自适应移动式巡视识别在配电站室智能巡检中的应用

吕培强，方 琪，周 雷，羊 群，耿 玲，宋国亮

(1.国网苏州供电公司，江苏 苏州 215008；2．苏州安赛电力科技有限公司，江苏 苏州 215021)

配电站室内部巡视定位是自主移动机器人研究领域中的一个重要问题[1-3]，是实现移动作业机器人自助导航、轨迹控制的先决条件。在多种定位方法中, 基于概率的定位方法是目前应用最为广泛、最有效的[4]，其中分布式控制方法[5-6]是一种自助确定自行捕获实时数据为目标并进行轨迹运算的方法。由于固定位置获得的数据限制，分布式控制方案部分功能不能满足现场全景式多变性的客观应用条件。

目前，国内外对充电定位与对接已开展了多层面的研究，文献[7]定位于一种通过光线束引导机器人与充电站进行自主充电的方法，主要适应在户内光照影响较小的作业场所；文献[8]使用已知确定导航坐标，引导环境识图机器人与对接充电站，实现机器人自助充电。

对于自主巡检任务来说，视觉感知起着十分重要的作用。根据摄像截取的视觉信息对实际站位和形态进行观测即为视觉测量，将视觉测量功能复制到行进过程控制中达到单一或全程观察，以视觉定量反馈预置或实时点位与状态进行纠偏，确认自主完成对目标的跟踪[9-10]、捕获[11]等多类别[12-13]辅助业务，提高了识别物像的自助适应能力和智能应用水平。为了将巡检人员从单调重复的巡检工作中解放出来，提出一种遥感观测与地面执行巡检两者相结合的解决方案，融合了激光雷达、机器视觉TK-GPS等多种传感器，但成本较高[14-16]；文献[17]研究了基于GPS与机器视觉感知作业机器人，采用模糊识别控制实现运动轨迹，但只能用于适当精度的成像捕获。文献[18]提出了在ZMP稳定裕度约束下优化振荡器参数，以降低质心振动幅度和ZMP曲线回绕程度的方法，并在试验中实现了更加快速稳定的行走。但该方法不足以应对现场突发性与临时性变更轨迹的实际目标。

本文针对配电站室传统人工巡视所存在的现场问题，重点关注此领域新技术的发展动态，提出自适应移动式巡视识别新方案，深入研究“三遥”外数据业务新特征，创新智能巡视识别数据分析方法，适应多视角特性的现场应用，满足现场行进路线设置、观测信息的多样性以及控制策略简易性的新需求，综合提升中低压配网安全、经济、可靠供电能力，科学实现“减人增效”新目标。同时，也为相关制造企业、社会资源参与智能配电网项目研发提供新的案例参考。

1 基于空间轨迹控制问题的自适应遗传算法

1.1 智能巡检空间的表示以及检测的布置方式

无人值守配电站所智能巡检更多的目标在于最大限度减少人为巡视的差错率，提高特定时限对实时信息的获取。地面行走智能巡检机器人设计架构见图1。远程维护突出周期巡检与特例巡检布置，实时性监控动态、运行模拟图、开关柜状态、变压器温控、低压分支线工况等信息，并设置异常报警(告警)、自动化操作监控等工作场景。优化系统设置方便自助巡检规划路径、运行参数预置、友好界面交互，并融合配网多业务共享需求。

图1 地面行走智能巡检机器人设计架构

1.2 行进路线的产生

文献[19-21]提出了多种形态的不同控制方法来达到轨迹呈集群圆周方向运动，所描述的圆形特征中心由轨迹初设状态确定。在一些生产实际场景，需要模糊点位以期望的缩减率逼近工作位置。

根据二维地图建立算法基本都依赖于概率估计，如：Gmapping、HectorSLAM、KartoSLAM 等[22]，结合现场时效性的工作特点, 优选了直接数据获取方式。

行进路线产生的可以读取的二进制码的需用信息为

(1)

可读取的ASCII 码符响应数量为

(2)

考虑一个由全程布局的目标点n所组成的行进轨迹模型，假设通常条件下轨迹运动存在于二维平面中，既忽略可能的高程带来的误差，由单积分动力学系统确定的目标信息状态为

(3)

(4)

从一个节点向另一个目标驻点行进运动过程中，在理想状态下，始端是匀加速运动，中间过程是匀速运动，到达驻点附近再进入匀减速运动。但问题出现在步长、步速的细微变化，导致到达下一个目标驻点的实际偏差值不容乐观。解决这个偏差值，所采用的纠偏方案是围绕目标驻点的可变半径的缩减率，依次得到均方样本，渐次到达目标驻点。

到达目标驻点的行进轨迹如图2所示。运动轨迹在匀减速状态下，抽样进入第四象限，交割到驻点预置发散圆弧，触点交汇第二较小圆弧且停止运动。继而以圆弧积分算法朝着圆心点归位，并以驻点±2 mm允许偏差落点就位，完成一次采样并继续按程序寻求下一个目标点。

图2 到达目标驻点的行进轨迹

1.3 目标驻点

轮式运动构架下依次在坐标中行进, 所能控制行进的精度主要依靠原动力驱动下车轮旋转的精度。在一般情形下, 匀速控制行进到坐标(x1，y1)，继续前行到达(x2，y2)， 然后可应用平面直线夹角公式计算旋转角度θ。现场发现，假如在坐标(x1，y1)点旋转θ后再往前运动，角度θ的实施精度对于其逼近坐标(x2，y2)扰动非常大, 所以重点研究可控范围的旋转精度才能满足实际需求，准确定位行进坐标[23-24]。

现场运动轨迹的抽样表明并大概率发现，经过驻点附近第一、第四象限，或者第二、第三象限，几乎在横轴两侧徘徊摆动。由于现场不可避免行走路径的微小变化，以及驱动稳定性所带来的实际误差。

但反观其步长云算法的前提下，重点关注减速过程的“慢动节奏”，可实现削弱机械行进的必要误差，专注于于匀减速阶段可方便找准的优势，渐次取样逼近最小圆弧，以减速时间换空间准度，应用回归算法达到目标驻点。

考虑到现场辅助节点的磨损、遗失等实际状况，不仅仅依赖下一个驻点，当其中这样一个驻点不存在时，提供的轨迹算法可以继续向下下一个节点行进，有效规避了小缺陷而导致的全局路径的停滞或是失效。

1.4 方向纠偏

从均方根取样的实践效果分析，考虑到轨迹行程必要的速差比，匀减速进入可观察目标三与目标二之间的机率大概率上升，也就是到达目标驻点的行程能够稳定缩减，可控范围内的驻点纠偏能够满足现场实际需求。纠编适应目标驻点如图3所示。

图3 纠偏适应目标驻点

=kx+b

(5)

同样可表示为极坐标：

(6)

算法求解过程中的主要目标点参数为

(7)

式中λ——待选行进方向轨迹权值矩阵；∂ij——待选行进方向轨迹i→j的权值。

由于智能自助巡检形态受限于步速、步长等因素，导致到达下一个目标点位∂存在误差，即存在一个计算偏离值。

(8)

(9)

式中ρ′——方向误差矩阵，表示智能自助巡检实际行进与计算控制的偏移量；η——行程误差系数；η·ΔZ——表示行程误差。

1.5 召测集合与目标集合

计及三维空间上的升降轨迹，侧重于观测的精度与准度。实际测试阶段反映出来的模糊驻点的特征显示，必须关注到延伸线上“记忆”驻点的算法应用，以免遗漏必需的观测点。通常上升过程通道，以地面30 cm为基准，到达所需两点2 m高程，实施后再折回另一个观察角度。反行之先以最高观测点入手，再匀减速返回地面观测最低点，这样在缩短观测行程时间的同时，最大化完成了一次升降所能得到的最佳观测量。三维驻点与升降的行程见图4。

图4 三维驻点与升降的行程

描述的封闭趋向性特征可包括确定性矩阵λ=(∂ij)，其中：

∂ij=

(10)

适应召测任意观测点与目标点之间确定性轨迹的集合。以观测点期望的半径r>0渐次达到目标：

(11)

以期望的目标点之间距离的连续性:

(12)

式中 0<εij<(0.5-1.0)r——目标点之间的期望距离；n——实际观测点与目标点集合。

由于空间轨迹的灵活观测，也满足特例行动的功能需求。面对配电站室户内过载、超温缺陷，甚至火警险情，不得不重视多角度观测灾害性场景，得益于匀布与非规则高层设置原则与应用，使得高程方向的特例密布规则强于一般场景下的获得量，实际为远程指挥提供了全新实时的信息，有利于在第一时间内采取针对性措施，防止事故进一步恶化。

表1 成套低压开关柜塑壳断路器状态判别参数信息

2 试点实践

2.1 观测信息的多样性

移动式智能巡视装置不仅考虑到常规巡视路线的起止点、全程“观测”设备数量的需求，而且设置灵活巡视路径、时长、观测点数量，可满足现场“日周期多点巡视”、“重点监测点巡视”、“保电设备24 h监控”等需求。行进路线全面覆盖配电站室，灵活的镜像识别新技术，可“择时”回传其所在方位“上、下、左、右、前、后”周遭捕捉信息，通过图模、数显巧妙转换，直接得到运维工作人员所需要的分析数据。

由于智能识别数据不局限于传统“测量”、“变位”等信息，更关注于“渐变量”，原有人工巡视方式下，一些滞后或者事后被动维护方式，可通过“渐变量”的获取与趋势分析，提早进入告警状态，方便运维监控人员择时“检修”，提高设备安全运行质量。

2.2 核查电力一次设备运行工况

采用图像识别现场一次模拟图，并通过实时监测设备运行工况，开关量状态，对比有否“差异”，结果信息上传系统后台，与调控人员实时确认运行工况“正确无误”。可以弥补调控远程操作时，由于现场配电站房无人值守，开关是否操作到位等作业场景的安全性问题。

遇到开关异常变位(或跳闸)，通过“异常声响”声呐追踪，调整巡检路径，第一时间替代运维人员观测“险情”，相关图文信息按需回传到调控(抢修)中心。

在开关正常运行状态下，辅助观测配电“表计”、开关位置“指示灯”、操作电源“指示灯”、防误操作钥匙等异常缺陷，实时记录缺陷，方便日后跟踪处理。

采用BBF[25]算法对基于KDTree的算法逼近可进一步降低开销，以成套低压开关柜塑壳断路器状态判别参数信息为例。

成套低压开关柜塑壳断路器状态判别参数信息见表1。

表1中，状态变量a1，2，…n分别表示开关合闸位置，开关分闸位置，开关跳闸位置，合闸指示灯，分闸位置灯，电流表(A)，电压表(V)等状态判别参数信息。

(13)

判断某塑壳断路器状态信息，其表达式：

S：a1Ua2Ua3Ua4Ua5Ua6Ua7

判断某塑壳断路器某时刻在正常通流状态，其表达式：

S1：01U00U00U01U00U256U391

2.3 控制策略的简易性

依托“二维码”地面可视标贴，运用“矩阵”分布算式，匀布巡视轨迹，最大化满足智能巡视路径可选、优选与特殊性巡视指令要求。这样可以大范围去除传统密布摄像头感应辅助装置，其“自主、自助“修偏”新功能， “记忆、绕障” 新功效，科学解决了路线偏离、局部识别缺失等造成的“迷航”问题。自助二维码的地面标识及巡视路径如图5所示。

图5 自助二维码地面标识及巡视路径

在预设匀速行进的条件下，其他机械设置仅再初设赋值状态，行程一所示，经过一定距离的直行，其跟踪轴线上的上下振幅偏移较大，反映出初始状态设置不尽合理。同样往复试验二，对机械步长规划与速差比进行了估值调整，可见行程二所完成的规定距离内相对振幅有了缩减，平滑性得到了可控的提升。匀速前行的测试与调整如图6所示。

图6 匀速前行的测试与调整

过标准化试验条件下的跟踪设置，可有效克服机械部分本体所必需的误差性，再回到实际现场，重新规划到达下一个目标点的微量偏角与步长预置，可见其完成一个观测距离内偏差进一步缩小，直线行进状态下的“多余”步长可缩减到可控范围，平稳匀速与预偏控制都达到了期望效果。

由ROUND1 和ROUND2可知行进过程运动轨迹不是很光滑，但与ROUND3中得到的运动轨迹相比较，ROUND3明显要平滑很多，而且试验数据适应现场实践。从而证明提出的微量偏角与步长预置处理方法的可行性，在局部重要信息观测应用中还要从平衡控制系统和平滑稳定性等方面考虑进行深度优化，这将是接下来本课题要重点研究的方向之一。

3 结语

本文提出了一种应用于配电站所空间轨迹控制问题的自适应遗传算法。主要工作有:(1)提出了基于扰动情形下几何纠偏法的环绕目标驻点逼近算法，该算法能在很大程度上减少下一个目标驻点的实际偏差值；(2)针对配电站室空间信息获取的具体问题, 设计了三维空间升降轨迹的召测、记忆、点检和目标空间集合,这些集合对于需用数据的有效缩短时间和可靠获取具有至关重要的作用；(3)采用了一种新的模糊逻辑控制算法自适应地研判配电装置状态参数和识别信息；(4)进行了依托“二维码”自助轨迹和在线调节的实践研究。

通过和相关文献所采用的算法实际比较可以发现，提出的改进空间轨迹控制算法具有以下三个特点:具有较快的识别速度(较少的扰动影响)；能够得到更加可靠的有效识别结果(较短的时效匹配)；具有较强的自适应能力。