鐵路變配電合建所智能巡檢系統(tǒng)的研究與應用

張 鋒

（國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北滄州 062350）

1 研究內(nèi)容

傳統(tǒng)牽引變配電所的運行維護普遍采用人工值班、定期動態(tài)巡視和計劃檢修預試等方式，保證所內(nèi)電力設(shè)備的正常運行，受人員因素和環(huán)境狀態(tài)影響，存在一定的安全隱患。智能化無人值守變配電站具有以下優(yōu)點：①鐵路變配電所智能巡檢系統(tǒng)可對隔離開關(guān)（或斷路器）運行位置和儲能狀態(tài)等設(shè)備狀態(tài)進行智能分析；②可對一、二次設(shè)備運行溫度進行自動檢測、判斷；③可對設(shè)備外觀狀態(tài)進行智能判斷，如發(fā)現(xiàn)絕緣破損、閃絡(luò)等；④利用模糊識別技術(shù)，可智能識別設(shè)備運行監(jiān)測、監(jiān)視儀表，并進行智能判斷；⑤利用聲音采集系統(tǒng)，可采集、上傳變壓器運行聲音，可對GIS（氣體絕緣開關(guān)）柜、電流互感器、電壓互感器等設(shè)備進行識別，發(fā)現(xiàn)異常及時報警；⑥對發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷實現(xiàn)自動拍照與上傳；⑦開發(fā)可人機交互并能實現(xiàn)智能控制的軟件系統(tǒng)；⑧具備自主介紹、自動引導等高級功能的語音系統(tǒng)。需研究智能巡檢系統(tǒng)在強電磁環(huán)境下的抗干擾能力。

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 無人值守牽引所亭智能巡測系統(tǒng)

巡測機器人能夠自動根據(jù)環(huán)境自構(gòu)建地圖并獲取自身當前位置，設(shè)計巡檢方案，通過采集實時信息與激光定位的方式繞過障礙物，繞過之后繼續(xù)通過激光信息匹配規(guī)劃路徑返回預定軌道，實現(xiàn)自主導航。巡測機器人搭載紅外熱像儀、攝像頭、溫濕度傳感器和拾音器等設(shè)備，實現(xiàn)對溫度的檢測、表計數(shù)據(jù)的自主讀取、濕度的控制和聲音的采集與預警等，從實時畫面、實時數(shù)據(jù)、遠程操控等多個方面，對牽引所亭的主變壓器、AT自耦變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、GIS、站內(nèi)全景等進行全方面輔助監(jiān)控，為生產(chǎn)過程提供全面、實時的決策依據(jù)。

2.2 牽引變電所設(shè)備檢測高精度定位技術(shù)

在無軌化激光導航定位的基礎(chǔ)之上，巡檢操作機器人系統(tǒng)還將通過視覺圖像識別系統(tǒng)輔助機器人進行高精度的定位，視覺系統(tǒng)通過圖像處理技術(shù)，能夠?qū)δ繕嗽O(shè)備的坐標點進行實時分析，得出坐標點數(shù)據(jù)，智能行走裝置進行定位，以精確地對目標設(shè)備點進行操作。

2.3 大數(shù)據(jù)分析平臺

搭建多狀態(tài)量一體化分析平臺，利用變電站后臺，把巡檢所需要的各類地圖電子信息、任務監(jiān)控信息及各類數(shù)據(jù)庫資料保存并進行持久化；對單站數(shù)據(jù)能夠重復疊加，對多站數(shù)據(jù)能夠集中管理。同時，對機器人運行產(chǎn)生的記錄進行實時存儲，建立一個實時數(shù)據(jù)區(qū)方便各個模塊進行實時數(shù)據(jù)交換。同時，具有歷史查詢、智能診斷、故障關(guān)聯(lián)、生成巡測報表及故障預警等功能。

3 技術(shù)路線

3.1 鐵路牽引變電所巡檢智能化需求及相關(guān)可行性技術(shù)研究

通過對國內(nèi)外研究資料的收集，以及對重點用戶的走訪，發(fā)現(xiàn)目前鐵路牽引變電所對于巡檢智能化存在強烈需求：①對變配電所電力設(shè)備的運行狀態(tài)和站室環(huán)境進行巡測，實現(xiàn)全部設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點溫度和運行動態(tài)監(jiān)測和異常預警；②通過移動視頻巡測，實現(xiàn)夜間遠程防盜、夜間遠程調(diào)度、巡視等功能；③可視化界面和視頻展示巡測數(shù)據(jù)，實時掌控變配電所運行狀態(tài)；④綜合門禁、安防、互聯(lián)等系統(tǒng)對接，實現(xiàn)對變配電所全方位本地自動監(jiān)控和遠程管控；⑤最終實現(xiàn)變配電所的無人值守和安全智能管控。

3.2 多適應性全方位移動技術(shù)

機器人底盤驅(qū)動單元通過四輪獨立驅(qū)動設(shè)計，四電機實現(xiàn)四驅(qū)四轉(zhuǎn)，能原地旋轉(zhuǎn)且不抖動，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。經(jīng)過各惡劣路況和模擬環(huán)境越野、越障、越溝、涉水及爬坡試驗，同時通過高低溫、振動等環(huán)境可靠性試驗，用來驗證底盤驅(qū)動單元的各性能指標。為了更好的實現(xiàn)避障、爬坡功能，加入減振器等避障元素，確保機器人在惡劣路況下長期穩(wěn)定可靠運行。

3.3 無軌導航技術(shù)

無軌導航是不通過事先預埋磁軌或其他形式的軌道來實現(xiàn)巡檢機器人自主行走的導航方案，該系統(tǒng)主要由激光雷達定位技術(shù)和導航控制技術(shù)組成。其定位方式包括兩大核心技術(shù)，即地圖等比構(gòu)建技術(shù)和激光數(shù)據(jù)實時匹配定位技術(shù)。通過激光雷達、慣性測量單元與編碼器的信息融合，使智能巡檢機器人能夠在復雜室外環(huán)境和激光數(shù)據(jù)受到干擾、車輪打滑等復雜情況下，采用傳感器數(shù)據(jù)的冗余與交叉診斷技術(shù)，對受到干擾的信號進行隔離，進而保證機器人導航的可靠性。

3.4 高精度定位技術(shù)

將智能機器人置于作業(yè)場景中，機器人尋找最佳視野角度，當可以最優(yōu)識別檢測對象時，機器人使用系統(tǒng)的記憶功能記住當前位置形成預置位。當機器人執(zhí)行巡檢任務時，通過無軌導航技術(shù)到達特定位置，調(diào)取預置位，準確識別牽引變電所設(shè)備狀態(tài)。

3.5 智能巡檢系統(tǒng)在強電磁環(huán)境下的抗干擾能力

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，電氣和電子設(shè)備的數(shù)量、種類不斷增加，空間電磁環(huán)境變得日益復雜。在這種復雜的電磁環(huán)境下，如何減少相互間的電磁干擾，使各設(shè)備不受干擾影響而相容地正常工作，是迫切需要研究的課題。

4 功能指標

牽引變電所智能機器人巡檢管理系統(tǒng)，運用無軌化導航技術(shù)、多業(yè)務系統(tǒng)集中控制、室內(nèi)室外全覆蓋、多信息集中分析判別、智能故障定位、故障報警、地形適應性技術(shù)、智能運維技術(shù)，通過模塊化設(shè)計，實現(xiàn)全天候工作。主要體現(xiàn)在以下7個方面：①基于無軌化導航技術(shù)，機器人按照預先設(shè)定的路徑及任務進行巡測，可識別各種表計及指示燈，并自動分析生成數(shù)據(jù)報表，同時可以對故障進行報警，實現(xiàn)整個主廠房全方位全覆蓋的無人化管理；②牽引變電所智能機器人巡檢管理系統(tǒng)搭建多狀態(tài)量一體化數(shù)據(jù)識別和分析平臺，把移動機器人多業(yè)務單元采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一識別及存儲管理，并建立一個實時數(shù)據(jù)區(qū)，方便各個模塊進行實時數(shù)據(jù)的交互；③多信息集中分析判別并進行智能故障定位，對故障點及時報警提醒；④地形適應性技術(shù)采用激光雷達的導航方案匹配地形，在具備一定環(huán)境特征的各類室內(nèi)外環(huán)境下均可通用，可以真正做到一套方案全環(huán)境通用；⑤可分類整理運行信息、智能判斷異常信息的智能運維系統(tǒng)，可提示異常的位置、原因及對異常進行預測、排查和準確定位；⑥采用層次清晰的模塊化設(shè)計，應具有良好的架構(gòu)設(shè)計、穩(wěn)定性和擴展性，當某個模塊異常時，不影響其他模塊的正常運行；⑦滿足在惡劣氣象環(huán)境、任何時段條件下的巡視檢測和數(shù)據(jù)傳輸。

5 直接經(jīng)濟效益分析

大幅降低牽引變電所人力成本：機器人投入后可在第二年回收成本，單站第2年可節(jié)約成本35萬元，10年可節(jié)約成本535萬元。以某供電段既有的21個站為例，第2年可節(jié)約成本10萬元（由于維護人員和管理人員在單站與21個站的數(shù)量配比非線性，故總成本節(jié)約為非線性關(guān)系），10年可節(jié)約成本7610萬元；以30人機器人團隊可管轄的60個站為例，第2年可節(jié)約成本1740萬元，10年最少可節(jié)約成本3億元（表1、表2）。

表1 單站盈虧點分析

表2 21個站盈虧點分析

6 積極意義

牽引所巡測機器人的推廣應用，將成為鐵路新工業(yè)化、智能化建設(shè)的亮點，提升應用單位的智慧化水平，更有助于提升我國重載鐵路在國內(nèi)外的形象地位，創(chuàng)造更高的社會效益和經(jīng)濟效益。

（1）規(guī)范地面供電設(shè)備作業(yè)流程，加強安全管理。采用牽引所巡測機器人可以規(guī)范牽引所設(shè)備的巡視流程，減少人員人身傷害。保證安全生產(chǎn)管理資源得到充分利用，減少生產(chǎn)管理成本，提高安全生產(chǎn)管理工作效率，充分發(fā)揮安全生產(chǎn)管理成果在宏觀和微觀領(lǐng)域的作用，使安全生產(chǎn)管理的成果成為企業(yè)決策的重要依據(jù)。

（2）提高工作的安全性，保證員工生命安全，家庭幸福。當遇到雷暴、臺風、暴雨、嚴寒、酷暑、深夜等情況，人員無法順利實行室外巡視時，可以使用全天候的智能自主移動巡視監(jiān)測系統(tǒng)對室外設(shè)備進行巡視、對變電所周邊環(huán)境進行監(jiān)視，減少人員人身傷害事件發(fā)生。

（3）完善地面設(shè)備智能化巡測標準，提升牽引所巡測的整體管理水平。將先進的智能技術(shù)、檢測方法和手段運用于牽引所設(shè)備巡測中，用新技術(shù)輔助生產(chǎn)運行人員充分發(fā)揮其專業(yè)技能，在安全生產(chǎn)領(lǐng)域高效地開展生產(chǎn)工作、交流生產(chǎn)運行經(jīng)驗、共享生產(chǎn)運行方法，共同提高專業(yè)技能水平，從而有助于提升牽引所的整體管理水平，提高企業(yè)競爭力。

高速鐵路牽引所亭智能巡測系統(tǒng)的推廣應用，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，是未來智慧鐵路的智能化應用趨勢。