配電室智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)分析與應(yīng)用

鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司 陳志清

傳統(tǒng)的配電室人工巡檢方式存在耗時(shí)費(fèi)力、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，正在被智能巡檢機(jī)器人替代。鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司配電室采用軌道式智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)配電室全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了正常巡檢作業(yè)和管理的自動(dòng)化和智能化水平，為智慧電廠提供創(chuàng)新型的技術(shù)檢測(cè)手段和全方位的安全保障。本文針對(duì)軌道式智能巡檢機(jī)器人在鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司配電室中的研究與應(yīng)用情況，論述了系統(tǒng)架構(gòu)、主要功能和設(shè)備狀態(tài)識(shí)別技術(shù)等方面，該項(xiàng)目可在同類項(xiàng)目進(jìn)行推廣應(yīng)用。

鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司配電室長(zhǎng)18m，寬7.5m，高6m，中間布置兩排高低壓成套配電柜，負(fù)責(zé)整個(gè)化學(xué)水車間所有設(shè)備的電源供電。為了減少運(yùn)行人員日常勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作質(zhì)量和效率，保障配電室內(nèi)安全運(yùn)行，鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司采用一臺(tái)軌道式智能巡檢機(jī)器人代替人工巡檢，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷巡檢。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

配電室軌道式智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由巡檢機(jī)器人、軌道、無(wú)線充電基站、通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺(tái)組成。

1.1 巡檢機(jī)器人

軌道式巡檢機(jī)器人是整個(gè)巡檢系統(tǒng)的核心組成部分，機(jī)器人本體搭載360°雙光云臺(tái)、紅外熱像儀、超聲傳感器、氣體傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)等傳感器。前端為帶伸縮可見光攝像機(jī)，通過(guò)伸縮桿伸縮可見監(jiān)測(cè)配電柜底部設(shè)備狀態(tài)，后端為紅外熱像儀，可以檢測(cè)配電柜設(shè)備溫度信息，巡檢機(jī)器人外型如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人 Fig.1 Inspection Robot

1.2 軌道

機(jī)器人軌道采用工字型高強(qiáng)度鋁合金型材，表面經(jīng)陽(yáng)極氧化處理，具備高抗腐蝕和較強(qiáng)的耐磨損性能。在配電室兩排配電柜之間從屋頂?shù)跹b軌道，工字型軌道通過(guò)專用的吊裝結(jié)構(gòu)懸掛于配電室頂部。軌道現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示。

圖2 軌道Fig.2 Track

1.3 無(wú)線充電基站

根據(jù)配電室布局在機(jī)器人軌道一端部署無(wú)線充電基站，機(jī)器人電量不足時(shí)自動(dòng)進(jìn)入基站進(jìn)行無(wú)線電能補(bǔ)給。

1.4 通訊網(wǎng)絡(luò)

在配電室部署無(wú)線通訊設(shè)備，機(jī)器人與基站之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊，在基站與后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)敷設(shè)光纜，通過(guò)光纜與后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)通訊。其組網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3 Network topology diagram

1.5 監(jiān)控平臺(tái)

監(jiān)控平臺(tái)是機(jī)器人任務(wù)分配的可視化智能調(diào)度平臺(tái)，主要完成機(jī)器人的集中監(jiān)控、任務(wù)配置、數(shù)據(jù)分析和報(bào)警等功能。主要包含機(jī)器人管理模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、任務(wù)管理模塊、巡檢結(jié)果確認(rèn)模塊、巡檢結(jié)果分析模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)模塊和通訊接口模塊。

2 主要功能及特點(diǎn)

配電室軌道式智能巡檢機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢的“看”“聽”“嗅”“觸”，對(duì)配電室設(shè)備、環(huán)境等進(jìn)行不間斷巡檢。主要功能和特點(diǎn)如下：

2.1 主要功能

2.1.1 移動(dòng)高清視頻監(jiān)控

軌道式巡檢機(jī)器人安裝360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)球型云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全方位巡檢監(jiān)控。搭載1080P高清可見光相機(jī)，實(shí)現(xiàn)配電室內(nèi)實(shí)時(shí)移動(dòng)視頻監(jiān)控。

2.1.2 設(shè)備狀態(tài)識(shí)別功能

智能巡檢機(jī)器人采用視覺導(dǎo)航技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)典型設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)。在實(shí)施過(guò)程中軌道機(jī)器人可自動(dòng)移動(dòng)到指定位置，控制云臺(tái)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，拍攝區(qū)域內(nèi)各種表計(jì)設(shè)備照片，并將采集到的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)街骺睾笈_(tái)服務(wù)器，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)圖像信息，識(shí)別表計(jì)讀數(shù)，并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)表計(jì)數(shù)據(jù)沖超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)預(yù)警并反饋位置，運(yùn)維人員第一時(shí)間進(jìn)行搶修。

主要識(shí)別設(shè)備有：電壓表、電流表等表計(jì)指示；開關(guān)柄、接地刀閘、貯能狀態(tài)等機(jī)械位置及電氣指示檢測(cè)；狀態(tài)指示燈自動(dòng)識(shí)別；旋鈕開關(guān)位置識(shí)別。設(shè)備狀態(tài)識(shí)別圖如圖4所示。

圖4 設(shè)備狀態(tài)識(shí)別圖Fig.4 Device status recognition diagram

2.1.3 紅外測(cè)溫檢監(jiān)測(cè)

智能巡檢機(jī)器人搭載紅外熱成像儀，控制云臺(tái)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，拍攝配電室內(nèi)各種設(shè)備紅外熱成像圖譜。自動(dòng)巡檢過(guò)程中，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)溫度超限節(jié)點(diǎn)和設(shè)備，依照行業(yè)規(guī)范對(duì)巡檢設(shè)備進(jìn)行溫度檢測(cè)，對(duì)缺陷或故障進(jìn)行自動(dòng)分析判斷，并預(yù)警。

2.1.4 監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度與濕度

軌道式機(jī)器人配備有先進(jìn)的溫濕度傳感器，溫度測(cè)溫范圍為-20℃～60℃，濕度測(cè)量范圍為0～99%RH。機(jī)器人對(duì)配電室局部位置或全線的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，生成溫濕度變化趨勢(shì)圖，根據(jù)局部溫濕度變化情況進(jìn)行按需巡檢。

2.1.5 自動(dòng)巡檢功能

軌道式機(jī)器人提供多種方式的自動(dòng)巡檢計(jì)劃和方案，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)每天多次的對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的巡檢、自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)輸出報(bào)表等功能，減少人員到現(xiàn)場(chǎng)巡視次數(shù)，提高運(yùn)行人員工作效率，有效降低運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度。

2.1.6 可燃、有毒有害氣體檢測(cè)

智能巡檢機(jī)器人搭載多種氣體傳感器，采用線性模擬電壓輸出，經(jīng)DSP內(nèi)置高精度ADC進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度和煙霧，當(dāng)濃度不在安全范圍內(nèi)時(shí)在本地和遠(yuǎn)程中心管理平臺(tái)進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.1.7 語(yǔ)音對(duì)講及現(xiàn)場(chǎng)指揮功能

巡檢機(jī)器人具有雙向語(yǔ)音對(duì)講功能，運(yùn)行人員遠(yuǎn)程操作機(jī)器人監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)人員操作及施工，是定期檢修的有效工具。

2.2 主要特點(diǎn)

2.2.1 無(wú)線自主充電

軌道式機(jī)器人采用無(wú)線自主充電的供電方式，機(jī)器人自身帶電量管理系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備電量閾值靈活自主進(jìn)行電能補(bǔ)給，無(wú)需人為干預(yù)。

2.2.2 遙控功能

智能巡檢機(jī)器人可以通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程遙控巡檢機(jī)器人，還可以通過(guò)配套的手持遙控器在就地對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行遙控，方便維護(hù)人員后期維護(hù)。

2.2.3 精確定位功能

智能巡檢機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行精確定位，遠(yuǎn)程中心管理平臺(tái)可以實(shí)時(shí)了解巡檢機(jī)器人的位置信息。

3 主要技術(shù)

本系統(tǒng)在配電室設(shè)備狀態(tài)識(shí)別上采用了視覺導(dǎo)航技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的技術(shù)，巡檢機(jī)器人通過(guò)視覺導(dǎo)航定位設(shè)備，然后采集開關(guān)狀態(tài)、指示燈等設(shè)備圖像信息上傳至服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器上建立的設(shè)備狀態(tài)模型識(shí)別出設(shè)備狀態(tài)信息。為了提高設(shè)備識(shí)別率，本系統(tǒng)搭建了基于Tensorflow平臺(tái)的深度學(xué)習(xí)模型，通過(guò)不斷采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練迭代，得到最優(yōu)模型。配電室設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別步驟如圖5所示。

圖5 設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別步驟Fig.5 Automatic identification steps of device status

3.1 獲取各設(shè)備圖像數(shù)據(jù)集并進(jìn)行預(yù)處理

（1）采集配電房?jī)?nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、指示燈圖像數(shù)據(jù)；

（2）利用標(biāo)注工具Labelimg對(duì)圖像數(shù)據(jù)中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)注；例如：設(shè)備指示燈狀態(tài)時(shí)，若指示燈亮燈則標(biāo)注“l(fā)ight”，若指示燈滅燈則標(biāo)注“dark”；

（3）對(duì)標(biāo)注完成的數(shù)據(jù)按照檢查錯(cuò)標(biāo)、漏標(biāo)數(shù)據(jù)、篩選重復(fù)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)清洗的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，做為模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集，并按照比例劃分訓(xùn)練集與測(cè)試集。

3.2 設(shè)備狀態(tài)模型的構(gòu)建、訓(xùn)練、測(cè)試

（1）獲取各設(shè)備圖像的形狀、顏色、尺寸和線條特征，構(gòu)建模板圖像，并根據(jù)模板圖像特征分別進(jìn)行訓(xùn)練建模；

（2）利用Cascade R-CNN算法，搭建設(shè)備狀態(tài)分析模型，使用不同的IOU閾值，采用Cascade回歸的采樣機(jī)制，以上一步輸出作為下一步輸入，得到越來(lái)越高的IOU閾值，訓(xùn)練多個(gè)級(jí)聯(lián)的檢測(cè)器，從而提升識(shí)別精度，定位各待測(cè)圖像內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域；

（3）導(dǎo)入訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，獲得初始模型；

（4）利用測(cè)試集數(shù)據(jù)對(duì)初始模型進(jìn)行測(cè)試。

3.3 模型的部署

將設(shè)備狀態(tài)模型封裝在應(yīng)用容器引擎Docker中并一鍵啟動(dòng)，調(diào)用對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)模型接口即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的圖像識(shí)別，并反饋測(cè)試結(jié)果。

3.4 獲得最優(yōu)模型

根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整學(xué)習(xí)率Learningrate、Batch_size、Resize等，新的一版模型可以在上一版的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，不斷進(jìn)行迭代優(yōu)化調(diào)整模型參數(shù)，直至模型的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上時(shí)，獲得最優(yōu)模型。

4 結(jié)語(yǔ)

配電室智能巡檢系統(tǒng)以西安華控智能巡檢機(jī)器人為核心，融合多種先進(jìn)技術(shù)，既具有人工巡檢的靈活性、智能性，同時(shí)也克服和彌補(bǔ)了人工巡檢存在的一些缺陷和不足，更適應(yīng)智慧電廠發(fā)展的實(shí)際需求，具有巨大的優(yōu)越性，是智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。