機器人在無人值守配電系統(tǒng)中的巡檢效率優(yōu)化研究

[關鍵詞]機器人；路徑規(guī)劃；自主導航；配電系統(tǒng)；無人值守

引言

無人值守配電系統(tǒng)已逐漸成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分，其主要優(yōu)勢在于能夠有效降低人力成本，提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。銅礦峪礦選礦廠園子溝輸送泵站在運行過程中需要大量的電力，因此電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性就十分關鍵，而隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和復雜化，對無人值守系統(tǒng)的巡檢和維護提出了更高的要求。傳統(tǒng)的人工巡檢方式在效率和安全性上難以滿足現(xiàn)代配電系統(tǒng)的需求，因此，利用機器人進行自動巡檢成為一種必然趨勢。機器人巡檢相較于人工方式，不僅能夠全天候、全方位地覆蓋巡檢區(qū)域，還能通過搭載多種傳感器實現(xiàn)對設備狀態(tài)的精確監(jiān)測。然而，在實際應用中，如何提高機器人在復雜配電環(huán)境下的巡檢效率和故障檢測能力，仍然是一個亟待解決的問題。

一、無人值守配電站智能巡檢機器人的應用價值

（一）提高巡檢效率和準確性

傳統(tǒng)的人工巡檢需要依賴于人力，耗費大量時間，且容易受到環(huán)境因素的影響導致檢查結果出現(xiàn)誤差或遺漏。而巡檢機器人通過預先設定的智能路徑規(guī)劃和高精度傳感器，可以在復雜的電力設備環(huán)境中自主導航，全天候進行巡檢任務。這不僅降低了對人力的依賴，也提高了巡檢工作的頻次和覆蓋率。機器人能夠?qū)崟r采集設備的運行數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、電流和電壓等參數(shù)，并將其傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)進行分析。這種實時數(shù)據(jù)的獲取和分析能力大幅度提高了故障檢測的精度，使得設備隱患能夠在早期被發(fā)現(xiàn)和處理，避免了潛在的故障升級，從而保障了配電系統(tǒng)的連續(xù)運行。

（二）增強配電系統(tǒng)的安全性

電力設備往往處于高壓、高溫環(huán)境下，人工巡檢不僅耗時耗力，還存在較大的安全風險。機器人耐高溫、防水、防塵的特點可以讓它們適應極端環(huán)境，在惡劣條件下能持續(xù)工作。在安全區(qū)域之外或其他危險區(qū)，機器人可以替代人類進行檢查，避免人身安全風險。此外，在面對緊急情況時，智能巡檢機器人具備快速響應的能力，能夠通過預設的應急響應程序和自主導航功能，迅速抵達事故現(xiàn)場進行初步的評估和處理。

（三）降低配電站的運營維護成本

巡檢機器人能夠降低配電站的運營維護成本。這主要是因為自動化巡檢減少了對高技能巡檢人員的需求，從而降低了人力成本。同時，機器人能夠?qū)υO備進行更為頻繁和細致的檢查，延長設備的使用壽命，并降低突發(fā)設備故障的概率。此外，巡檢機器人能夠在收集數(shù)據(jù)的過程中積累大量歷史運行信息，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析處理后，可為設備的預防性維護和優(yōu)化調(diào)度提供支持。

二、軌道式智能巡檢機器人的安裝優(yōu)化

銅礦峪礦選礦廠園子溝輸送泵站中配電室應用的機器人類型為軌道式智能巡檢機器人，其主要包括電源管理單元、視覺單元、水平運動單元、升降運動單元和通訊單元等部分，想要切實提高巡檢機器人的巡檢效率，還需要對其安裝工藝進行優(yōu)化。

（一）電纜鋪設

在巡檢機器人安裝過程中，電纜鋪設會直接影響機器人操作的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)主機與各傳感器、控制器之間用電纜連接，各單元連接電纜主要布線于電纜溝中，在墻上布線時應穿PVC線管。在施工過程中取電纜蓋板時要小心輕放，防止電纜蓋板跌落而損傷電纜和地面，特別要注意不能碰撞電纜，防止電纜連接處因碰撞松動而影響到設備的運行。提高電纜的使用壽命和安全性，需使用線槽、保護管等保護設施，避免電纜受到物理損傷或環(huán)境影響，特別是在轉彎或穿越不同環(huán)境時，需采用柔性接頭和適當?shù)膹澢霃剑苑乐闺娎|折斷或磨損。

（二）導軌安裝

在機器人導軌安裝時，需要依據(jù)機器人的重量、行駛速度和運行環(huán)境選用合適的導軌材料（如鋁合金、鋼軌等）。導軌的布局應結合配電系統(tǒng)的實際情況，合理設計導軌長度、寬度和傾斜角度，以確保機器人在巡檢時的平穩(wěn)性。在安裝導軌時，要確保導軌之間的間距和水平度達到標準，以避免機器人在行駛過程中出現(xiàn)偏差或卡障；使用水平儀等測量工具，對導軌進行逐段檢查，確保其平直，并在固定前進行必要的調(diào)整；此外，柜體間有橋架時，需考察橋架是否與軌道干涉，若干涉，需和當?shù)仉娏Σ块T協(xié)調(diào)調(diào)整橋架高度后再吊裝。

三、對局部路徑的規(guī)劃

機器人運行過程中配電室的環(huán)境并不是一成不變的，如果機器人在巡檢過程中遇到配電室內(nèi)部配件移動或者工作人員行走等這類位置故障，就會影響機器人的整體巡檢效率。因此在巡檢機器人設計過程中需要對其避障能力進行提高。針對機器人局部路徑規(guī)劃的算法有很多，可以采用DWA局部路徑規(guī)劃來實現(xiàn)，該算法具有較強的穩(wěn)定性，而且對計算機CPU的占用率不高，能夠有效實現(xiàn)機器人的避障。在實際應用過程中，該算法可以通過對機器人的運動模型、周邊環(huán)境、初始速度進行計算分析，計算出動態(tài)速度窗口進而選擇最優(yōu)的速度。

（一）軌道式機器人的運動模型

軌道式機器人的運動模型主要包括兩部分：軌道設計和機器人運動學。軌道設計是指為機器人確定行駛路線和軌道結構，運動學則是描述機器人的運動特性。軌道一般采用直線軌道或曲線軌道的形式，由于軌道的長度、曲率、升降變化等參數(shù)都會影響機器人的運動方式和巡檢效率，因此需要根據(jù)配電設備的布局和巡檢需求進行設計。軌道式機器人的運動可以分為線性運動和轉向運動，主要是通過對機器人的運動參數(shù)進行建模，定義其位置、速度和加速度等狀態(tài)變量。常見的運動學模型包括差速驅(qū)動模型、兩輪驅(qū)動模型等，這些模型能夠準確描述機器人的運動軌跡和行為。

（二）機器人的速度采樣

根據(jù)機器人的運動模型，設計人員可以對機器人采樣點的運動速度進行計算，以便推算出與采樣點運動軌跡相符的運動軌跡，并對其整體質(zhì)量進行評定。由于配電室是一個平面，機器人始終在一個平面空間內(nèi)運動，其速度組合有無數(shù)種，但是真實環(huán)境和機器人的性能存在一定限制，所以巡檢機器人的運動軌跡也存在一定限制，速度采樣也會有一定范圍。在計算過程中，設計人員需要對機器人的速度進行計算，對其最大、最小速度進行合理控制，確保機器人在模擬過程中的速度始終符合真實速度，這需要根據(jù)機器人的電機做功大小進行確定。

（三）改進的局部路徑規(guī)劃

根據(jù)機器人運動模型和速度采樣，機器人的局部路徑規(guī)劃得以確定。通過相關公式進行計算可以發(fā)現(xiàn)當機器人運動模型中部分項為零時，機器人的整體導航效果最好。這是因為在機器人與障礙物碰撞過程中，速度采樣就會將速度進行篩選，并對其進行優(yōu)化。而在對局部路徑規(guī)劃過程中，相關人員可以對機器人的軌跡篩選進行明確：首先，在機器人巡檢過程中為了提高整體效率，需要遠離配電室內(nèi)部的障礙物，避免出現(xiàn)碰撞；其次，在機器人運行過程中需要有明確目標，并且能夠始終朝著目標前進，同時需要在運動中對全局路徑規(guī)劃的特點進行利用，靠近全局路徑形式；最后，機器人需要在確保安全的前提下快速運行，以提高巡檢效率。

在路徑規(guī)劃完成之后，設計人員對其進行了仿真實驗對比，通過將傳統(tǒng)的DWA算法與改進之后的局部路徑規(guī)劃進行對比分析，發(fā)現(xiàn)其在導航效率上差別并不明顯，但是在障礙物躲避方面有著較大優(yōu)勢，能夠在巡檢過程中對障礙物進行有效躲避。

四、對全局路徑的規(guī)劃

對機器人的局部路徑進行合理規(guī)劃，能夠使其準確避開障礙物，并且對臨時出現(xiàn)的障礙物進行躲避。在傳統(tǒng)的軌道機器人中，對障礙物的躲避主要依靠設備傳感器實現(xiàn)，但是這種避障方式需要多個傳感器同時運行，這容易導致傳感器之間相互影響，且可能影響測量的準確性，從而難以精準檢測物體位置。此外，由于近距離測距時存在盲區(qū)和不穩(wěn)定問題，容易導致傳統(tǒng)軌道機器人的穩(wěn)定性不佳。若要對全局路徑進行合理規(guī)劃，只提供距離信息難以獲取物體尺寸和形狀等信息，為了使機器人能夠在巡檢過程中，在出發(fā)地與目標之間選擇一條最短的路徑，進而提高整體巡檢效率，在設計過程中可以采用A*算法對地圖上兩點之間的距離進行估算。

（一）傳統(tǒng)的A*算法

A*算法作為一種啟發(fā)式算法，是一種在任意兩點上獲取最短路徑的搜索方法。其估價函數(shù)可以表示為如下公式：

f（n）=g（n）+h（h）（1）

在上述公式中，f（n）是估價函數(shù)，是從起點到目標點的估價；g（n）是代價函數(shù)，是從初始節(jié)點到當前節(jié)點n的實際代價；h（n）為啟發(fā)函數(shù)，是從當前節(jié)點n到目標節(jié)點最優(yōu)路徑的估計代價。

在實際計算過程中，該算法通過偽代碼的形式進行描述。首先需要對各項參數(shù)進行設置，包括機器人在配電室中的起點、終點和到達目標點的移動距離等：之后利用函數(shù)進行估價，并對相應參數(shù)進行實時更新。

（二）對A真算法的優(yōu)化

雖然A*算法在機器人路徑的規(guī)劃上被廣泛使用，但是在實際應用過程中，其規(guī)劃的路徑與配電室路徑規(guī)劃不適配，也與正常的人類思維不符。因此本文根據(jù)配電室的實際環(huán)境，對A*算法進行了改進，對傳統(tǒng)算法中轉折次數(shù)多、拐點多等問題進行了優(yōu)化。在傳統(tǒng)算法中往往需要通過歐氏距離對機器人到目標點位的距離進行計算，但是由于配電室中往往具有回字形走廊的特點，這類算法并不適用。因此，在對算法進行優(yōu)化時，結合歐式距離以及哈頓距離的特點，對啟發(fā)函數(shù)進行了重新規(guī)劃。同時，機器人運動過程往往不需要進行直線運動，因此在對軌跡進行優(yōu)化時采用了多項式對軌跡進行優(yōu)化，通過將多項式一階到四階導數(shù)作為軌跡的位置、速度、加速度等，使機器人能夠進行連續(xù)、最優(yōu)的運動。

（三）仿真實驗對比

為了對優(yōu)化后的機器人整體路徑進行對比，研究選擇在配電室仿真模擬環(huán)境進行實驗。實驗對比對象為ROS自帶的A*算法。對比結果顯示，在同一個配電室場景下，改進完成后A*算法的路徑規(guī)劃時間變長了。這主要是因為在計算過程中需要對路徑進行平滑處理，導致計算量增加。但是能夠使整體路徑變得更加科學，并且符合人類思維，因此增加的時間是可以被接受的。

五、配電室環(huán)境建圖實驗與分析

為了對巡檢機器人路徑規(guī)劃的真實性能進行檢測，設計人員構建了真實的配電室環(huán)境，配電室內(nèi)部包含兩個儲物柜、兩套桌椅以及兩臺冰箱，在配電室地面設有絕緣墊，局部存在不平整地塊。在實驗過程中，工作人員在筆記本上安裝了遠程操控軟件，將筆記本作為機器人的遠程控制端。之后在管理軟件中打開系統(tǒng)配置參數(shù)，對機器人的參數(shù)進行調(diào)試，確保其各方面配置處于最小狀態(tài)（如表1）。

在參數(shù)配置完成之后，工作人員開啟了配電室內(nèi)的站點巡檢測試，目的是確保機器人能夠在完成避障和路徑規(guī)劃的基礎上快速完成站點巡檢任務。工作人員在保護柜處提前設置了巡檢站，之后將機器人設置成常規(guī)巡檢模式，在這個模式下機器人接收到指令就會按照預先設置好的站點順序進行巡檢。機器人到達站點之后，就會對姿勢進行調(diào)整，將智能攝像機緩緩抬升，最后達到預定高度，完成拍照和圖像識別，并將識別結果上傳至服務器。實驗結果如表2所示，雖然存在一定誤差，但是從路徑規(guī)劃的整體效果來看，能夠滿足配電室巡檢要求。

結語

無人值守配電站智能巡檢機器人的應用價值體現(xiàn)在提高巡檢效率、增強安全性和降低運營成本等多個方面。為了切實提高機器人的巡檢效率，為我國無人值守配電系統(tǒng)的運行提供有效幫助，本文結合銅礦峪礦選礦廠園子溝輸送泵站的配電室現(xiàn)狀，針對巡檢機器人的路徑進行了全面優(yōu)化，使其能夠更加符合配電室的復雜環(huán)境，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動避障。