高速公路配電房智能巡檢機器人系統的設計與應用

黃柳盛

(廣西交通投資集團百色高速公路運營有限公司,廣西 百色 533099)

0 引言

高速公路配電房位于高速公路電力系統的末端,其運行的質量關系著每個站點的收費、監控系統等,甚至影響整條高速公路系統的運行。由此可見,配電房日常的運行維護工作應該得到極大的重視。然而,由于廣西的地勢原因,一些高速公路配電房的分布除了常見的收費站和服務區,還包括大量偏遠隧道變電所的配電房。依據傳統專人值守人工巡檢的方式,意味著需要大量的電力專業人員進行配電房的日常巡檢,才能保證高速公路的正常運行。然而,電力人才儲備匱乏[1]、巡檢工作人員技術水平良莠不齊,使得配電房的日常巡檢無法得到充分保障,甚至會出現漏檢,無法及時發現故障隱患的現象。因此,高速公路配電房需要一種更加安全可靠、成熟完善、能夠代替傳統人工巡檢的新興配電房巡檢手段。

近年來,國內開始了關于電力巡檢機器人的研究,關于電力巡檢機器人的研制已具備成熟技術條件,且高速公路配電房布局較為統一固定,因此通過引入巡檢機器人代替傳統的人工巡檢,以保證高速公路電力系統的穩定運行是成熟可行的。本文的研究模型通過無縫滑環型導軌進行取電,可實現全天候的巡視,也可依據需求進行周期性巡視。該模型沿軌道精確定位檢測點,通過搭載的傳感器采集設備參數、環境信息,實現視頻監控、儀表的智能讀取以及信息傳輸等功能[2],代替人工方式巡檢,提高巡檢效率和安全性,達到“自動化減人”的目的。

1 架構設計方案

電力巡檢機器人系統如圖1所示,主要由后臺控制系統和軌道式巡檢機器人兩部分構成。巡檢機器人通過搭載視頻、溫濕度、紅外等多種傳感器,采集數據并由無線通信系統傳輸到管理后臺進行數據分析、生成巡檢報表,及時反饋配電房設備運行及環境情況,實現檢測維修人員的定點維修,從而達到減少運維人員工作量的目的。

圖1 配電房智能巡檢機器人系統構架圖

2 硬件控制電路設計方案

結合配電房巡檢的需求,硬件控制系統電路主要采用主從分布式設計結構,如圖2所示,包括主控制系統、運動控制子系統、通信子系統、數據采集子系統和供電系統。其中,高清攝像機和紅外熱像儀的數據采集通過自帶的WiFi模塊進行傳輸。

圖2 巡檢機器人硬件系統構架圖

主控制系統:主控系統硬件以MSP430F5438芯片為核心,實現與上位機的通信和編譯碼、對設備反饋信號進行處理、輸出電機驅動信號實現電機速度調控。

運動控制系統:巡檢機器人的運動包括滑軌運動、伸縮臂運動以及攝像機的上下擺動,依據主控系統輸出的信號驅動各部分的電機,達到全面巡檢的目的。

無線通信系統:利用MAX485將主控芯片USCI串行接口輸出的TLL信號轉換為RS485信號,實現主控芯片的RS485通信,并利用IBF105型RS485轉WiFi模塊進行modbus RTU和TCP協議的協議轉換,以實現巡檢機器人和上位機的通信需求[3]。

數據采集系統:在數據采集中,采用羅技Stream Cam高清自動對焦攝像頭C898,對柜體的編號、開關的狀態、指示燈的顏色、數表的度數和指針等進行圖像采集,并通過小波多尺度邊緣檢測進行灰度特征識別區分開關和采用橢圓擬合法來反映開關、指針的偏轉量;采用KB23E31型紅外熱成像測溫儀獲取柜體的紅外圖像和溫度;采用HPP805D033型溫濕度傳感器對配電房的環境溫度和濕度變化進行采集;采用超高頻和暫態低電壓雙重檢測的方案對柜內的局部放電信息進行采集。

供電系統:設計中采用了無縫滑軌取電的方式,同時為避免滑動接觸取電摩擦阻力大、易產生電弧的缺點,設計了停歇式取電的方式,在巡檢機器人機箱內置了24 V/2A的鋰電池供電,通過電量監測停歇取電的方式保證電池電量≥30%。

3 自動告警系統的實現

自動告警是巡檢機器人系統一項不可或缺的關鍵功能。巡檢機器人通過傳感器采集現場的數據并進行數據處理和閾值設定,當處理值超出閾值范圍時則發生自動告警。在自動告警系統中溫度、濕度和局部放電等簡單的信號處理和閾值設定是很容易的,但是對圖像信號的處理和狀態識別是一個復雜的過程,其涉及計算機視覺。在本設計中,對于開關狀態、數表讀取和指示燈狀態等的自動識別或讀取主要通過小波邊緣檢測的灰度特征識別法。

Wφxf(x,y)=f*φx(x,y),Wφyf(x,y)=f*φy(x,y)

(1)

其中,Wφx為圖像灰度延x方向的梯度,Wφy為圖像灰度延y方向的梯度,*表示卷積。式(1)可記為:

(2)

其中,grad(f*θ(x,y))表示f*φy(x,y)的梯度。因此f(x,y)的小波變換的模Mf(x,y)和幅角Af(x,y)表示為:

(3)

(4)

由梯度定義可得,梯度模的局部最大值的方向就是梯度的矢量方向[4]。因此,由檢測到小波變換的模局部最大值即可獲得梯度矢量方向,從而獲取圖像的邊緣點,進而與特征模型進行對比實現特征識別,實現開關、數表等狀態的讀取[5]。

4 后臺管理系統設計方案

巡檢機器人后臺系統界面由系統、監控、控制和查詢等部分組成,如圖3所示。

圖3 巡檢機器人后臺管理系統框架圖

后臺控制系統可對巡檢機器人采集的信息進行分析處理。以歷史溫度分析為例,后臺對機柜的每次巡檢溫度進行趨勢變化分析,對比設備負荷量和設備溫度的關系,經過數據處理后自動生成報表,若有異常則自動告警,并通過網絡轉接以短信形式告知用戶,經用戶判斷是否上傳給上級部門、由專家團隊決策,為設備狀態評估和檢修提供決策,實現高速路站點設備的運行狀態診斷。客戶端通過服務器可以對現場巡檢機器人進行遠程操控,如關鍵點復查等操作。由此,可以有效緩解廣西高速公路配電房多且分散、電力巡檢人員匱乏、巡檢工作量大的問題[6]。

5 應用試驗

為了驗證所設計的巡檢機器人的可行性,在巴平高速公路的一處機房、配電室合并使用的場地進行了調試。室內平面布置如圖4所示。為了全面巡檢采用了S形行走路線,全程巡檢路線約為15 m。

圖4 巡檢機器人調試場地平面圖(mm)

基于圖4的場地,分別對巡檢機器人的運動控制、數據采集和續航能力等進行了測試。通過后臺管理界面可查看巡檢機器人巡檢過程中高清攝像機、紅外攝像儀、局部放電檢測器、溫濕度傳感器等所采集的實時數據,以及巡檢機器人的實時狀態,包括運動速度、實時位置和剩余電量等。由監控后臺與實際測量結果可得,巡檢機器人直線最大運行速度可達30 m/min,定位精度可達5 mm,在平均速度為15 m/min情況下電池續航可達9 h。

由巡檢試驗結果可得,通過巡檢機器人可以快速準確地對配電房的運行現狀進行數據采集上傳。工作人員通過后臺管理可以清楚地了解配電房的現狀,當設備出現故障時,維修人員可以實現快速定點維修,從而達到巡檢機器人代替傳統人工巡檢的目的。

6 結語

針對廣西境內高速公路配電房巡檢的問題,本文提出了一種配電房巡檢機器人系統并闡述其設計方案。巡檢機器人通過搭載紅外熱像儀等多個傳感器完成對設備的數據采集,并通過小波邊緣檢測的灰度特征識別實現圖像特征的識別和狀態的讀取,然后通過無線通信模塊將數據傳輸到后臺管理站,后臺管理站再通過遠程控制完成現場的實時監控,進行故障判斷和事件預警。現場巡檢結果表明,該系統能夠快速、準確、可靠地對現場信息進行采集,并及時反饋到后方管理系統,達到了配電房無人值守的目的。