鐵路無人化牽引變電所智能巡檢系統研發與應用研究

中鐵上海設計院集團有限公司 鄭偉軍

牽引變電所是現代鐵路電力系統中的核心部分，用于對市政電網三相220kV交流電進行轉換，以驅動電力機車快速穩定運行。但需要注意的是，鐵路電力系統運行時，牽引變電所可能受到環境、線路自身等因素的影響而出現故障，嚴重干擾電力機車的運行，因而需要采取合理的方式對牽引變電所進行巡檢。傳統人工巡檢時，效率低且受到人工主觀因素的影響，無法準確尋找出牽引變電所中出現的故障?；诖耍O計一種無人化牽引變電所智能巡檢系統，以此為進一步提升鐵路牽引變電所巡檢效果提供幫助。

1 總體設計

現代鐵路領域共有3種無人化牽引變電所巡視方法，分別為輪式機器人、導軌式機器人與視頻攝像頭，每種方法具有不同特點，適用于不同場合，需要根據牽引變電所現場巡視點分布情況、室內外設備分布情況、系統后續擴展情況等因素，選擇最佳的巡視方法。其中，牽引變電所巡視點眾多，分布較為分散，需要布置大量攝像頭，且后續擴展難度較大，因而不適用于視頻攝像頭巡視方法。在牽引變電所室內，設備布置較為整齊與規律，巡視點較為集中，通過導軌式機器人可以快速準確完成巡視工作，但鋪設軌道較長，軌道數量眾多，同時增加現場工作危險性，因而也不適用于無人化牽引變電所智能巡視要求[1]。

本文設計中選擇了輪式機器人，系統總體結構如圖1所示。其中共包含兩大模塊：一是機器人模塊。為現場設備巡視設備，對牽引變電所內部設備的溫度、運行狀態予以檢測，并將檢測結果傳輸給調度站；二是調度站。用于完成整個系統控制與調度相關工作，其主要包含4個功能：3D可視化系統。通過機器人采集數據的分析與計算，構建牽引變電所現場3D模型，以清晰、直觀將現場情況顯示出來；供電段生產調度系統聯通。用于自動輸送各設備模型相關信息，提升設備信息管理效果；牽引供電遠動系統聯通。用于自動對設備模型予以調節，以提升設備模型的準確性；視頻監控系統集成。用于對視頻系統升級，促進牽引變電所設備巡視數據交換與控制效果。

圖1 鐵路無人化牽引變電所智能巡視系統總體結構圖

2 功能詳細設計

2.1 機器人功能

機器人。本文設計選擇輪式機器人，主要包括：一是機箱。用于對其他各功能模塊進行固定；二是激光傳感器。用于對作業現場的掃描，并根據掃描結果建立現場地圖，以此對機器人運行進行導航；三是云臺。選擇的是全向云臺，可360°旋轉，用于調節攝像頭、測溫元件的方向；四是攝像頭。用于對變電所內部設備運行狀態及周邊環境的拍攝，以此判斷變電所運行情況是否符合規定要求；五是壁障傳感器。用于判斷機器人移動線路上是否出現障礙物；六是紅外測溫元件。用于對環境溫度的檢測，判斷牽引變電所環境溫度是否異常[2]。其中，攝像頭與紅外測溫元件為核心模塊，直接關系到整個智能巡檢系統的應用情況，針對牽引變電所智能巡視要求，應按照表1參數對兩模塊進行配置。

表1 智能巡視系統攝像頭與紅外測溫元件主要參數表

充電房。用于為機器人充電與存放，以使機器人正常運行。充電房整體框架為鍍鋅鋼管，外部分別鋪設一層防腐材料、防水材料等，用于機器人的保護，防止充電房潮濕而增加機器人損壞概率。充電房內主要設備包括：空調。用于調節房內溫度，防止房內溫度過高或過低而導致機器人損壞；充電樁。用于向機器人充電，其中共包含多種充電模式，如自主觸頭連續充電、手動連接車體充電孔充電、手動直接連接電池充電等，操作人員可根據實際情況而選擇不同的充電方式；專用配電箱。用于安裝、固定相關電氣設備。通信模塊。用于系統內部數據的傳輸，針對機器人作業特點，選擇的是以太網無線通信模式，各機器人與基站內均安裝一個無線通信芯片，并在芯片內分別錄入獨立的IP地址，機器人運行時，自動將其與基站進行連接，并完成信息進行傳輸，通過基站內部的查詢，判斷設備間通信狀態是否出現異常。

2.2 調度站功能

2.2.1 3D可視化系統

隨著牽引變電所設備數量的不斷增加，內部結構越來越復雜，傳統二維圖像難以直觀、準確顯示出牽引變電所實際情況。為了提升變電所內部情況顯示情況，設計了3D可視化系統。3D圖像可視化過程主要由3個階段構成。確定建模對象。根據現場設備情況，結合智能巡檢系統運行要求，主要建模對象包括：地理位置、桿塔外觀、排水溝等現場基本情況；控制室、檢修室、集油池等內部建筑情況；牽引變壓器、斷路器、互感器、避雷裝置等內部設備情況等。而二次電纜無需建模，以降低建模工作量。

模型構建。先構建出牽引變電所的整體模型，即通過機器人中的3D激光掃描儀對現場情況的采集，通過計算與分析后，自動得到變電所的點云圖，之后以此為基礎，通過OSG軟件予以渲染，以此構建出整體模型。構建出變電所整體模型后，以CAD軟件為主要工具分別構建各設備與建筑的模型，并通過OSG軟件予以渲染。

模型展示。以C++語言為主要工具，結合B/S框架技術等，開發模型顯示模塊，在保證模型顯示需求的同時，減少硬件使用，節約系統開發投入。模型展示界面當中，主要功能包括各設備、建筑物、環境模型的展示、縮放與拖動，以便工作人員根據實際需求準確對模型進行查看。模型顯示過程中，先通過對模型屬性的分析，去除那些無用或應用價值較低的數據，以此對模型進行優化，使模型更加精簡，為模型加載提供支持。之后，利用具有加載功能的中間層對模型進行加載，將模型基本信息與連接傳輸給系統，這樣雖然加載操作較為煩瑣，但無須大量數據支持，顯著提升模型加載效率，降低系統對調度站硬件設備的要求[3]。

2.2.2 供電段生產調度系統聯通

構建出3D可視化系統后，系統中將會出現很多模型，若只有模型，將會影響模型的顯示效果，因而應在設備模型中添加相應的參數信息。若采用傳統人工輸入模型，不僅需要投入大量實踐，增加相關工作人員的工作量，而且還容易受到人員主觀因素的影響而降低輸入信息準確性。同時，供電段生產調度系統運行時，內部將會生成大量設備信息與運維管理信息等。所以，為了將所有模型信息直觀顯示出來，應將3D可視化系統與供電段生產調度系統進行聯通。當生產端調度系統獲得設備基礎信息與運維管理信息后，自動將這些信息傳輸給3D模型，3D模型以此為基礎，進一步對模型進行優化與豐富，從而提升模型的顯示效果，為牽引變電所調度管理提供支持。

該功能設計與實現時，為提升調度系統運行的穩定性，3D可視化系統與供電段生產調度系統聯通運行時，只可對信息進行讀取，禁止對信息予以修改。此外，為了確保系統順暢運行，在3D可視化系統內部，構建出相應的暫存數據庫，以對調度系統信息的整理以篩選，去除那些無用的信息，以提升系統聯通運行效率，其主要結構如圖2所示。

圖2 供電段生產調度系統聯通結構圖

2.2.3 牽引供電遠動系統聯通

牽引變電所工作過程中，操作較為頻繁，設備不斷輪換，使得開關位置經常出現改變，為了提升模型與設備工作情況的一致性，應將3D可視化系統與牽引供電遠動系統進行聯動。遠動系統是牽引變電所管理系統中的重要組成部分，用于對供電設備進行監控與調節，對整個鐵路系統的運行具有重要意義。所以，現代鐵路領域發展過程中，已將牽引供電遠動系統連接到鐵路關鍵信息系統內。

遠動系統運行時，為了提升系統運行穩定性，防止對整個鐵路系統運行帶來較大干擾，3D可視化系統與牽引供電遠動系統聯動時，采用單向通信模式，即遠動系統生成遙信變位等報文信息后，直接傳輸給3D可視化系統，可視化系統以此為基礎，動態對設備模型予以調節。但3D可視化系統禁止向遠動系統傳輸信息或指令，以免干擾遠動系統的運行。與此同時，在兩系統之間，安裝一套性能良好的防護系統，用于對兩系統傳輸數據的監控與保護，防止不良信息傳輸到遠動系統而影響整個系統運行的安全性與穩定性。此外，為了提升兩系統通信安全性，也應構建暫存數據庫（如圖3所示）。

圖3 牽引供電遠動系統聯通結構圖

2.2.4 視頻監控系統集成

現代鐵路信息管理建設時，已經建立了遠動功能和視頻監控功能，通過這些系統的應用，在一定程度上提升鐵路管理效果，但現有功能較為滯后，不符合現代鐵路信息化管理要求。為此，在牽引變電所智能巡視系統中，應對視頻監控系統進行補強與集成，即增加多種攝像頭畫面調節方式：點擊相應的設備模型，利用本系統與視頻監控系統之間的聯動，自動優化攝像頭參數；在3D可視化系統內，點擊攝像頭模型，以此顯示相應的畫面信息；直接利用攝像頭內的列表獲得畫面。

3 工程現場驗證

按照上述內容對智能巡視系統進行設計與開發，并應用到某鐵路牽引變電所內，通過該變電所對系統應用情況的觀察，判斷系統實際應用效果，其中巡視點681個，分合區域39個，儀表讀數區域48個，紅外測溫區域328個，其他區域266個。通過現場驗證觀察可發現，在機器人方面，整個現場巡視時間在90～110min范圍內，遠低于人工巡視的150min，且巡視內容更加詳細；在調度站功能方面，系統可構建并動態調節3D模型，真實、準確顯示出變電所設備運行狀態。

綜上，某現代鐵路牽引變電所信息化管理系統建設時，開發出一套集輪式機器人、3D可視化系統、供電段生產調度系統聯通、牽引供電遠動系統聯通、視頻監控系統集成為一體的智能化巡視系統，以加強對變電所內部設備的巡視與檢查，使相關工作人員準確了解內部設備運行情況，為提升整個變電所設備運行安全性與穩定性提供有力支持。