电缆隧道智能巡检机器人在电网智能化中的应用研究

李乾 钱恒健 方永毅 邢昆 刘保安

摘要：随着我国现代化城市的不断建设，城市电缆隧道的建设也越来越多，电缆的巡检工作也越来越繁重和复杂，对于人员的安全隐患也显露出来。因此，开发电缆巡检机器人代替人工巡检模式已经成为电网智能化建设的需求。文章从机器人的研究难点出发，详细介绍了其研究方案。

关键词：电网;智能化;电缆;巡检;机器人;应用

中图分类号：TM75;TP242 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）01-0085-05

0引言

为了提高城市电缆管网的现代化管理水平、有效地减轻巡检人员的工作强度、避免电缆事故的发生，电缆隧道智能巡检机器人的研究与应用迫在眉睫。电缆隧道智能巡检机器人的应用可以大大加快电缆管理的现代化和智能化程度。把以前电缆的运行维护人员解放出来，降低人员安全隐患及事故隐患，并能够投入到精细化管理中去。

电缆隧道巡检机器人研究方向可分为隧道顶部轨道巡检机器人和地面轮式巡检机器人两种。由于电缆隧道巡检路线存在高度落差、隧道壁变形和地面积水等情况，巡检项目相比较变电站巡检有所不同，变电站的表计比较多，而电缆隧道几乎没有表计，但是电缆隧道要求增加有害气体、地面积水、隧道壁变形和电缆支架锈蚀度等巡检项目。

基于以上因素，隧道巡检机器人的研究趋势主要针对顶部轨道巡检型式，此型式可避开地面积水和隧道落差对巡检的阻碍，另外顶部轨道式机器人可在基本巡检功能上附加初期火灾处理、工具包和急救包的传递功能，趋于智能人性化发展。巡检机器人如图1所示。

1研究的难点及内容

1.1研究的难点

根据巡检机器人所应用的范围有一定的局限性，因此，研究的难点有以下4个方面：

1）机器人在隧道内的精确定位。

2）机器人轨道如何通过竖井在隧道顶部的下口。

3）机器人穿越防火墙。

4）隧道内的信号接收。

1.2研究的内容

根据上述难点问题，针对巡检机器人的研究内容有：

1）研发一套电缆隧道智能巡检机器人系统。包括：自动巡检、电缆设备的实时监测并发送报警信息、远方控制等功能。

2）研究机器人辅助现场工作人员作业技术。利用机器人的特性，配合、帮助现场工作人员进行初步的巡视、消缺等工作。

3）研究机器人远程操控技术。在人员无法到达的设备现场，利用机器人实现远程操作。

4）研究机器人自动处理现场事故技术。利用在线监测手段获取事故信息，在事故发生时先于工作人员第一时间到达现场，并为工作人员提供现场有关数据，事故影像情况等，同时具备执行应急巡检的能力。

5）研究机器人现场监护技术。通过对现场人员进行实时定位，利用人员跟随技术通过视频和声音传输，后台实时观察操作人员的工作状况、指挥指导操作人员操作、后台和操作人员实现人机互动交流。

2巡检机器人的研究方案

对于电缆隧道智能巡检机器人应先建立其工作的流程内容，其工作流程图如下图2所示。

2.1巡检机器人功能

若要完成图1的工作流程，巡检机器人需具备如下功能，如表1所示。

2.2系统功能分析

2.2.1定位系统

智能巡检机器人在运动过程中通过伺服电机里程码盘和激光测距仪结合的方式进行定位，保证智能巡检机器人控制器和远程中心管理平台可以实时了解巡检机器人的位置信息。辅助定位部分由硬件辅助定位和软件辅助定位两种方式。实现视频机器人运动辅助定位（位置校正）、特定目标定位、充电定位等定位功能。

2.2.2視频巡检

包括移动高清视频监控、标记识别、地质沉降、设备的锈蚀检测、照明灯识别及漏水与积水识别。

1）移动高清视频监控：机器人身上将装有1080P高清可见光照相机，这样就能够实现在隧道内可移动的视屏图像监控功能。兼顾化光学防抖技术，可以对5-15Hz范围内的细小振动有效过滤。如果隧道中已经没有工作人员，那么照明灯会处在熄灭的装下，这时机器人将采用自身搭载的高亮度红外线进行补光照明，以实现有效照明，如图3所示。

2）标记识别：高清视频相机实时采集监测点表计图片，经后台智能分析软件分析，可识别出表计读数，并对采集数据存储、判定，形成表计历史数据信息、设备缺陷预警信息及巡检报表。

3）地质沉降：巡检机器人采用预置点标定与视频识别相结合的方法，对隧道的基建变形、地质变化、结构缝错位等进行检测，有效预警可能发生的严重地质危害。

4）设备锈蚀检测：环境采集一支线中空气潮湿，气体成分复杂，易导致设备生锈腐蚀，久而久之会导致设备故障。巡检机器人系统通过图像识别及图像对比方法，可对套管设备、紧固件进行精确定位、拍照，结合人工确认，实现锈蚀分析，提前预警，一定程度上防止故障的发生。

5）照明灯识别：机器人上带有摄像机及光照度检测传感器，可以对隧道中的光照情况进行检测。系统可设备预定规则，系统可统计整个隧道中的灯管状态，若连续出现10m范围内无有效照明时，系统将立即发出预警信息，提醒操作人员注意对隧道设备进行运维。

6）漏水与积水识别：机器人系统可针对隧道中的土建渗水、地面积水情况进行识别。在正常巡检情况下，机器人对特定的渗水泄漏点进行检测;常规行进过程中，可采用扫描的方式进行渗水漏水检测。

2.2.3红外热成像

由于隧道内空气流通性较差，设备温度差异较小，巡检机器人上携带的高灵敏度热成像仪应能在隧道环境中清晰成像。系统对设备类型进行定点监测，行进过程中采用1HZ的热图检测方式进行普检，全程有录像，本地存储时间不小于2个月。

1）红外线普测;隧道内的巡检机器人自身带有红外线普测功能，在巡检的过程将对其视野范围内的全部设备进行表面温度感应监测，并在全部区域内进行温度的扫描式采集，对设备开展红外线检测和红外热诊断工作，可以有效避免区域设备被遗漏，运维人员可以通过后台电脑观察某一点的温度值，及时发现设备缺陷和异常隐患，为设备的检查维修提供实时资料。能够完整的为所监测的设备提供历史监测图像记录，以保证在有设备发生异常报警时，可以通过历史监测图像的数据进行追查。

2）精确测温：对隧道内易发热的重要设备如：电缆接头、接地箱、接地线等，进行精确的测温和实时监控;在发现有异常温度的设备时，能够通过红外普测进行自动检测，为工作人员进行排查事故提供帮助;在设备检修完成并投入运行后或是新设备在试运行期间，对设备进行精确测温监控;在系统输电线出现超负荷情况下，对该设备进行精确的温度测量;精确测量温度时，机器人会从多个不同的方位对设备多个关键部位进行整体的视频图像监控。

巡检机器人系统采用的是全自动定点检测模式，该系统会自动设定需要检测的位置和设置检测的相关参数，而且在每次经过同一个检测点时，会自动对该点位的历史数据进行对比分析，对比准确度很高。机器人上所携带的高灵敏度热成像仪，应能在低温差的隧道环境中，将设备的温度与环境背景温度进行有效区分，使被检测设备清晰成像，并对设备进行精确的温度检测。采用机器人自动进行精确测温操作，可以有效避免人工检测时的问题，测温过程繁琐，调节的参数不合适，检测的温度不准确;易产生遗漏，世博支线中设备众多，人工巡检可能漏检;数据不可追溯，人工记录的数据可能信息不全，现场图像后期整理工作量大，分析困难。红外线成像效果图如图4所示。

3）缺陷定點跟踪测温：为了能够更加准确的获得某一处设备的热缺陷变化趋势和热缺陷处理情况，要对该点进行定点定时的检测，采集完整的数据，并且根据工作的实际需要呈现出曲线或直方图等形式的数据集。

2.2.4环境检测

智能机器人自身携带的环境监测模块，具备监测隧道中0：、H2s、CO、CH4、温度、湿度、烟雾等环境信息。

2.2.5语音对讲现场指挥功能

智能巡检机器人系统搭载双向语音系统，安装有应急广播扬声器和监听麦克。用于监控中心和隧道内人员进行双向对讲，实现对现场的远程监控指挥。在交通疏导与事故处置时，结合高清视频功能，操作人员可通过远程监控后台对现场情况进行监控、监督与指导，确保工作高效、实时的开展。

2.2.6异常预警及联动告警处置

根据隧道的运行情况，按不同等级可发生报警：机器人本地声光预警、监控中心声光预警。当出现环境气体达到报警参数、火情、积水异常，巡检点设备发生异常，地质变化、通讯系统故障、充电站故障、防火门电源异常等异常情况时，系统都应进行报警。当工作人员确认报警信息后，系统可以解除相关报警。

2.2.7火灾检测及应急处理

通过巡检机器人人体搭载的高清视频设备检测管廊内部异常光源、烟雾情况;红外设备识别火源，对管廊内设备明火及设备内部异常温度进行检测，及时识别疑似火灾位置，由平台专家系统分析是否有着火点，是否需要联动消防系统;确认着火点后，发送火灾告警至本地监控平台，配合灭火机器人及时对发现火源进行处置，同时巡检机器人应驶离到安全距离（机器人承受最高温度）以外观察。配合气体检测设备，对管廊内部有害气体进行检测，为人员进入管廊内部进行消防或其他作业提供参考。

2.2.8监控系统

该系统具有红外线视频及巡检采集存贮功能，支持现代化视频的一切功能（包括停止、播放、录音录像及视频截图等）。

2.2.9机器人工作模式

巡检机器人系统工作模式应具自动巡检、遥控巡检、特殊巡检以及在异常情况下通过与其他系统设备进行联动的远程监控指挥模式，如图5所示。

1）自动巡检模式：自动例行巡检是巡检机器人按照预设规划路径自动巡视方式，是在隧道内日常运维工作中最常见的应用模式，将巡检数据自动传输到综合管理平台保存，生成检测分析报告。

2）遥控巡检模式：支持机器人多目标位置的人工遥控巡行，支持人工多种速度遥控模式的巡检工作方式。可根据现场的运行情况，监控中心操作人员可以手动控制机器人到达指定位置进行作业。尤其对于在机器人自主巡检过程中如检测到设备、环境状态异常并向运维人员告警时，运维人员可以在第一时间操控机器人快速到达异常设备位置，及时对异常设备进行查看并核实报警信息，以便迅速制定响应策略。

3）特殊巡检模式：特殊巡检模式为自动巡检、遥控巡检的补充方式，针对支线及其它设备区内需要重点关注的巡检对象、巡检点针对f生设置巡检任务。

对区域内需进行非定时、特别关注的设备类型及巡检点类型，例如接头、接地线等设备设施，专门设定巡检任务;或在隧道内部检修工作或其他作业开始前，设定专门任务对环境、设备运行状态进行确认，为确保设备、人员安全提供保障。

4）系统联动工作模式：通过将巡检机器人系统与隧道内部其他系统自动设备进行对接，在特殊情况下人员不能及时进入现场时，由巡检机器人系统直接控制现场自动设备进行作业;或由巡检机器人系统提供辅助声光信息，联动系统根据远程现场信息进行操作等。

3结语

1）文章所研究的隧道电网智能巡检机器人系统适合于90%以上的电缆隧道应用，智能巡检机器人系统的应用能有效地提升电缆隧道的科学管理水平。

2）该巡检机器人使用后，可为电缆设备的维护检修等工作提供历史数据，从而提高隧道内电缆智能化的监测水平，对于管理水平的提高有明显的帮助。

3）能够有效提高工作人员的安全系数并减少人员的劳动强度，缓解电力部门存在的结构性人员缺失状况;还能够降低突发事件的影响，提高应对突发事件的能力，减少因突发事件所造成的电缆停电，降低电缆的运行成本，提高智能化电网的运营能力，为电力部门做出贡献。