一种牵引变电所智能巡检系统的开发与应用

李育冰

0 引言

铁路发展已成为带动地方经济发展的重要渠道。近年来，铁路发展迅速，牵引变电所作为铁路供电系统的核心，为了确保其供电的可靠性和稳定性，日常检测、运维显得尤为重要。变电所巡检是保障供电系统稳定运行的重要工作。传统变电所巡检通常采用人工巡视、手工记录的作业模式，存在诸多难点，主要体现在受限制条件多、巡检点位分散、手段单一、人为因素影响、巡检效率低等。

随着科技的不断进步、体制的不断改革以及无人值守的普及，牵引变电所自动化程度也在不断提高，牵引变电所巡检工作逐渐趋于无人化或少人化。2018年年底，原中国铁路总公司《关于发布〈牵引供变电所实施无人值班值守工作的指导意见〉的通知》（工电函[2018]101号）明确了《牵引变电所辅助监控系统暂行技术条件》，强调了牵引变电所智能巡检系统是实现牵引供变电所无人值班值守的必要硬件设施。

为了实现铁总关于“推进‘机器人’+无人值守/值班牵引变电所建设，推广应用在线监测、状态诊断、智能巡检系统，打造安全、高效、大数据化的少人值守运维管理系统”的落地应用，综合利用视频识别、多传感器综合探测、综合导航和精确对准、故障精确诊断等多项技术，开发了一种牵引变电所智能巡检系统。该系统主要通过智能巡检机器人监测牵引变电所内各种一次供电设备运行状态，实现变电所无人值守和设备运行远程维护。

1 系统设计

1.1 系统总体架构

牵引变电所智能巡检系统基本组成包括：巡检机器人子系统，视频监控子系统，机器人充电子系统，通信网络子系统，平台管理子系统。

1.2 子系统设计

1.2.1 巡检机器人子系统

巡检机器人子系统包含了底盘模块、供电模块、云台模块、气体检测传感器模块、温湿度检测模块、语音对讲模块，如图1所示。

图1 巡检机器人子系统

巡检机器人子系统底盘模块具备高运动能力，采用四轮独立驱动的底盘，支持原地转弯，能适应多种路况；激光雷达导航可实现全所覆盖，巡检作业可跨室内外区域，在复杂环境中实现检测无死角；底盘驱动模块具有自身短路、断路、过流、过压、欠压、过温检测功能和实时通信监测功能，发生异常时可上传报警信息并自动停车。

供电模块采用充电电池，电池装置有信号触头和正负极触头，可实现机器人自主充电。

云台模块搭载了高清摄像机以及红外热成像仪，采用全向型云台，支持水平方向360°和垂直方向90°旋转，可以控制高清摄像头与红外热像仪在巡检过程中的拍摄角度。云台配有补光灯和雨刷，以支持夜间和雨天的巡检。

气体检测传感器模块采用红外吸收检测原理的气体传感器模组，用于测量所内的SF6气体，还可检测氧气、一氧化碳、甲烷、硫化氢等气体。

温湿度检测模块包括温湿度传感器，实时检测牵引变电所室内和管廊内部温湿度，并具有预防传感器结露功能。

语音对讲模块包括拾音器和对讲机，用于内部人员与后台人员通话指导。

1.2.2 机器人充电子系统

带电检测机器人在变电所长期值守、完全自治，必须能快速高效、安全可靠地自主充电，因此需要设计有效实用的自主充电桩。系统采用电极对接的有线充电方式进行充电，通过在充电桩附近铺设磁轨，或利用红外对射模块引导机器人自行导航至充电桩处。充电时机器人位置和充电臂位置均可调整，以便充电插头与充电座自动对接。另外，在充电桩上还设计有误差容忍和自主纠错机构，可以满足机器人在小范围偏差内仍能与充电装置对接成功。

1.2.3 视频监控子系统

视频监控子系统完成监控目标的视频信息采集和传输，包括室外高速球型摄像机以及硬盘录像机，通过对室外高速球机的预置位设置，实现视频监控巡视功能，并在牵引变电所场坪一次设备动作时自动控制摄像机和云台的自由转动、变焦，完成监控的快速聚焦定位，拾取现场视频及图片。系统具有对图像的切换、自由存放、硬盘录像、回放及逐帧搜索画面功能。视频监控子系统还具有报警联动视频功能，各个子系统的告警和状态变化都可以作为视频联动的条件，并能进行逻辑组合，一个触发条件可并发2台以上摄像机联动。

1.2.4 通信网络子系统

通信网络子系统由站端无线网络及有线网络组成，主要实现信息交互、通道切换、系统对时等功能。无线网络主要由部署于牵引变电所房屋顶部的无线AP实现场坪全覆盖，完成巡检机器人子系统与平台管理子系统间的实时通信。站端有线网络实现视频监控子系统与平台管理子系统间的实时通信。信息交互内容包括机器人状态信息、检测设备信息、环境信息、监控后台控制指令信息及各类预警告警信息。通信网络子系统在通信中断等异常情况下将发出告警信息，并能保证图像、语音等各类数据不丢失，在通信恢复后可自动续传。

1.2.5 平台管理子系统

平台管理子系统采用分布式架构，实现机器人与固定监控的数据信息深度融合，包括站端子站平台以及上级主站平台。平台管理子系统架构如图2所示。

图2 平台管理子系统架构

站端子站平台主要完成对巡检机器人子系统以及视频监控子系统的管控与分析工作，包括巡检任务的派发、远程遥控作业以及图像智能分析等，同时可实现在场坪一次设备动作时向视频监控子系统发出巡视指令，完成快速定位聚焦，拾取现场视频及图片。上级主站平台主要完成对站端一个或多个站端子站平台的集中管控与大数据分析。一套主站平台可完成对多个站端子站平台的监视管理工作，解决了上级平台无法集中管控现场巡检情况的难题。平台借助标准接口技术，可与既有系统进行数据对接，从而实现巡检机器人子系统与视频监控子系统的高效协同联动，彼此监管、优势互补。

2 系统实现

2.1 智能巡检管理平台

智能巡检管理平台软件基于NET架构，采用Microsoft Visual Studio的C#语言开发，可以在Windows的各个版本操作系统跨平台运行。结合先进的人工智能技术、现场实时精准采集的数据以及丰富的设备检测经验，强大的后台软件能对设备运行状态做出准确的判断，并能通过趋势分析提前发现事故先兆，实现预测性维护。软件功能模块包括实时监控、任务管理、远程遥控、历史查询、报警管理、数据统计分析等模块。

（1）实时监控模块用于查看机器人运行过程中的任务信息、图像信息、现场环境信息和机器人本体状态、电池状态和车体行进信息等。

（2）任务管理模块分为例行巡检规划、特巡任务规划和遥控巡检3种模式，不同任务模式间可随时切换。例行巡检规划可提前生成若干巡检任务，执行每天定期巡检；特巡任务规划可在特殊情况下实时生成临时巡检任务；遥控巡检通过局端远程控制机器人巡检，获取变电所内设备实时信息。

（3）远程遥控模块可通过手柄实时遥控调整云台方位和俯仰角，控制行进方向和车体速度，并遥控高清摄像机和红外检测仪聚焦检测目标，完成规定任务。

（4）报警管理模块实时获取并显示报警信息，生成报警报告，报警统计分析和报警预告等。

（5）历史查询和数据分析模块用于对机器人巡检获得的音视频数据、图像数据、设备状态、表计读数等信息的集中存储、分析诊断和分类查询。

2.2 智能巡检机器人

智能巡检机器人是智能巡检系统的核心，由巡检机器人本体、本地监控后台、远程集控后台、机器人充电室、导航设施及其他辅助设施组成。自主移动平台上搭载可见光摄像机、红外热像仪和声音采集器等检测设备。智能巡检机器人如图3所示。

图3 智能巡检机器人

智能巡检机器人在导航技术和运动四驱底盘基础上集成了图像识别、自动控制等多种技术，可以自主或遥控的方式在不断电的情况下完成对室内（外）高压设备进行红外温度监测和仪表油位的图像识别等任务，具有遥控巡检、视频监控、噪声监测、气体泄漏检测、红外测温、故障报警等功能。智能巡检机器人基本性能参数如表1所示。

表1 智能巡检机器人性能参数

2.3 视频监控子系统

视频监控子系统主要设备包括网络视频录像机NVR及高清摄像机。高清摄像机主要布置在需要进行视频监控的场所，如二次设备室、高压室、室外变压器侧、馈线侧等。摄像机一般选用高清高速球机（性能指标见表2）。摄像机通过同轴电缆连接至智能巡检系统机柜的NVR，NVR通过局域网与智能巡检系统后台管理机相连，进行视频监控和联动操作等。智能巡检管理平台从NVR中读取摄像机列表，进行实时图像显示、录像管理、摄像机参数设置。当有告警或主要监控设备发生状态变化时，触发摄像机联动，软件系统发送调用预置位的命令给NVR，采集现场的实时监控视频和图片。

表2 高速球机性能参数

2.4 通信网络子系统

通信网络子系统分为3层，分别为监控层、通信层和终端层。监控层是智能巡检系统管理平台中的三维实景监控平台；通信层由网络交换机等设备组成，负责建立监控层与智能终端层的网络通道；终端层包括轮式智能巡检机器人、红外热成像仪和固定监测点等。终端层机器人的巡检信息数据通过通信层上传至工作站的三维实景监控平台。最终实现的通信网络子系统结构如图4所示。

图4 通信网络子系统

2.5 机器人充电子系统

机器人充电房由充电柜、充电座、无线通信设备和自动卷帘门组成，采用220 V交流供电。机器人工作状态包括巡检、充电、空闲3种。收到巡检命令后，机器人首先检查电池电量是否充足，充足即进入巡检状态，按任务规划进行设备巡检，否则拒绝执行并报警。巡检完成后，机器人返回充电房。机器人在巡检中实时检测电池电量，若电量不足则立即返回充电房充电，充电过程完全自动化。

3 系统功能

系统最终实现了以下核心功能：

（1）数据全面采集。系统可实现对包括红外测温、仪表读数、刀闸变位、开关及指示灯状态、噪声监测数据、微气象数据及高清视频的全面采集，还能接入现场第三方系统数据。

（2）实时传输。系统可实时上传数据，进行实时语音对讲，实时下达巡检指令。

（3）智能识别。系统可实现表计、开关状态、设备温度、SCADA远动信息、火灾的智能识别。

（4）高清显示。系统实现了对微气象、现场视频、设备状态、运行状态、分析结果、操作日志等信息的高清显示。

（5）预警研判。系统实现了对采集数据进行分析统计，作出趋势研判和预警提示等功能。

（6）远程控制。系统实现了远程遥控行进、远控SCADA确认、自动联动卷帘门、远程双向语音对讲功能。

4 系统应用情况

该智能巡检系统在京张高铁小白杨220 kV牵引变电所投入使用，智能机器人可按预设程序对该变电所470台设备和现场环境进行自动巡检巡查，也可远程控制智能机器人和视频监控设备完成设备综合巡检，一次巡检用时2 h。系统能实现数据自动采集，巡检覆盖率达到100%，识别精度均达到98%以上。

通过智能巡检机器人实现智能化巡检，可及时发现设备异常现象，规避设备运行隐患，提高工作效率和巡视质量，使巡检更加及时高效。另外，当维护人员现场进行设备保养和设备维修时，可触发机器人的作业保障功能，保障工作人员的作业环境安全，同时实现作业过程监督。

当智能巡检系统接收到站端设备故障信号时，可触发机器人进行故障节点环绕巡视，帮助远程专家快速锁定问题根源，在最短时间内完成应对策略。当现场设备出现故障时，技术专家可在段/局级远程对现场操作人员进行音视频指导，确保关键操作正确无误。巡检机器人能够代替人工完成变电所检测中的急、难、险、重和重复性工作，减轻工作人员的工作负担。

5 结语

牵引变电所智能巡检系统以智能巡检机器人为核心，具有遥控巡检、视频监控、噪声监测、气体泄漏检测、红外测温、故障报警等功能。该系统用于牵引变电所设备和环境的巡检巡查及实时监控管理，成功解决了传统巡检方式受限制条件多、巡检点位分散、手段单一、人为因素影响、巡检效率低等问题，提高了牵引变电所设备运行的可靠性和稳定性，为高铁运行安全提供了保障，具有良好的推广应用前景。