“5G 技术+人工智能巡检机器人系统”在广播电视发射台的应用研究

于海泉 吴金友 梁秀文

（作者单位：1.哈尔滨广播器材有限责任公司；2.四川省广播电视局520台；3.四川省广播电视新闻与传播研究所）

随着5G 移动通信技术、人工智能技术、大数据技术、云计算、物联网、区块链的快速发展，广播电视发射台为满足“安全播出管理智慧化、设备巡检巡查智能化”的发展需要，将5G 技术、大数据分析技术与发射台发射设备、设施巡检方式相结合，利用5G 通信技术的高可靠性、低时延性，采用物联网技术、人工智能技术、图像识别建模技术、算法技术，实现机器人系统对发射设备、设施的智能巡检、运行状态的“全要素”感知与掌控，运用大数据分析技术、云计算技术，实现发射台对发射设备运行状态的“绩效评估”和安全播出数据信息的二次挖掘利用。

1 智能巡检机器人系统概述

目前，广播电视无线发射台对播出设备的巡查、巡检，主要采用人工方式，遵循着定期巡机、定时抄表的传统方式。人工巡检时，值班、值守人员必须现场查看，造成人力、物力的资源浪费。设备巡检效率也受到技术人员业务能力、工作经验、精神状态等多种因素的影响，漏检、误检的情形时有发生，严重影响节目信号传输安全和播出安全。“5G 技术+人工智能巡检机器人系统”在广播电视发射台的应用，标志着日常巡检方式由传统的人工巡检，开始向智能巡检方式转变；安全播出管理方式，开始向“综合管理、大数据分析、平台控制、远程操控、实时反馈、辅助诊断”的方向转变。其通过对信号源设备、发射设备、供电设备、播出设施的“全方位、全时域、全自主”智能巡查、巡检覆盖，实时感知设备运行态势，利用运行参数数据来分析发射设备、设施的运行态势，梳理出故障排除建议，以便发射台站技术人员及时排除设备设施运行故障和消除安全播出隐患。巡检机器人系统，如图1 所示：

图1 巡检机器人系统示意图

2 发射台应用需求分析和解决方案

2.1 动态环境监测

2.1.1 实际应用需求分析

广播电视发射机房、信号源机房、供电机房、天线调配动态环境监测设施，由于建设时间较早，其接口和使用设备的接口不一致，多数是“孤立”地采集数据信息，数据共享和协同性差，巡检工作量大、巡检项目多，运行维护人员难以按照台站实际业务发展需求，智能完成“全方位、全时域、全自主”的巡检覆盖。

2.1.2 解决方案

（1）统一接口、实时采集。与孤立采集机房温湿度、烟雾及粉尘数据的设备统一接口，实现数据的统一实时采集和信息分析管理。

（2）集中管控。通过扩展巡检系统应用层，将功能模块数据统一对接，实现集中反馈，集中分析管理。

（3）报警分析。根据预设阈值，检测、分析异常数据信息；在控制台呈现预警/告警信息，以提示值班、值守人员，根据预案快速处置。

2.2 设备巡检

2.2.1 实际应用需求分析

（1）“故障预警”缺失。总控室内值班人员实时值守，而发射机房无人值守，在设备、设施故障发生的前期，难以及时发现，不能“故障预警”，只能“故障后响应”。

（2）协作方式单一。缺乏智能化、自动化巡检方式，缺少运维群控策略，运维团队协作方式单一。

2.2.2 解决方案

（1）实时采集。巡检机器人系统采用的工业级云台相机，具备高清1080P 图像“视觉”采集功能，自动对运行设备进行数据采集，如对发射设备、信号源设备、阻抗变换设备、供配电设备、降温设备、新风系统等进行周期式巡检，实时采集设备运行状态，实现轨迹跟踪、数据查询，便于值班、值守人员掌握设备运行状态及播出环境状况，确保数据信息实时计算分析。

（2）播出设备运行状态智能识别。巡检机器人系统对采集的设备运行数据信息进行深度学习和切片计算。通过提取设备、设施运行参数，智能识别控制开关工作状态，并进行状态甄别和故障判别。当检测到异常，巡检机器人系统平台呈现告警信息，提示值班人员按照预案快速处置。

（3）报表生成。巡检机器人系统在结束单次巡检任务后，生成巡检报表，形成巡检数据历史统计，为大数据分析提供样本依据。

2.3 统一数据管理

2.3.1 实际应用需求分析

缺乏统一控制。巡检数据未整合，新风系统、降温设备业务单元，仍需人工巡检、人工操作，无法做到实时分析所有设备运维巡检数据，统一对平台进行管理控制。

2.3.2 解决方案

（1）统一数据。将多个机房内需要巡检的设备，统一规划，统一制定巡检路线，在平台统一生成巡检分析报告。

（2）三级调度管理。机房—总控制室—安全播出管理平台，每一级都有相应的操作和控制权限。

3 系统关键技术

3.1 智能图像识别

根据预设设备图像样本数据，识别不同模式下的巡检目标和对象，自动提取设备运行参数和数据表值，智能识别开关、指示灯工作运行状态，包括常亮、常灭、闪烁状态、颜色变化等状态。

3.2 数据算法、信息分析

巡检机器人系统通过“视觉”高清摄像机，完成巡检视频图像的数据信息采集，通过高精度图像识别建模算法，采用图像数据预处理方式，来提取图像信息、设备状态参数、音频数据的特征值，对数据进行理解归类、建模和算法分析。同时，系统平台能够对单点检测数据进行历史追溯分析，生成设备故障诊断和故障排查建议，从而辅助技术人员全面分析判断发射设备、播出设施的运行状态信息。

3.3 数据挖掘和二次利用

利用数据挖掘算法，挖掘出设备运行状态、运行指标变化与故障之间的关联关系，分析设备发生故障前的异常特征，预判故障变化趋势的特征值。通过预判设备可能出现的故障，利用参数特征值，预判故障出现的“级别”，从而预判态势、掌握故障发展趋势，多维度为预防故障和消除隐患提供参考数据。

3.4 异常检测与诊断

通过对发射设备运行数据进行实时监测和大数据分析，可以检测出发射设备的异常行为和异常数据。大数据分析技术可以识别出数据中的异常模式和异常趋势，从而帮助定位故障的位置和原因。运行维护人员可以根据异常检测结果进行进一步的故障诊断和排查。

3.5 故障根因分析

利用大数据分析技术，结合历史数据和故障模式，可以对发射设备故障进行深入分析，找出故障发生的根本原因。通过分析发射机的运行数据、设备状态数据和环境数据等，可以确定故障发生的因素，并找出解决问题的最佳方案。

4 系统实现的功能

4.1 自主巡检

按照设定的运行图执行自主巡检，模式主要包括日常自主巡检、故障确认巡检、半自主巡检、特殊方式巡检等。机器人搭载视觉高清摄像机、高灵敏红外热成像仪、拾音器等设备，按照模式预设，完成对巡检设备的可见光高清拍照、表值参数提取。将数据自动传输到平台管理系统储存、分析、识别、对比，生成巡检分析报告。

4.2 远程操控巡检

通过平台远程操控机器人巡检系统，实现对设备运行状态锁定监测①。在机器人自动巡检过程中，如果检测到（发现）设备异常，系统就会出现预警/告警，工作人员可以使用远程操控平台或遥控手柄，操控巡检机器人快速到达异常设备位置，及时锁定监测，确认设备故障信息，以便值班人员按照应急预案快速处置。

4.3 局部放电检测

巡检机器人系统搭载“放电”监测传感器，用于地电波（TEV）和超声波（AE）的放电检测。当检测到设备局部放电时触发报警，提示技术人员到达现场处置。

5 系统架构

“5G 技术+人工智能巡检机器人系统”，集自主巡检、运行参数提取、红外测温、粉尘监控、设备状态甄别、数据智能分析等功能于一体，实现对巡检区域设备运行状态的实时采集、图像识别、算法比对、大数据分析、巡检数据管理。巡检机器人系统架构，如图2 所示：

图2 巡检机器人系统架构示意图

5.1 本地和远程控制

远程控制由多个本地控制组成，可同时操控多个巡检机器人，实现信息采集和数据分析。其模块包括实时数据信息采集模块、统计模块、图像识别模块、数据算法模块、巡检报告建议生成模块、运行图预设模块、巡检数据管理模块、功能控制模块。除了可以控制机器人执行相关巡检任务外，其还具有数据采集、储存、检索、巡检历史追溯和分析功能。

5.2 通信平台

采用5G 移动通信技术、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC），实现逻辑控制和时序控制功能；通过Wi-Fi 组网，实现控制系统与巡检机器人系统通信功能。为机器人提供大于50 Mbps的有效带宽进行网络数据传输，确保系统控制信号、高清图像、图片、音频数据及报警信息有效、可靠传输。

6 巡检业务流程

6.1 系统模式预设

通过预设运行图、预设启动时间，智能巡检机器人可自主按照设定功能和模式，执行巡查、巡检任务，巡检模式包括全自主、半自主和远程操控巡检。

6.2 设备状态判别

机器人到达目标位置后，自动识别设备，自动判别运行状态，自动甄别开关、指示灯工作状态，自动提取设备运行参数，并将管理数据信息实时回传到平台系统进行分析计算。机器人对设备状态的识别，如图3 所示：

图3 设备状态识别示意图

6.3 故障隐患诊断

系统根据故障隐患分析结果和异常状态特征，进行故障特征选择，使用故障诊断算法进行故障识别和故障原因分析。故障诊断算法根据已知故障模式、故障特征和历史故障数据，对实时监测数据进行匹配和推理，确定故障类型和故障原因。根据实时监测数据、故障检测结果以及设置报警的规则和阈值，当数据超出设定范围或故障被检测到时，触发预警告警。

6.4 异常趋势分析

通过对实时数据进行故障趋势分析，关注数据变化和周期性发展趋势。通过趋势分析可以发现发射机设备潜在故障隐患或异常趋势，例如运行参数呈逐渐增加或递减的趋势、突然变化点位置。利用异常检测算法，对实时监测数据进行异常检测。通过检测故障隐患数据中的异常变化值，发现潜在故障隐患。

6.5 数据算法分析

系统对智能巡检机器人前端回传的图像、图片、数据、声音、设备温度、环境温/湿度、粉尘等数据，进行存储、特征值提取、图像比对、大数据分析和二次挖掘。

6.6 告警与联动

机器人系统在巡检设备的过程中，通过信息数据参数值分析、预设阈值对比、设备运行数据库比对、状态趋势分析等，对异常信息数据，通过可视化界面、声光告警进行自动预警告警，及时提示值班值守人员排查。当后台将数据判定为异常时，监控软件界面会出现告警信息列表，值班值守人员可通过操作查看告警信息，快速处理。

6.7 生成巡检分析报告

对数据信息进行标准整理和排序，通过数据交换子系统，将相应数据发送给管理系统，生成巡检报告和人工巡检作业建议，实现设备巡检作业的“全过程、闭环管理”。对巡检作业全过程进行监管，实现对发射设备、播出设施运行状态的“绩效评价”。

7 结语

人工智能巡检机器人系统可以按照发射台设定的巡检时间、项目和内容，对播出设备设施实时数据进行自动采集、智能分析，并提供检修维护建议，类似于把设备运维技术人员的“腿、眼、耳、思维”前置。

（1）通过本地或远程操控巡检系统，执行巡检任务，采集设备实时运行数据信息并发送到平台数据处理系统，减少人工现场巡检，避免来回奔波，巡检机器人系统实际充当了设备运维技术人员的“腿”。

（2）对巡检目标设备运行状态进行甄别，对设备开关、指示灯状态进行辨别，减轻人工现场巡检的工作量，巡检机器人系统实际充当了运维技术人员的“眼”。

（3）采集设备运行声音，与样本音频数据进行声谱建模比对、计算分析；及时发现设备故障点，巡检机器人系统实际充当了运维技术人员的“耳”。

（4）根据设备运行数据信息，与预设样本数据建模比对、计算，通过大数据分析，对数据信息进行挖掘和二次利用，同时自动生成设备巡检建议和总结报告，巡检机器人系统实际充当了运维技术人员的“思维”。

“5G 技术+人工智能巡检机器人系统”在广播电视发射台的应用，弥补了粗放式、固定式人工巡查、巡检的不足，可降低值班、值守人员的劳动强度。除实现正常设备巡检、巡查外，还可实现在发射台安全播出保障期、重要播出时段，对发射设备、设施运行状态的快速巡查，以及实现大风、强降雨、强雷电天气对发射设备、设施的快速巡检、巡查，为发射台的“安播管理智慧化、设备运行自动化、设备巡检智能化”发展，以及以后将实行的“无人值班、有人留守”管理方式，提供安全播出科技支撑和安全防范保障。