥廳可能出現的設備故障和運行環境缺陷，并及時發出預警信息通知后臺管理人員。

5 結語

綜上所述，閥廳智能巡檢機器人系統的設計與應用，能夠全面解決傳統人工巡檢存在的管理效率相對低下、巡檢的及時性差、覆蓋率低等諸多問題，實現智能化實時監控、智能化巡檢、專家系統分析，全面提升閥廳巡檢的智能化水平，從而有效保障換流站、電力系統的安全性與穩定性。