高速公路配電房智能巡檢機器人系統(tǒng)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(tǒng)的末端,其運行的質量關系著每個站點的收費、監(jiān)控系統(tǒng)等,甚至影響整條高速公路系統(tǒng)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(qū),還包括大量偏遠隧道變電所的配電房。依據(jù)傳統(tǒng)專人值守人工巡檢的方式,意味著需要大量的電力專業(yè)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(xiàn)漏檢,無法及時發(fā)現(xiàn)故障隱患的現(xiàn)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?zhèn)鹘y(tǒng)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(tǒng)一固定,因此通過引入巡檢機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢,以保證高速公路電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是成熟可行的。本文的研究模型通過無縫滑環(huán)型導軌進行取電,可實現(xiàn)全天候的巡視,也可依據(jù)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(shù)、環(huán)境信息,實現(xiàn)視頻監(jiān)控、儀表的智能讀取以及信息傳輸?shù)裙δ躘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(tǒng)如圖1所示,主要由后臺控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)并由無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)焦芾砗笈_進行數(shù)據(jù)分析、生成巡檢報表,及時反饋配電房設備運行及環(huán)境情況,實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)、運動控制子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。其中,高清攝像機和紅外熱像儀的數(shù)據(jù)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(tǒng)構架圖

主控制系統(tǒng):主控系統(tǒng)硬件以MSP430F5438芯片為核心,實現(xiàn)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(xiàn)電機速度調控。

運動控制系統(tǒng):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(jù)主控系統(tǒng)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(tǒng):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(xiàn)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(xié)議的協(xié)議轉換,以實現(xiàn)巡檢機器人和上位機的通信需求[3]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):在數(shù)據(jù)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(tài)、指示燈的顏色、數(shù)表的度數(shù)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(qū)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(huán)境溫度和濕度變化進行采集;采用超高頻和暫態(tài)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(tǒng):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(chǎn)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(jiān)測停歇取電的方式保證電池電量≥30%。

3 自動告警系統(tǒng)的實現(xiàn)

自動告警是巡檢機器人系統(tǒng)一項不可或缺的關鍵功能。巡檢機器人通過傳感器采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理和閾值設定,當處理值超出閾值范圍時則發(fā)生自動告警。在自動告警系統(tǒng)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(tài)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(tài)、數(shù)表讀取和指示燈狀態(tài)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(xiàn)特征識別,實現(xiàn)開關、數(shù)表等狀態(tài)的讀取[5]。

4 后臺管理系統(tǒng)設計方案

巡檢機器人后臺系統(tǒng)界面由系統(tǒng)、監(jiān)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(tǒng)框架圖

后臺控制系統(tǒng)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(jīng)過數(shù)據(jù)處理后自動生成報表,若有異常則自動告警,并通過網(wǎng)絡轉接以短信形式告知用戶,經(jīng)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(tài)評估和檢修提供決策,實現(xiàn)高速路站點設備的運行狀態(tài)診斷?？蛻舳送ㄟ^服務器可以對現(xiàn)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(shù)據(jù)采集和續(xù)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(shù)據(jù),以及巡檢機器人的實時狀態(tài),包括運動速度、實時位置和剩余電量等。由監(jiān)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(xù)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(xiàn)狀進行數(shù)據(jù)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(xiàn)狀,當設備出現(xiàn)故障時,維修人員可以實現(xiàn)快速定點維修,從而達到巡檢機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)采集,并通過小波邊緣檢測的灰度特征識別實現(xiàn)圖像特征的識別和狀態(tài)的讀取,然后通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理站,后臺管理站再通過遠程控制完成現(xiàn)場的實時監(jiān)控,進行故障判斷和事件預警?，F(xiàn)場巡檢結果表明,該系統(tǒng)能夠快速、準確、可靠地對現(xiàn)場信息進行采集,并及時反饋到后方管理系統(tǒng),達到了配電房無人值守的目的。