铁路变配电合建所智能巡检系统的研究与应用

张 锋

（国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北沧州 062350）

1 研究内容

传统牵引变配电所的运行维护普遍采用人工值班、定期动态巡视和计划检修预试等方式，保证所内电力设备的正常运行，受人员因素和环境状态影响，存在一定的安全隐患。智能化无人值守变配电站具有以下优点：①铁路变配电所智能巡检系统可对隔离开关（或断路器）运行位置和储能状态等设备状态进行智能分析；②可对一、二次设备运行温度进行自动检测、判断；③可对设备外观状态进行智能判断，如发现绝缘破损、闪络等；④利用模糊识别技术，可智能识别设备运行监测、监视仪表，并进行智能判断；⑤利用声音采集系统，可采集、上传变压器运行声音，可对GIS（气体绝缘开关）柜、电流互感器、电压互感器等设备进行识别，发现异常及时报警；⑥对发现的设备缺陷实现自动拍照与上传；⑦开发可人机交互并能实现智能控制的软件系统；⑧具备自主介绍、自动引导等高级功能的语音系统。需研究智能巡检系统在强电磁环境下的抗干扰能力。

2 技术关键

2.1 无人值守牵引所亭智能巡测系统

巡测机器人能够自动根据环境自构建地图并获取自身当前位置，设计巡检方案，通过采集实时信息与激光定位的方式绕过障碍物，绕过之后继续通过激光信息匹配规划路径返回预定轨道，实现自主导航。巡测机器人搭载红外热像仪、摄像头、温湿度传感器和拾音器等设备，实现对温度的检测、表计数据的自主读取、湿度的控制和声音的采集与预警等，从实时画面、实时数据、远程操控等多个方面，对牵引所亭的主变压器、AT自耦变压器、断路器、隔离开关、GIS、站内全景等进行全方面辅助监控，为生产过程提供全面、实时的决策依据。

2.2 牵引变电所设备检测高精度定位技术

在无轨化激光导航定位的基础之上，巡检操作机器人系统还将通过视觉图像识别系统辅助机器人进行高精度的定位，视觉系统通过图像处理技术，能够对目标设备的坐标点进行实时分析，得出坐标点数据，智能行走装置进行定位，以精确地对目标设备点进行操作。

2.3 大数据分析平台

搭建多状态量一体化分析平台，利用变电站后台，把巡检所需要的各类地图电子信息、任务监控信息及各类数据库资料保存并进行持久化；对单站数据能够重复叠加，对多站数据能够集中管理。同时，对机器人运行产生的记录进行实时存储，建立一个实时数据区方便各个模块进行实时数据交换。同时，具有历史查询、智能诊断、故障关联、生成巡测报表及故障预警等功能。

3 技术路线

3.1 铁路牵引变电所巡检智能化需求及相关可行性技术研究

通过对国内外研究资料的收集，以及对重点用户的走访，发现目前铁路牵引变电所对于巡检智能化存在强烈需求：①对变配电所电力设备的运行状态和站室环境进行巡测，实现全部设备关键节点温度和运行动态监测和异常预警；②通过移动视频巡测，实现夜间远程防盗、夜间远程调度、巡视等功能；③可视化界面和视频展示巡测数据，实时掌控变配电所运行状态；④综合门禁、安防、互联等系统对接，实现对变配电所全方位本地自动监控和远程管控；⑤最终实现变配电所的无人值守和安全智能管控。

3.2 多适应性全方位移动技术

机器人底盘驱动单元通过四轮独立驱动设计，四电机实现四驱四转，能原地旋转且不抖动，可实现原地转弯。经过各恶劣路况和模拟环境越野、越障、越沟、涉水及爬坡试验，同时通过高低温、振动等环境可靠性试验，用来验证底盘驱动单元的各性能指标。为了更好的实现避障、爬坡功能，加入减振器等避障元素，确保机器人在恶劣路况下长期稳定可靠运行。

3.3 无轨导航技术

无轨导航是不通过事先预埋磁轨或其他形式的轨道来实现巡检机器人自主行走的导航方案，该系统主要由激光雷达定位技术和导航控制技术组成。其定位方式包括两大核心技术，即地图等比构建技术和激光数据实时匹配定位技术。通过激光雷达、惯性测量单元与编码器的信息融合，使智能巡检机器人能够在复杂室外环境和激光数据受到干扰、车轮打滑等复杂情况下，采用传感器数据的冗余与交叉诊断技术，对受到干扰的信号进行隔离，进而保证机器人导航的可靠性。

3.4 高精度定位技术

将智能机器人置于作业场景中，机器人寻找最佳视野角度，当可以最优识别检测对象时，机器人使用系统的记忆功能记住当前位置形成预置位。当机器人执行巡检任务时，通过无轨导航技术到达特定位置，调取预置位，准确识别牵引变电所设备状态。

3.5 智能巡检系统在强电磁环境下的抗干扰能力

随着现代科学技术的发展，电气和电子设备的数量、种类不断增加，空间电磁环境变得日益复杂。在这种复杂的电磁环境下，如何减少相互间的电磁干扰，使各设备不受干扰影响而相容地正常工作，是迫切需要研究的课题。

4 功能指标

牵引变电所智能机器人巡检管理系统，运用无轨化导航技术、多业务系统集中控制、室内室外全覆盖、多信息集中分析判别、智能故障定位、故障报警、地形适应性技术、智能运维技术，通过模块化设计，实现全天候工作。主要体现在以下7个方面：①基于无轨化导航技术，机器人按照预先设定的路径及任务进行巡测，可识别各种表计及指示灯，并自动分析生成数据报表，同时可以对故障进行报警，实现整个主厂房全方位全覆盖的无人化管理；②牵引变电所智能机器人巡检管理系统搭建多状态量一体化数据识别和分析平台，把移动机器人多业务单元采集的数据统一识别及存储管理，并建立一个实时数据区，方便各个模块进行实时数据的交互；③多信息集中分析判别并进行智能故障定位，对故障点及时报警提醒；④地形适应性技术采用激光雷达的导航方案匹配地形，在具备一定环境特征的各类室内外环境下均可通用，可以真正做到一套方案全环境通用；⑤可分类整理运行信息、智能判断异常信息的智能运维系统，可提示异常的位置、原因及对异常进行预测、排查和准确定位；⑥采用层次清晰的模块化设计，应具有良好的架构设计、稳定性和扩展性，当某个模块异常时，不影响其他模块的正常运行；⑦满足在恶劣气象环境、任何时段条件下的巡视检测和数据传输。

5 直接经济效益分析

大幅降低牵引变电所人力成本：机器人投入后可在第二年回收成本，单站第2年可节约成本35万元，10年可节约成本535万元。以某供电段既有的21个站为例，第2年可节约成本10万元（由于维护人员和管理人员在单站与21个站的数量配比非线性，故总成本节约为非线性关系），10年可节约成本7610万元；以30人机器人团队可管辖的60个站为例，第2年可节约成本1740万元，10年最少可节约成本3亿元（表1、表2）。

表1 单站盈亏点分析

表2 21个站盈亏点分析

6 积极意义

牵引所巡测机器人的推广应用，将成为铁路新工业化、智能化建设的亮点，提升应用单位的智慧化水平，更有助于提升我国重载铁路在国内外的形象地位，创造更高的社会效益和经济效益。

（1）规范地面供电设备作业流程，加强安全管理。采用牵引所巡测机器人可以规范牵引所设备的巡视流程，减少人员人身伤害。保证安全生产管理资源得到充分利用，减少生产管理成本，提高安全生产管理工作效率，充分发挥安全生产管理成果在宏观和微观领域的作用，使安全生产管理的成果成为企业决策的重要依据。

（2）提高工作的安全性，保证员工生命安全，家庭幸福。当遇到雷暴、台风、暴雨、严寒、酷暑、深夜等情况，人员无法顺利实行室外巡视时，可以使用全天候的智能自主移动巡视监测系统对室外设备进行巡视、对变电所周边环境进行监视，减少人员人身伤害事件发生。

（3）完善地面设备智能化巡测标准，提升牵引所巡测的整体管理水平。将先进的智能技术、检测方法和手段运用于牵引所设备巡测中，用新技术辅助生产运行人员充分发挥其专业技能，在安全生产领域高效地开展生产工作、交流生产运行经验、共享生产运行方法，共同提高专业技能水平，从而有助于提升牵引所的整体管理水平，提高企业竞争力。

高速铁路牵引所亭智能巡测系统的推广应用，必将产生巨大的经济效益和社会效益，是未来智慧铁路的智能化应用趋势。