單蕾瑾， 余志慧，　戴詠夏， 章丹竺

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州　310009；2.杭州市新能源汽車服務(wù)有限公司，杭州　310012）

0　引言

隨著我國社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我國的汽車保有量不斷增加，在國家新能源汽車政策鼓勵和支持下，電動汽車充電站和充電樁等配套設(shè)施建設(shè)也迎來快速發(fā)展。2010—2016年，中國充電站保有量從76座增長至5 600座，年復(fù)合增長率達(dá)104.8%，公共充電樁數(shù)量從1 122個(gè)增長至15萬個(gè)，年復(fù)合增長率達(dá)126.1%。發(fā)展新能源汽車，特別是電動汽車，對于能源、環(huán)保等領(lǐng)域都具有重要意義，而充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)完善則是電動汽車普及發(fā)展的必要保障。但在充電設(shè)施大力建設(shè)和運(yùn)營過程中面臨著充電樁分布范圍廣、管理維護(hù)困難、缺乏有效監(jiān)控、充電車位被占用、充電樁被惡意破壞等問題，成為阻礙電動汽車發(fā)展的重要因素。

目前，大多數(shù)充電站通過安裝攝像機(jī)及探頭的方式，對站內(nèi)的環(huán)境、充電樁的運(yùn)行狀態(tài)及充電車位的使用情況進(jìn)行監(jiān)視。雖然提高了站內(nèi)人員對站內(nèi)整體運(yùn)行狀況的掌握，但仍然不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電樁的運(yùn)行故障及充電車位的占用問題[1-2]。

因此，針對目前充電站運(yùn)營中存在的問題，結(jié)合充電站實(shí)際情況，研發(fā)1套適應(yīng)于一般充電站環(huán)境、具有高防護(hù)能力和可靠性的充電站軌道機(jī)器人系統(tǒng)，完成對充電站的智能巡檢，可以使站內(nèi)工作人員實(shí)時(shí)掌控充電站充電樁及車位的狀態(tài)信息，提高充電站運(yùn)營的安全可靠性。

1　軌道智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

軌道智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)基于架設(shè)的軌道，實(shí)現(xiàn)的自主導(dǎo)航、精確定位、智能巡檢的移動平臺，集可見光、紅外、聲音等傳感器于一體，實(shí)現(xiàn)對充電站內(nèi)充電樁的在線監(jiān)控，將被檢測設(shè)備的視頻、聲音和紅外測溫?cái)?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控室；監(jiān)控后臺系統(tǒng)通過設(shè)備圖像處理模式識別等技術(shù)，結(jié)合設(shè)備圖像紅外專家?guī)?，?shí)現(xiàn)對設(shè)備缺陷、運(yùn)行狀態(tài)、外觀異常的判別；并配合智能車位鎖管理系統(tǒng)對充電車位智能管理。

1.1　系統(tǒng)組成

充電站軌道智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，如圖1所示，整體可分為3層，分別為基站層、通信層和終端層?；緦佑珊笈_監(jiān)控機(jī)、監(jiān)控后臺軟件及數(shù)據(jù)庫組成；通信層由電力載波儀、交換機(jī)等組成；終端層為充電站內(nèi)的軌道機(jī)器人及其附屬設(shè)備和充電樁的監(jiān)控終端。

軌道機(jī)器人沿軌道巡檢獲得的檢測信息通過電力載波儀、交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器等傳至充電站內(nèi)的監(jiān)控室中，在本地完成對機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的控制和充電樁運(yùn)行狀態(tài)的智能巡檢。

圖1　軌道機(jī)器人系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2　系統(tǒng)功能

充電站軌道智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)具備在線監(jiān)控、檢測功能、巡檢功能、分析處理功能和智能車位管理功能。此外，還具備自主避障功能，保障軌道機(jī)器人運(yùn)行的安全性。

1.2.1在線監(jiān)控

通過監(jiān)控后臺在線監(jiān)視軌道機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，在線監(jiān)視充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、溫度及充電車位使用情況；巡檢人員可在監(jiān)控后臺控制軌道機(jī)器人進(jìn)行充電站內(nèi)設(shè)備的巡視；可對機(jī)器人本體、云臺及檢測設(shè)備進(jìn)行手動控制；實(shí)現(xiàn)充電站內(nèi)設(shè)備巡視的本地及遠(yuǎn)程控制功能。

1.2.2檢測功能

檢測充電站內(nèi)充電樁的外觀、溫度及充電車位的使用情況；檢測充電站內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生情況；通過機(jī)器人沿L型軌道的運(yùn)動，對充電站內(nèi)設(shè)備的全方位、無死角智能巡檢；通過視頻服務(wù)器將采集到的信號傳輸至后臺分析軟件進(jìn)行處理。

1.2.3巡檢功能

巡檢機(jī)器人按預(yù)先規(guī)劃好的任務(wù)路徑沿軌道行駛對充電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行例行巡檢；手動控制巡檢機(jī)器人到達(dá)指定位置進(jìn)行特殊巡檢；自動調(diào)整云臺的角度和方向，拍攝檢測點(diǎn)的高清圖像。

1.2.4分析與處理功能

自動分析巡檢過程中拍攝的檢測點(diǎn)圖像，識別檢測點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)；自動智能分析設(shè)備故障或缺陷，根據(jù)分析結(jié)果自動報(bào)警，協(xié)助巡檢人員判別設(shè)備的故障；根據(jù)巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)生成巡檢設(shè)備報(bào)表。

1.2.5智能車位管理

檢測充電車位是否有車輛存在；車輛占用車位，不進(jìn)行充電或充電完成未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)離去，則告警提示用戶離開；充電樁終端智能控制車位鎖的起落，提示用戶充電或離開充電車位。

其中在線監(jiān)控、檢測功能和巡檢功能已在電力系統(tǒng)變電站中智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。

1.3　分析與處理功能

1.3.1紅外測溫與故障診斷

以非接觸測溫為基礎(chǔ)的紅外診斷技術(shù)在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，但是，目前主要使用的紅外熱像儀以手持形式為主。使用手持紅外熱像儀進(jìn)行電力設(shè)備診斷時(shí)，一般需要預(yù)先錄下關(guān)注點(diǎn)的圖像，然后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行離線分析，這樣并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測和及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題[7-8]。

該系統(tǒng)采取在線式紅外熱成像裝置，包括紅外圖像采集裝置、紅外圖像處理模塊、圖像顯示、存儲、查詢和報(bào)表生成模塊。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的充電設(shè)施正常運(yùn)行的溫度閾值和紅外裝置采集的紅外圖像，自動進(jìn)行判斷，對超出報(bào)警值的設(shè)備在監(jiān)控中心主控計(jì)算機(jī)上給出聲音和文本報(bào)警；借助紅外熱像和紅外圖譜識別，能判斷一些關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部溫度梯度，可以形成某一時(shí)刻充電站的某一充電設(shè)備的溫度曲線，也可以生成某一設(shè)備在一定歷史時(shí)間內(nèi)的時(shí)間的溫度曲線，從而可分析充電設(shè)施是否可能會發(fā)生故障。

1.3.2可見光圖像監(jiān)測與故障診斷

在一般的充電站圖像監(jiān)測系統(tǒng)中，特定的圖像經(jīng)攝像機(jī)和采集卡輸入到視頻服務(wù)器中，經(jīng)壓縮后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心同時(shí)顯示多個(gè)充電站的站內(nèi)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)圖像，運(yùn)營人員通過人工分析判斷充電設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。

該系統(tǒng)可在無人值守充電站先利用軌道機(jī)器人系統(tǒng)到達(dá)指定檢測點(diǎn)拍攝待檢設(shè)備關(guān)鍵區(qū)域的可見光圖像，并將圖像發(fā)送給監(jiān)控中心的監(jiān)控后臺中進(jìn)行圖像分析，在分析過程中首先對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，識別出被監(jiān)測的電力設(shè)備，通過將該圖像與上次采集的圖像進(jìn)行差圖像分析、累積圖像分析、相關(guān)分析、區(qū)域標(biāo)識、紋理描述和評判等處理，結(jié)合對應(yīng)設(shè)備的參數(shù)庫確定其是何設(shè)備，如果是儀表則識別出讀數(shù)。如果處于正常狀態(tài)則切換攝像機(jī)采集和分析下一幅圖像，如有畸變發(fā)生則存儲結(jié)果，并且監(jiān)控后臺發(fā)出告警信息，提醒運(yùn)營人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。運(yùn)營人員也可查詢數(shù)據(jù)庫中存儲的某設(shè)備圖像分析結(jié)果，了解某時(shí)間段內(nèi)此設(shè)備的運(yùn)行情況，提前預(yù)判此設(shè)備需要檢修的時(shí)間，降低設(shè)備故障運(yùn)行的發(fā)生率。

1.4　智能車位管理系統(tǒng)

針對充電車位被非充電車輛占用及充電車輛不及時(shí)離開的問題，系統(tǒng)中的智能車位管理系統(tǒng)功能可用于充電樁狀態(tài)、參數(shù)的監(jiān)測以及智能停車位管理，以解決充電車位的占用問題。

通過充電樁廠商提供相關(guān)通信數(shù)據(jù)傳輸接口讀取充電樁的狀態(tài)、電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸接口使用網(wǎng)口，采用TCP（傳輸控制協(xié)議）。充電樁、充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備、站級監(jiān)控主機(jī)、交換機(jī)通過網(wǎng)線相連接。車位鎖、充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備通過485總線相連接。車位鎖無車落下按鈕、充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備通過開關(guān)信號線相連接。在樁內(nèi)監(jiān)控設(shè)備與樁體及車位鎖監(jiān)控設(shè)備通信過程中，充電樁內(nèi)部監(jiān)控設(shè)備為客戶端，樁體及車位鎖監(jiān)控設(shè)備為服務(wù)器端。在樁體及車位鎖監(jiān)控與站級監(jiān)控通信過程中，樁體及車位鎖監(jiān)控為客戶端，站級監(jiān)控作為服務(wù)器端。智能車位管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　智能車位管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.4.1充電樁樁體監(jiān)控功能

充電樁樁體監(jiān)控主要為了方便運(yùn)營管理人員及時(shí)了解監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)，降低人工巡視工作量，為充電樁的安全有序運(yùn)營提供保障。

充電樁樁體監(jiān)控由站控層和間隔層兩部分構(gòu)成，采用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接。1臺充電樁發(fā)生故障而停運(yùn)時(shí)不影響其他充電樁的監(jiān)控。站控層由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的主機(jī)構(gòu)成，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能，形成全站充電樁的監(jiān)控管理中心。站控層設(shè)備集中布置于站內(nèi)監(jiān)控室內(nèi)。間隔層由充電樁監(jiān)控單元、自動化終端、間隔層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信接口設(shè)備構(gòu)成，完成面向單元設(shè)備的檢測控制功能。站控層采用基于TCP/IP協(xié)議的10M/100M高速以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)，間隔層采用實(shí)時(shí)、可靠、抗干擾性能好的現(xiàn)場總線。具備合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和信息處理機(jī)制，保證在正常運(yùn)行狀態(tài)及事故狀態(tài)下不出現(xiàn)因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重而導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)或嚴(yán)重影響系統(tǒng)速度的情況。

充電樁樁體監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有：充電樁參數(shù)狀態(tài)監(jiān)控、智能車位鎖狀態(tài)監(jiān)控等功能。充電樁參數(shù)狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)視的主要參數(shù)有：充電樁樁號、充電樁當(dāng)前狀態(tài)、充電槍連接狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電樁溫度、充電槍溫度、充電停止原因、當(dāng)前故障報(bào)警狀態(tài)、電池組最高溫度、電池組最低溫度、SOC（荷電狀態(tài)）等。智能車位鎖狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)視當(dāng)前車位鎖處于升起還是落下狀態(tài)，監(jiān)視車位中是否有車，控制車位鎖落下/升起等。

1.4.2智能車位管理功能

智能車位管理系統(tǒng)為規(guī)范用戶現(xiàn)場停車管理，發(fā)揮充電車位最大作用，防止充電車位被社會車輛隨意占用的問題。

智能車位管理系統(tǒng)包含站級監(jiān)控部分和樁側(cè)監(jiān)控部分。站級監(jiān)控部分通過與充電樁監(jiān)控設(shè)備通信遠(yuǎn)程監(jiān)視當(dāng)前車位鎖狀態(tài)、遙控車位鎖升起落下。樁側(cè)監(jiān)控部分通過充電樁監(jiān)控和各種傳感器智能監(jiān)視控制車位鎖升起落下，由以下幾部分構(gòu)成：充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備、智能車位鎖、車位鎖蜂鳴器、車位鎖中超聲感應(yīng)器、車位中超聲感應(yīng)器、車位鎖無車落下開關(guān)等。

車位鎖安裝示意如圖3所示。車位鎖安裝在車位前端，車位鎖帶有2個(gè)超聲感應(yīng)器，其中1個(gè)位于車位鎖蓋子頂部中心位置，另1個(gè)安裝于車位中央，超聲感應(yīng)器與車位鎖控制器之間通過信號線連接。車位鎖無車落下按鈕安裝于充電樁樁體上，通過信號線與充電樁和車位鎖控制設(shè)備相連接。充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備與車位鎖通過485總線相連，1臺充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備可以同時(shí)支持多個(gè)車位鎖控制。充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備對車位鎖進(jìn)行控制需要采集充電樁狀態(tài)、參數(shù)，與充電樁內(nèi)控制器之間通過以太網(wǎng)通信，1臺充電樁和車位鎖監(jiān)控設(shè)備支持多臺充電樁控制器信息采集。

智能車位管理的實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。此時(shí)地鎖處于初始開鎖狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測充電車輛進(jìn)入充電車位，語音提示車輛在5 min內(nèi)開始充電。

（2）若車輛在5 min之內(nèi)未開始充電，則語音提示車輛離開充電車位，若5 min后仍未離開充電車位或開始充電，則地鎖閉鎖。此時(shí)只能通過聯(lián)系充電站的運(yùn)營人員才能解鎖。

圖3　智能車位鎖安裝示意

（3）若車輛5 min之內(nèi)開始充電，完成充電5 min后仍未離開充電車位，則系統(tǒng)語音提示車輛離開充電車位，若5 min后仍未離開充電車位，則地鎖閉鎖。此時(shí)只能通過聯(lián)系充電站的運(yùn)營人員才能解鎖。

（4）若車輛5 min之內(nèi)開始充電，完成充電5 min內(nèi)離開充電車位，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，等待下一輛充電車輛的到達(dá)。

（5）系統(tǒng)具備檢測人為強(qiáng)壓地鎖的功能，當(dāng)檢測到有人強(qiáng)壓地鎖時(shí)，會發(fā)出告警提示，監(jiān)控后臺也會語音報(bào)警提示運(yùn)營人員。

2　軌道智能巡檢機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　軌道設(shè)計(jì)

軌道機(jī)器人軌道為L型軌道[9]，如圖4所示，采用工字型輕型鋁合金，在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置工字型鋁合金彎軌道，軌道半徑為100 mm，軌道采用吊掛裝置將其吊掛于車棚頂上。為便于攝像頭觀察充電樁屏幕且不影響行人行走和車輛的?？?，將攝像頭的離地高度定為2.5 m，距離充電樁1 m。

圖4　軌道機(jī)器人軌道示意

2.2　驅(qū)動設(shè)計(jì)

充電站軌道機(jī)器人驅(qū)動部分如圖5所示，采用齒輪傳動機(jī)構(gòu)，經(jīng)一級變速后帶動橡膠輪行走；工字鋁4個(gè)邊沿分別設(shè)置引導(dǎo)輪，引導(dǎo)機(jī)器人行走，防止行走時(shí)產(chǎn)生左右竄動；在工字鋁與橡膠輪相對的面設(shè)置引導(dǎo)輪，防止行走時(shí)產(chǎn)生跳動[10-16]。

軌道機(jī)器人行走輪裝置分為2個(gè)部分：電動機(jī)帶動的前輪和無驅(qū)動的后輪。前輪和后輪的安裝底板均放置回轉(zhuǎn)軸承，并與云臺的安裝底板連接，使轉(zhuǎn)彎時(shí)云臺不會產(chǎn)生晃動。

圖5　軌道機(jī)器人驅(qū)動設(shè)計(jì)

3　軌道智能巡檢機(jī)器人監(jiān)控后臺設(shè)計(jì)

軌道機(jī)器人的監(jiān)控后臺軟件采用了在傳統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建的面向業(yè)務(wù)的四層體系結(jié)構(gòu)，架構(gòu)如圖6所示。

（1）接入層：包括充電樁監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入、機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)及巡檢分析數(shù)據(jù)的接入、可見光設(shè)備及紅外設(shè)備視頻的接入。

（2）數(shù)據(jù)層：接收通過接入層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，包括充電站內(nèi)所有在線運(yùn)行充電樁的運(yùn)行數(shù)據(jù)、充電狀態(tài)等；機(jī)器人在線運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及巡檢任務(wù)數(shù)據(jù)；可見光設(shè)備的視頻及圖形數(shù)據(jù)及紅外設(shè)備的視頻和圖像數(shù)據(jù)。

（3）業(yè)務(wù)層：主要包含狀態(tài)監(jiān)控、視頻轉(zhuǎn)發(fā)、控制平臺、巡檢平臺、數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能模塊。

（4）展示層：主要支持可見光設(shè)備在線視頻的顯示；紅外設(shè)備在線視頻的顯示；軌道機(jī)器人運(yùn)行軌道地圖及巡檢任務(wù)執(zhí)行路徑的顯示；人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)控制命令和巡檢任務(wù)的執(zhí)行功能。

圖6　監(jiān)控后臺軟件架構(gòu)

4　應(yīng)用實(shí)例

此處研發(fā)的軌道式智能巡檢機(jī)器人已在浙江省杭州市香樟街國家電網(wǎng)充電站投入運(yùn)行，運(yùn)行實(shí)景圖如圖7所示。通過現(xiàn)場運(yùn)行證明，軌道機(jī)器人沿著架設(shè)的軌道對充電站充電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行智能識別實(shí)時(shí)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)了全天候、多層次、寬領(lǐng)域的巡視工作，有效地提高設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)掌握能力，可降低運(yùn)維人員的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了充電站運(yùn)營環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)管，為實(shí)現(xiàn)充電站的無人運(yùn)營提供了技術(shù)條件。

圖7　香樟路軌道機(jī)器人運(yùn)行實(shí)景

5　結(jié)語

針對目前充電站內(nèi)設(shè)備巡檢方法存在的缺陷和不足等問題，設(shè)計(jì)研制了一種適用于充電站運(yùn)營環(huán)境的軌道式智能巡檢機(jī)器人。對該機(jī)器人電力驅(qū)動系統(tǒng)主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型與校核，結(jié)果表明：該機(jī)器人的動力系統(tǒng)滿足要求?，F(xiàn)場運(yùn)行情況表明：該機(jī)器人能夠穩(wěn)定可靠地完成巡檢工作，并且將巡檢的數(shù)據(jù)傳送至后臺，進(jìn)行顯示、存儲與分析處理，并根據(jù)智能分析的結(jié)果對故障設(shè)備進(jìn)行告警提示，提高了充電站內(nèi)充電設(shè)施運(yùn)行的可靠性。