基于主站仿真的巡检机器红外模块检测系统

王斌 卓浩泽 蒋圣超 张炜 吕泽承

收稿日期：2023-06-24

基金项目：广西电网有限责任公司科技项目（GXKJXM20210296）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.017

摘  要：巡检机器红外模块的检测目前大多采用人工方式，存在效率低难溯源的问题。文章提出一种基于主站仿真的巡检机器红外模块检测系统，由测控装置、黑体辐射源、巡检子站后台系统组成。根据巡检子站与集控主站之间的统一通信协议，仿真巡检机器的主站系统。设计了检测系统的软件流程，实现由测控装置自动控制巡检机器完成红外模块的检测工作。试验结果表明了该系统的可行性，具有较高的自动化程度，提高了巡检机器红外模块检测的效率，适用于大批量的检测工作。

关键词：巡检机器；红外模块检测；主站仿真；REST构架；自动检测

中图分类号：TP242；TM63    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）04-0084-04

Infrared Module Detection System of Inspection Machine Based on

Master Station Simulation

WANG Bin， ZHUO Haoze， JIANG Shengchao， ZHANG Wei， LYU Zecheng

（Guangxi Key Laboratory of Intelligent Control and Maintenance of Power Equipment， Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Nanning  530023， China）

Abstract： At present， the detection of the infrared module of inspection machine mostly adopts manual method， which has the problem of low efficiency and difficult to trace the source. This paper proposes an infrared module detection system of inspection machines based on master station simulation， which consists of the measurement and control device， black body radiation source， and background system of inspection substations. According to the unified communication protocol between the inspection substation and the centralized control master station， the master station system of the inspection machine is simulated. The software flow of the detection system is designed to realize the automatic control of the inspection machine by the measurement and control device to complete the detection work of the infrared module. The test results show the feasibility of the system， which has a high degree of automation， improves the detection efficiency of the infrared module of the inspection machine， and is suitable for large-scale detection work.

Keywords： inspection machine; infrared module detection; master station simulation; REST framework; automatic detection

0  引  言

隨着数字电网的发展，越来越多的智能变电站使用巡检机器进行定期巡检工作。巡检机器配有红外任务设备、可见光相机、拾音器等检测设备与各种智能传感器装置，通过固定的巡检线路，自主地进行变电站内一次、二次设备的巡视工作[1]。

红外模块是巡检智能机器人的重要模块之一，变电站一次设备的红外测温数值代表着设备运行时的发热程度，巡检机器红外模块的准确率影响着巡检人员判断设备是否正常运行[2]。随着越来越多的巡检机器投入变电站巡检工作中，实验室和实际现场都亟须对大量的巡检机器红外模块进行入网测试、周期检验等工作。

目前，国内针对巡检机器红外模块的检测主要采用人工方式，由测试人员手动设置黑体源温度，再操作巡检机器对黑体辐射源进行红外测温，最后手动计算红外测温误差判断红外模块是否合格。人工测试方式需要测试人员具有熟练的巡检机器操作技巧，并时刻控制好测试流程的进展。现有人工检测方法存在自动化程度低，检测效率较低的问题。

为解决上述问题，本文基于仿真主站设计一种巡检机器红外模块检测系统，具有闭环的红外温度数据传递链。在设定好指定红外温度后，由系统的测控装置自动控制黑体辐射源发热，再通过仿真主站控制巡检机器进行红外测温作业，最后比较测温数据和设定温度间的误差。该巡检机器红外模块检测系统具有较高的自动化程度，能够提高检测效率，完成批量的检测工作。

1  系统硬件设计

巡检机器红外模块检测系统硬件结构如图1所示，由黑体辐射源、集控子站后台系统（巡检机器后台系统）、测控装置组成。红外温度值数据由测控装置下发给黑体辐射源，巡检机器红外模块对黑体辐射源进行红外测温，将红外测温值上传至集控子站后台系统，集控子站后台系统再将红外测温值上传至测控装置，最终由测控装置比较巡检机器红外测温值与最初红外温度设定值之间的误差。红外温度数据在此结构中为一个闭环流动，整个系统实现了巡检机器红外模块的自动化检测。

图1  巡检机器红外模块检测系统硬件结构图

1.1  黑体辐射源

黑体辐射源是一种用于检定或校准辐射温度计、具有稳定控制的温度和明确的发射率、且热辐射特性接近于黑体的凹形装置[3]。巡检机器在巡检过程中红外识别的对象一般是室外的变压器等设备，温度范围在30～120 ℃，所以本文采用中温黑体辐射源。黑体辐射源可通过人机交互界面或RS232通信接口设定指定温度值，由自身PID控制达到稳定均匀的温度辐射[4]。

1.2  集控子站后台管理系统

集控子站后台管理系统主要功能有机器人远程控制、巡检监控、数据统计、状态灯监控、仪表监控、巡检任务、音视频管理、告警中心、机器人语音配置、IDC资产中心等[5]。集控子站后台管理系统与巡检机器之间采用无线通信方式，且每个巡检机器厂家所采用的通信协并不统一，属于各厂家的私有通信协议[6]。本文的集控子站后台管理系统配置在试验场地，通过有线光纤与测控装置连接，接收测控装置下发的红外测温任务，以及上次巡检机器的红外测温结果数据。

1.3  测控装置

测控装置由CPU处理器、以太网芯片、MAX232芯片、显示器、键盘鼠标等组成。测控装置的RS232接口可与黑体辐射源连接，RJ45接口可与巡检机器集控子站后台管理系统相连。测控装置是整个系统测试流程的控制核心，并可仿真巡检机器集控主站的运行。集控主站仿真程序与集控子站后台管理系统实时交互，负责下发红外测温任务给集控子站后台管理系统，以及接收回传的巡检机器红外测温结果。

2  系统软件设计

2.1  巡检机器集控主站仿真

巡检机器对被测物体进行红外测温后，红外测温结果数据将通过2个网络传输到集控主站系统，依次是集控子站与巡检机器之间的无线通信網络、集控子站与集控主站之间的有线网络。集控子站与巡检机器之间的无线通信网络又各个巡检机器厂家制定，属于未统一的私有协议，因此在该网络下解析巡检数据比较困难。集控子站与集控主站之间的有线网络通信协议由国家电网制定，通信协议统一，各种厂家的巡检机器子站系统与其适配。因此可根据此网络的通信协议，解析巡检子站发送给主站的报文，得到巡检机器的红外测温数据。

巡检机器集控子站与集控主站之间的有线网络通信协议采用HTTP协议，属于应用层协议。该协议考虑了子站与主站之间通信协议的模块化、服务化，方便实现系统与系统之间的集成，因此网络接口API采用REST构架形式。REST全称Representational State Transfer，是一种架构原则，该构架将Web服务视为资源，可以由其URL唯一标识。RESTful Web服务的关键特点是明确使用HTTP方法来实现资源CURD操作[7]。巡检机器集控主站与集控子站的数据接口架构图如图2所示。

图2  集控主站与子站间数据接口架构图

巡检机器集控子站与集控主站之间交换的数据包格式为采用UTF-8编码的JSON（JavaScript Object Notation）格式，是一种轻量级的数据交换格式[8]。数据包按类型可分为请求数据包和应答数据包，数据包中的内容包含协议头和数据包两个部分，其中协议头的内容是固定的。对于媒体文件，包括可见光、红外抓拍图片、录音文件等文件，采用FTP或SFTP方式由子站上传至主站。

巡检机器集控子站与集控主站之间按照需要传输的数据类型，可将HTTP接口分为基础支持接口、巡检机器管理数据接口、巡检任务管理数据接口、巡检数据接口、文件接口共7大类。

1）基础支持接口。定义了主站接入子站的交互基础接口，目前主要包括子站接入服务、服务探测接口、服务配置信息交互接口等。

2）变电站信息数据接口。定义了变电站信息数据获取接口，目前主要包括变电站信息和地图获取接口。

3）巡检机器管理数据接口。子站将机器人各种状态信息实时主动上送主站；主站可主动查询机器人实时状态信息和发送机器人控制指令。

4）巡检任务管理接口。集控主站主动向子站下发巡检计划。

子站向主站主动上送当前任务信息，并提供历史任务查询接口。

5）巡检数据接口。子站将巡检数据主动上送主站，数据包括结构化数据和可见光、红外图片、录音文件等非结构化数据。其中结构化数据采用子站实时主动上送至主站方式，非结构化数据采用实时上传或集控定时召唤站端上传的方式异步延迟传输。

6）视音频接口。视音频流数据主要是指巡检机器实时、历史视音频数据，数据接口采用标准RTSP协议。

7）文件接口。采用FTP协议将文件上传到主站指定目录下，上传的文件类型包括地图文件、巡检可见光、红外图片、录音文件等。

按照上述通信协议中定义的接口HTTP地址和JSON数据格式，采用Qt开发并实现可运行于Linux系统下的通用巡检集控主站仿真程序。该仿真程序模拟巡检集控主站，通过调用巡检集控子站的REST API接口，下发巡检红外测温任务给巡检子站系统。同时，集控主站仿真程序实现的主站REST API接口可被集控子站系统调用，实时接收并解析集控子站系统发送的红外测温数据包。

2.2  巡检机器红外模块检测系统流程设计

本文以仿真巡检集控主站为核心，对巡检机器红外模块检测系统进行流程设计，流程图如图3所示。

图3  巡检机器红外模块检测软件流程图

首先，巡检机器红外模块检测系统启动巡检集控主站仿真程序。然后，系统通过该RS-232通信接口给黑体辐射源下发温度设定的指令，将辐射源温度设定为指定值。等待辐射源量值稳定后，主站仿真程序通过巡检任务管理API接口，发送红外测温的巡检指令给巡检集控子站，控制被测巡检机器使用红外相机对黑体辐射源进行红外测温作业。接着，主站仿真程序等待巡检机器完成对辐射源的红外测温作业，通过巡检数据API接口，接收巡检集控子站主动上传的红外测温结果JSON数据包，解析出巡检机器红外测温数据。最后，比较辐射源的设定温度值与巡检机器的红外测温作业结果值，计算巡检机器红外模块的测量误差是否符合要求。

根据变电站巡检机器检测技术规范和工作用辐射温度计标准中的红外测温准确率规定[9，10]，巡检机器红外模块的测量误差计算方法为：

式中tT为巡检机器红外测温值，tN为辐射源温度设定值。当 ，则认为被测电力巡检机器红外模块性能合格。

3  实验与研究

为验证本文提出的基于主站仿真的巡检机器红外模块检测系统的可行性和高效性，设定试验对一台待测变电站巡检机器进行测试。首先在巡检子站系统中设定好固定的红外巡检线路，将黑体源放置在巡检线路的终端。确保巡检机器在执行巡检任务时，红外摄像头正对黑体辐射源，并保持距离为5米。

在测控装置软件客户端上设定10组不同的温度设定值（30～120 ℃），如图4所示，点击开始测试，由测控装置控制黑体辐射源和巡检机器依次进行10次红外测温准确率试验。最后将巡检机器的实时测量值与黑体辐射源设置值进行比较，对于测量精度不低于±2 ℃或测量值乘以±2%中的绝对值大者，判定为机器人实时测量值满足要求。10组红外测温结果的准确率均应≥80%，即满足要求的机器人实时测量值应≥8。

红外测温正确率试验结果如表1所示，被测巡检机器完成10组不同温度值的红外测温。其中有1组试验结果的误差不满足要求，总体测温正确率为90%，满足准确率≥80%性能要求，最终判断被测巡检机器的红外模块为合格。通过10组不同温度的红外测温试验，验证了本自动测试系统的可行性。并且测试过程只需在监控装置中设定好10组不同的温度值，其余控制黑体辐射源和巡检机器的操作由系统自动完成，减少了人工参与，具有较高的自动化程度。

图4  巡检机器红外模块检测软件客户端

表1  巡检机器红外测温试验结果

试验序号 红外温度

设定值/ ℃ 红外测温

实际值/ ℃ 误差Δt / ℃ 是否满足要求

1 30 29 1 满足

2 40 36 4 满足

3 50 48.4 1.6 满足

4 60 58.2 1.8 满足

5 70 68.3 1.7 满足

6 80 79.6 0.4 满足

7 90 88.4 1.6 满足

8 100 96.8 3.2 不满足

9 110 109.6 0.4 满足

10 120 117.8 2.2 满足

4  结  论

本文设计了基于主站仿真的巡检机器红外模块检测系统，通过一组红外温度值的测试，验证了巡检机器红外模块检测系统的可行性。系统的测试流程由测控装置自动控制完成，减少了人工参与，提高了巡检机器红外测温试验的效率，使红外测温试验过程流程化、规范化，可适用于批量的测试工作。本文设计的系统目前仅考虑了巡检机器的红外模块测试，未来可扩展至其他功能模块的测试，比如可见光巡检能力检测。测试系统采用的装置较多，涉及的有线通信网络需要在室内搭建，尚未考虑室外环境下的测试，未来仍需改进以提高系统的便携性，方便巡检子站室外环境下的测试工作。

参考文献：

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[4] 张玉国，孙红胜，王加朋，等.宽温度范围大口径高精度变温标准黑体辐射源研制 [J].宇航计测技术，2022，42（3）：18-23.

[5] 于景，周国平.变电所轨道式巡检机器人控制系统设计与实现 [J].制造业自动化，2022，44（11）：123-127.

[6] 钱平，徐街明，張永，等.变电站巡检机器人监控系统实现技术与应用功能设计 [J].电力信息与通信技术，2017，15（12）：19-24.

[7] 周芯宇，陈伟，吴国全，等.REST API设计分析及实证研究 [J].软件学报，2022，33（9）：3271-3296.

[8] 周铀，王金生，汪建敏，等.一种基于JSON传输的IEC61850网分动态模型技术 [J].自动化技术与应用，2018，37（7）：68-71+88.

[9] 国家能源局.变电站巡检机器人检测技术规范：DL/T 2239-2021 [S].北京：中国电力出版社，2021.

[10] 全国温度计量技术委员会.工作用辐射温度计检定规程：JJG 856-2015 [S].北京：中国质检出版社，2016.

作者简介：王斌（1988—），男，瑶族，广西全州人，工程师，硕士，研究方向：电测热工计量测试技术研究；卓浩泽（1986—），男，汉族，安徽灵璧人，高级工程师，硕士，研究方向：电学计量技术研究；蒋圣超（1988—），男，瑶族，广西资源人，工程师，硕士，研究方向：高电压与绝缘技术研究；张炜（1983—），男，汉族，安徽枞阳人，高级工程师，硕士，研究方向：电力设备状态监测评价技术研究；吕泽承（1972—），男，壮族，广西武鸣人，高级工程师，硕士，研究方向：高压测试技术研究。