变电站智能巡检机器人监控系统设计与实现

李 梁，刘 帅，李国波，赵洪丹

0 引言

变电站是整个电力系统的关键设施，其工作状况直接影响到整个电力网络能否正常运行。所以对其的巡检与维护是关乎电力系统安全生产的一项重要任务。虽然目前的变电站内自动化仪表已经可以通过联网的方式，从后方监控室直接获取读数与工作状况信息。但是，变电站内仍然存在大量刀闸开关，绝缘瓷瓶，油位计等设施，需要人员定期进行巡视，排除由于设备缺陷造成的安全隐患。变电站巡检机器人正是设计用于帮助变电站巡视人员，完成对变电站现场仪表设备繁杂的巡检任务，从而节省人力成本[1]。巡检机器人不会由于大量重复性工作而出现漏检，误检现象，从而相对于人工巡检，提高巡视强度，减少巡视误查。

变电站巡检机器人控制系统最基本的功能是负责控制巡检机器人，实现其智能无人巡检。面对室外复杂的工作环境，控制系统还要能够及时处理各种突发异常，确保巡检机器人自身的安全。本文所介绍的变电站巡检机器人控制系统由两部分组成。第一是位于机器人本体的控制器，其主要功能是完成一些较底层的机构控制，包括各个机载设备的继电器通断，运动电机的速度调节，并且将底层传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，提供给高层使用。第二是位与远端监控室的监控系统，通过无线网络与有线网络的结合，实现与变电站现场机器人的实时通讯。本文主要介绍后者的设计与实现。

监控系统可以让操作人员方便的监控机器人的实时运行状态，控制机器人执行巡检指令，实现对巡检机器人的遥操作控制。不仅如此，考虑到巡检任务的高度重复性，监控系统还可以按照操作人员事先的标定信息，完成无人巡检。在无人巡检过程中，监控系统应当对采集到的图像信息具有一定的分析能力，能够及时发现处于异常工作状况的设备仪表，并向操作人员报告。当完成每日的巡检任务后，监控系统还应该将每日的巡检结果存贮在数据库中，供操作人员查询。监控系统的诸多功能，给其设计与实现带来困难。在[2]中，使用MSRDS（Microsoft Robotics Developer Studio）作为控制系统框架，完成对机器人系统的仿真与控制，同样，在[3]中，作者利用号称“机器人操作系统”的ROS（Robot Operating System）作为框架，设计并开发自己的控制系统。MSRDS的优点在于能够提供良好的人机交互界面，并且做到界面显示，功能算法实现与人机交互的相互隔离，从而有利于模块化的组织监控软件。而ROS的优势在于各个传感器，执行器模块化的运行并实现他们之间良好的通讯机制，有利于将监控系统按功能层次分割开来，降低模块间的耦合，使得监控软件整体的鲁棒性变强。本文中的监控系统也基于这些思想，采用设计模式中的方法，完整地实现了监控系统所应具有的功能。

本文的其余部分安排如下：第一章简单介绍了监控系统的功能设计，第二章将详细介绍监控系统的实现，第三章介绍的是在无人巡检中起到重要作用的图像处理系统，第四章给出该项目中巡检机器人试运行期间的运行结果，最后一章是对全文的总结。

1 监控系统功能的设计

应用于变电站巡检的机器人需要能够起到代替巡视工作人员对变电站进行巡视检查的作用，应该配备有多种传感器，足以采集变电站现场所需要的各类数据，同时也需要良好的通讯渠道，能够实时反馈机器人自己的工作状态并执行操作人员下达的控制指令。为了获得更好的控制，还需要将巡检机器人与远端的监控系统连接在一起，使得巡检机器人可以接受监控端发来的指令，并且可以将现场采集到的信息实时传送回监控系统。

监控系统运行在监控终端，负责完成对巡检机器人的遥操作控制。作为整个巡检系统的最上层，监控系统是操作人员与巡检机器人之间唯一的接口。其设计的好坏将直接影响整个系统功能的实现。

监控系统用于自动记录巡检机器人运行状态和运行数据，并用于人工监视、遥控、查询及管理巡检数据。监控系统软件平台由人机界面、权限管理及图像数据库等部分组成。除了要完成对机器人及其上的设备进行基本开关、移动操作之外，还需要提供更加高级与人性化的功能，包括控制机器人的作业方式、对异常信息的报警与自处理、管理软件操作人员。对于变电站现场需要定时巡检的仪表或者设备，可以首先将其位置信息以及能让像机进行正常拍摄的云台信息保存为标定列表。将需要进行巡检的时间保存为运行参数列表，由定时器进行触发。当到达巡检时间的时候，控制小车完成自动巡检任务。由于自动巡检时涉及到要操作多种设备（车体电机，云台，摄像头等），所以可以采用状态机模型对各个模块进行协调控制，顺利进行巡检。监控软件还配有仪表识别功能，可以对由高清摄像机拍摄的仪表照片自动进行识别（指针仪表的指针读数、液位仪表的液位高度等），当超出仪表所标定的正常范围时，将会对异常数据进行报警，提醒操作人员注意。同样，机器人配备的红外摄像机可以检测出温度异常的设备，当发现有超出正常运行温度的设备时，也会进行报警。由于每天巡检产生的数据量十分巨大，所以还需要将巡检所得到的数据存入数据库，方便后续的管理。因此，监控软件还具有连接数据库的功能，并可以存储，修改与删除其中的数据。需要进行管理的数据可以分为用户登录信息、用户操作信息、图像信息、标定信息，运行参数信息5 个主要部分。需要在数据库中分别建立相应的表项对其进行存贮与管理。除此之外，监控软件还需要提供一个方便用户操作的人性化界面，如图1所示：

图1 监控系统功能结构图

1.1 机器人（移动车体）管理

负责与变电站现场小车及其负载设备通信的建立与保持，继而完成对其所有的控制。包括机器人控制：负责控制与机器人的连接，控制机器人的运行，如车体的速度控制、温度控制、充电控制等。并且可以通过控制继电器，达到对车载设备的断电重启功能。云台控制：负责控制与云台的连接，反馈云台当前位置以及控制云台转动。云台高清摄像机控制：负责控制与云台上高清摄像机的连接，及摄像机的软件重启，焦距调节及拍照控制。云台红外摄像机控制：负责控制与云台上红外摄像机的连接，及摄像机的焦距，采集红外成像。前、后标清摄像机控制：负责控制与前、后标清摄像机的连接，并且可以采集变电站现场的声音信号。

1.2 运行模式控制

提供两种运行模式，一为人工巡检模式：提供人工巡检的相关操作，如控制机器人前往目标点、移动云台、对目标位置进行拍摄等。另一个为自动巡检模式：提供自动巡检功能，采用自动机模型，在用户指定的时刻对标定点进行自动巡检。

1.3 图像处理

图像处理系统是为了能够让巡检机器人在进行无人巡检的过程中，及时发现处于异常工作状态的设备仪表。高清图像识别：利用图像处理相关算法，对云台高清摄像机拍摄到的高清图像进行图像处理，对不同的仪表类型采取不同的识别方式，最终给出识别结果，判定仪表、油位读数是否在正常范围之内。红外图像测温：利用红外摄像机拍摄的带有温度信息的图像，对图像中目标区域进行温度检查，判定区域内设备是否有温度异常的情况。此部分的详细实现在下一章进行介绍。

1.4 数据库管理

负责监控系统与数据库的连接、数据传输。维护数据库端与监控系统相关的4 个数据库。用户信息数据库：负责存贮所有操作人员的用户名、密码与权限信息。可进行新添，修改与删除操作。并且可记录与查询所有操作人员对软件的使用操作情况，包括登陆软件、退出软件的时间、对图像数据的存贮、查询、删除等操作。标定信息数据库：存贮巡检点的标定信息，包括标定点名称、类型、里程计、云台读数、巡检时间段等。可进行新添，修改与删除操作。参数信息数据库：存贮巡检时间参数、机器人运行参数。图像信息管理：存贮经过操作人员确认后的巡检得到的图像及相关信息，包括自动识别的仪表指针、红外图像的温度值等。操作人员可以查询与删除记录。并提供打印服务。

1.5 巡检日志

记录监控终端的一切运行信息以及人员操作，通过回溯系统的运行日志，可以分析系统历史运行状态，主要用于对系统的维护。

2.4.5 速效钾 长顺县土壤速效钾含量涵盖1～5等级(图3e)，其中上等水平耕地面积181.87 km2，占全县耕地面积的41.4%，主要分布在长顺县的西部和东北部；中等水平耕地面积254.54 km2，占全县耕地面积的57.95%，主要分布在长顺县的北部和东部。

2 监控系统功能实现

监控系统本身所具有的功能已经十分的繁杂，不仅仅需要完成基本的硬件控制，还要提供如自主巡检，图像识别这样的高级功能，不仅要建立与管理数据库，还要提供良好的人机交互界面。除此之外，面对变电站现场复杂的工作环境，监控软件还应该具有一定的异常处理能力，即使在无人状况下遇到突发状况，也能够合理应对，保证巡检机器人的安全。

按照功能的差异性，监控系统可以分为3 个层次实现，如图2所示：

图2 监控系统功能实现图

2.1 基础层

该层主要负责实现对巡检机器人上所有硬件的基本操作，使得上层功能的实现可以脱离开繁琐的硬件调用流程。并且可以在网络通讯质量不好的情况下，仍然维持监控系统对巡检机器人的操控。机器人控制模块的所有功能均是在本层中实现的。程序实现时采用单例模式的方法封装对各个硬件的控制模块，这样做既可以方便上层对硬件接口的调用，实现模块间的低度耦合，同时也避免了在系统中对同一硬件设备声明两个实体，造成资源访问冲突的错误。除此以外，该层还负责管理监控系统与数据库之间连接的建立与维持。方便上层更好的操作数据库。

由于基础层负责管理机器人硬件，因此巡检日志中对设备历史运行状态的记录也是在这里完成的。

2.2 功能层

通过基础层提供的丰富而鲁棒的接口服务，该层可以方便的组织出高级控制功能。运行模式控制便是在这一层实现的。

运行模式中，自动巡检是整个监控系统的核心功能。由于该功能适用于无人条件下，不仅仅需要对巡检机器人各个硬件设备进行频繁、有序的操作，更要具备一定的异常处理能力，应对变电站现场复杂的工作环境，保障巡检机器人自身安全性。

在巡检流程中设置的自动/人工巡检切换，则是方便操作人员在机器人巡检途中，对未标定的仪表进行巡查。由于基础层提供的良好接口，可以保证自动机启动以后，可以按照步骤准确的执行指令，完成巡检任务，如图3所示：

图3 自主巡检流程图

同时，考虑到巡检途中机器人可能遇到的异常状况，或由于机器人本身硬件发生故障导致巡检任务无法继续，自动机中还加入了异常处理环，当进入此状态后，监控系统将暂停巡检任务，根据异常情况的不同，采取相应的处理措施。除了提供运行模式控制功能以外，功能层还负责管理监控系统对各个数据库的查询，存贮与管理工作。

3 图像处理系统

图像处理系统主要由红外图像测温和高清图像识别两部分组成。前者利用红外相机采集到的带有温度信息的红外图像，检测图像目标区域温度，与警戒温度进行对比，即可以找出处于异常工作温度的设备。实现起来较为容易，这里主要介绍高清图像识别功能的实现。

高清图像识别是指对于由高清摄像机拍摄到的仪表盘指针读数，油位计液面高度进行识别。基于“离线标定，在线识别”的思想，采取模板匹配的方法，识别仪表附近特征明显的标记物（Mark）或者纹理丰富的部件（表盘黑框轮廓等）作为模板，进行离线标定和在线识别。

上述过程中，均用此模板来进行匹配，找到仪表位置并进行识别。学习并获取模板文件之后，进行离线标定，获得被识别仪表的表盘轮廓、指针中心、表盘半径等信息，选择最适合该仪表的识别算法、识别空间，生成标定文件存于相应文件夹，作为在线识别时的参数。按照仪表种类的不同，有4 种不同的算法对图像进行识别。

对于指针式仪表，采用改进的中心投影法。在HSV 空间内遍历表盘上每个像素，沿半径方向向旋转中心投影，计算灰度值的最大值或者最小值。制定评价标准，评估最佳空间最优算法。

对于红线液位表和红指针液位表，采用自动阈值筛选法，以整个带黑框的表盘作为模板进行匹配。根据红线占整个表盘面积的比例是个固定值这个特点，首先获得仪表在H空间和S 空间的图像，采用自动阈值设定的方法依次在表盘面积范围内搜索红线。比较H 空间和S 空间的计算结果，取更靠近表盘中心的区域作为真实的指针标出。然后根据红线离Max 及Min 刻度的距离来得出液位表的示数。

对于红色球面液位计，由于红色在H 空间中特征显著，直接在H 空间里搜索红色阈值范围之内的区域，作为红色液位的面积。然后以红色区域的中心位置为圆心，以最大宽度为半径生成一个圆形，比较红色区域的面积占圆形区域面积的比例，获得最终读数。

对于无色液位计，以带螺钉的表头作为特征，识别此模板并在识别时进行匹配。根据表盘有液体部分和无液体部分呈现出不同这个特点，无液位部分表盘有明显的竖状条纹纹理。在彩色空间中检测模板区域内的直线，并将直线区域联通作为无液位区域，计算该区域的面积以及表盘的面积，两者相比得出液体占表盘面积的比例。

4 现场应用

实际应用中，主程序的主界面如图4所示：

图4 图形操作界面

A 框中为巡检机器人上各个视像传感器的实时监测画面，从上到下依次是高清摄像机，红外摄像机，两部标清摄像机的实时视像。B 框显示机器人当前的运行状态，包括里程计读数、速度、温度等文字信息，下方是一个二维动态地图，显示机器人在变电站现场的实际位置。C 框中包括对机器人控制的常用操作按钮，如云台转动、摄像机对焦、机器人移动以及定时巡检等。

通过主界面的菜单栏，用户还能够访问各个数据库的信息，实现对系统参数、操作人员、采集数据、巡检任务的管理。如图5所示：

图5 不同类型的仪表示例

图5 是对4 种典型的仪表运用图像处理算法后得到的结果。可以看到，对于指针仪表以及油位计，算法能够准确的找到指针位置；而对于液位类的仪表，算法也能够标记出液位所占据的图像面积，从而可以以此计算得到液位的实际体积。

目前的巡检系统的高清仪表识别受到天气，光线等影响，识别率为80%。

5 总结

本文详细讲解变电站巡检机器人控制系统的设计与实现。从监控终端平台的功能设计到实现，还特别介绍了为完成自主巡检任务而采用的图像处理算法。监控系统软件由层次清晰的各个功能模块组成，能够控制巡检机器人在变电站复杂工作环境下对相关设备仪表进行巡检，节省人力资源的同时，还提高了对异常设备的排查能力，确保安全生产。

目前的巡检系统的高清仪表识别准确率仅能达到80%，如何更好地应用图像处理算法提高识别准确率，是该系统下一步的改进方向。巡检机器人虽然可以采集到现场设备工作时的声音，却没有进一步进行处理，如何通过设备工作声音来检测设备工作状态，判断设备是否工作异常也是系统可以提高的地方。

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