劉 鶴，劉芬香，伍 林

（1.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安625304；2.成都大匯智聯(lián)科技有限公司，四川 成都610000）

設(shè)備巡檢作為水電站運(yùn)行管理的一項(xiàng)重要工作，目前各水電站普遍采用人工巡查監(jiān)控上位機(jī)信息和定期現(xiàn)場巡檢相結(jié)合的方式進(jìn)行。該方式的不足之處體現(xiàn)在：首先是受限于當(dāng)前傳感技術(shù)，尚不能檢測水電站現(xiàn)場常見的油水管路及閥門漏水、機(jī)械表計(jì)示數(shù)異常、放電等缺陷信息，因此上位機(jī)無法采集該類缺陷信息；其次是采用定期現(xiàn)場巡檢方式（即通過每日按計(jì)劃安排生產(chǎn)人員對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行若干次的巡查，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)備的隱患和缺陷）存在以下不足[1]：

（1）可靠性低。人工巡檢的工作質(zhì)量受巡檢人員經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心、身心狀態(tài)、技能水平等因素影響大，導(dǎo)致巡檢質(zhì)量不可控，容易發(fā)生漏檢等情況。

（2）追溯性低。依靠手工抄錄數(shù)據(jù)和記錄故障現(xiàn)象，不能形成標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)描述，對巡檢數(shù)據(jù)也無法高效分析，不利于缺陷的判斷。

（3）存在人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。水電站高壓、濕滑等不利環(huán)境因素多，人員頻繁開展現(xiàn)場巡檢發(fā)生人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)較高。

目前，水電站開始采用“無人值班（少人值守）”的生產(chǎn)模式，部分電站也在積極開展智慧電廠建設(shè)探索，應(yīng)用智能化的技術(shù)手段逐漸代替人員的現(xiàn)場工作[2]，切實(shí)減少現(xiàn)場人員的數(shù)量，因此迫切需要設(shè)計(jì)開發(fā)水電站智能巡檢系統(tǒng)開展現(xiàn)場設(shè)備巡檢，完成水電站的日常巡檢任務(wù)，從而替代人、解脫人和超越人[3]。

本文針對水電站變革巡檢方式需求，從解決巡檢中“走到、看到、聽到、聞到、摸到、分析到”的感知入手，提出了移動(dòng)監(jiān)測與固定監(jiān)測相結(jié)合、視覺識別與數(shù)據(jù)綜合分析應(yīng)用相結(jié)合、前端設(shè)備采集與后臺(tái)系統(tǒng)分析相結(jié)合的巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，充分利用電站綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)和全面的設(shè)備數(shù)據(jù)信息[4]，科學(xué)構(gòu)建系統(tǒng)總體架構(gòu)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，在不大量增加設(shè)備改造成本的前提下，完成了水電站智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

1 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)旨在代替人員完成巡檢工作中對設(shè)備的“望”“聞”“問”“切”等工作，通過采集圖像、聲音、溫濕度和完善的電站數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)視覺識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，使之具備“智能”能力，代替人員的巡檢工作。系統(tǒng)具備以下特征：

（1）具備更明亮的“眼睛”：應(yīng)用巡檢機(jī)器人和電站工業(yè)電視高清攝像機(jī)，根據(jù)需要增加攝像機(jī)和紅外熱成像儀，完善視覺功能。

（2）具備更敏銳的“耳朵”：在風(fēng)洞、水車室、水輪機(jī)人孔門等部位增加聲音采集傳感器，記錄感知特殊工況下設(shè)備產(chǎn)生的異常聲音。

（3）具備更靈敏的“鼻子”：合理選用傳感器讓系統(tǒng)能感知現(xiàn)場的特殊氣體成分。

（4）具備更敏感的“觸覺”：利用高精度的紅外測溫手段，讓智能巡檢系統(tǒng)具有更敏感的溫度感知能力。

（5）具備更聰明的“大腦”：通過開發(fā)視覺識別算法模型、設(shè)備故障分析診斷模型、智能聯(lián)動(dòng)告警模型等，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)、圖像等信息的分析和識別，智能判別設(shè)備缺陷并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息通知生產(chǎn)人員處理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能巡檢系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包括硬件系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、系統(tǒng)軟件架構(gòu)兩部分。

2.1 硬件系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

水電站智能巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)備分為前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和后端管理平臺(tái)系統(tǒng)3部分，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括智能巡檢機(jī)器人、高清可見光攝像機(jī)、紅外熱成像測溫?cái)z像機(jī)、聲音監(jiān)測裝置等傳感設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)包括交換機(jī)、無線WIFI設(shè)備、網(wǎng)線和光纜等，后端管理平臺(tái)系統(tǒng)主要為服務(wù)器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備[5]。其典型系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巡檢系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用B/S架構(gòu)方案，整個(gè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)源層、基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、中間件層、功能層和表現(xiàn)層，其中功能層為巡檢系統(tǒng)的核心功能，主要包括：系統(tǒng)管理、終端管理、巡檢管理、資產(chǎn)管理、可視化管理等功能。軟件功能總體架構(gòu)如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)部署方式

該水電站智能巡檢系統(tǒng)采用虛擬化部署方案。智能巡檢系統(tǒng)將軟件系統(tǒng)整體部署在基于虛擬化技術(shù)的超融合平臺(tái)上，應(yīng)用云計(jì)算、云存儲(chǔ)、虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，滿足系統(tǒng)運(yùn)行對于資源高性能、高可靠、高安全性和高可適應(yīng)性的要求。通過虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，將整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)拆分為超融合基礎(chǔ)設(shè)施、云管理平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用層3部分。

3 系統(tǒng)功能

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)視功能

實(shí)時(shí)監(jiān)視功能以“數(shù)據(jù)形象，多維度，多層展示”為核心，根據(jù)需求自動(dòng)采集各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過常見的圖表（柱形圖、直線圖、餅圖、雷達(dá)圖等）方式展現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)，將數(shù)據(jù)更加直觀地提供給生產(chǎn)人員。具體模塊有：

圖2 巡檢系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖

（1）設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)。展示當(dāng)前巡檢結(jié)果，用數(shù)據(jù)化的方式展示設(shè)備巡檢點(diǎn)的正常、異常數(shù)量，使人員能直觀了解設(shè)備整體運(yùn)行狀況。

（2）異常情況分布展示。按系統(tǒng)單元維度來展示巡檢發(fā)現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前年/月/日與上一個(gè)年/月/日的報(bào)警情況，便于對比分析。

（3）告警列表。可以查看并處理實(shí)時(shí)告警，并確認(rèn)報(bào)警。

（4）水電站電子地圖。構(gòu)建電站的空間電子地圖，實(shí)時(shí)展示巡檢機(jī)器人、高清攝像機(jī)、紅外熱成像、傳感器（溫度傳感）等巡檢終端的分布情況。

（5）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看功能。按設(shè)備和空間兩個(gè)維度調(diào)取機(jī)器人或者視頻流數(shù)據(jù)、圖像識別結(jié)果數(shù)據(jù)或者聲音數(shù)據(jù)。

3.2 終端設(shè)備管理與控制

以終端類型分布、系統(tǒng)終端分布、終端空間分布的維度展示智能巡檢系統(tǒng)內(nèi)終端設(shè)備的分布情況，使用戶能直觀了解終端設(shè)備狀態(tài)。同時(shí)，在系統(tǒng)畫面中也可以實(shí)現(xiàn)對巡檢機(jī)器人、高清攝像機(jī)、紅外熱成像、聲音監(jiān)測裝置等采集信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)取和控制。

3.3 視覺識別

視覺識別融合了圖像分析處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能等多項(xiàng)技術(shù)，其發(fā)展目標(biāo)在于在監(jiān)視場景與事件描述之間建立一種映射關(guān)系，使計(jì)算機(jī)從紛繁的視頻圖像中分辯、識別出關(guān)鍵目標(biāo)物體。

本系統(tǒng)的視覺識別模型包括機(jī)械表識別模型、數(shù)字表識別模型、指示燈識別模型、壓板識別模型、油位計(jì)識別模型、漏油漏液識別模型等。

在指示燈、壓板、表計(jì)等設(shè)備的視覺識別上，系統(tǒng)采用的識別方法包括縮放、模糊等圖像預(yù)處理，獲得多幅預(yù)處理圖像；再通過目標(biāo)區(qū)域成像信息，提取目標(biāo)區(qū)域的多個(gè)特征，如紋理（LBP）特征、顏色（LUV、HSV）特征、邊緣梯度（HOG）特征等，來建立一個(gè)設(shè)備輪廓的分類器（如SVM支持向量機(jī)、樸素貝葉斯、決策樹等），形成識別模型。在設(shè)備漏油漏液識別上，采用高斯背景建模，利用背景檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體自動(dòng)檢測。

3.4 巡檢任務(wù)管理

系統(tǒng)能夠根據(jù)水電站實(shí)際管理需要提供多種巡檢方案：

（1）日常巡檢：可按照用戶需求設(shè)置定時(shí)巡檢計(jì)劃，定時(shí)啟動(dòng)機(jī)器人、攝像頭進(jìn)行可視區(qū)域內(nèi)設(shè)備的巡檢；

（2）特例巡檢：可設(shè)置需重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的特例巡檢，提高特例巡檢區(qū)域的巡檢頻次；

（3）事故巡檢：事故情況下，可建立臨時(shí)巡檢任務(wù)，自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)器人或攝像頭至故障區(qū)域進(jìn)行巡檢，實(shí)時(shí)采集傳輸圖像供人員查看。

3.5 數(shù)據(jù)分析與管理

（1）綜合智能分析。系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行圖像識別結(jié)果、溫度、聲音等數(shù)據(jù)綜合分析，判斷出設(shè)備異常狀態(tài)，并提醒生產(chǎn)人員，提高故障的分析和處理效率。

（2）歷史數(shù)據(jù)分析。根據(jù)巡檢機(jī)器人、智能監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)可按照設(shè)備樹進(jìn)行設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、缺陷分析，同時(shí)也具備同類設(shè)備的橫向?qū)Ρ裙δ堋?/p>

（3）報(bào)告自動(dòng)生成功能。智能巡檢系統(tǒng)每執(zhí)行一次巡檢任務(wù)自動(dòng)生成巡檢報(bào)告。報(bào)告格式按用戶需求設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括：本次巡檢任務(wù)的巡檢地點(diǎn)、巡檢時(shí)間、本次任務(wù)完成的巡檢點(diǎn)、每個(gè)巡檢點(diǎn)中的設(shè)備讀數(shù)值、判斷讀數(shù)是否在閾值范圍內(nèi)。巡檢報(bào)告中附有系統(tǒng)巡檢時(shí)拍攝并經(jīng)過視覺識別處理的圖片。

3.6 聯(lián)動(dòng)管理功能

聯(lián)動(dòng)管理是通過智能巡檢系統(tǒng)與綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)的對接，實(shí)現(xiàn)與ON-CALL系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等系統(tǒng)的互聯(lián)互通，建立電廠中各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)和快速反應(yīng)機(jī)制，協(xié)助運(yùn)維人員快速處理事故現(xiàn)場。

（1）告警聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)接收到綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)備報(bào)警信息或者內(nèi)部報(bào)警，能聯(lián)動(dòng)設(shè)備及其相關(guān)區(qū)域內(nèi)的巡檢機(jī)器人、智能監(jiān)測設(shè)備切換到現(xiàn)場識別確認(rèn)并保存現(xiàn)場畫面。系統(tǒng)巡檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，能夠?qū)崟r(shí)聯(lián)動(dòng)電站ON-CALL系統(tǒng)，發(fā)出設(shè)備異常告警信息，通知生產(chǎn)人員進(jìn)行處理。

（2）事故聯(lián)動(dòng)。事故跳閘事件發(fā)生后，事故設(shè)備及其相關(guān)區(qū)域內(nèi)巡檢機(jī)器人、智能監(jiān)測設(shè)備切換到現(xiàn)場，進(jìn)行事故確認(rèn)并啟動(dòng)錄像。

4 應(yīng)用情況

目前，水電站智能巡檢系統(tǒng)已在瀑布溝電站全面應(yīng)用。系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的巡檢頻次自動(dòng)啟動(dòng)智能巡檢機(jī)器人執(zhí)行設(shè)備巡檢任務(wù)，實(shí)時(shí)采集分析工業(yè)電視攝像頭、紅外熱成像儀、聲音傳感器等多元信息，智能識別設(shè)備指示燈狀態(tài)、保護(hù)壓板及把手位置、設(shè)備滲漏缺陷、表計(jì)及液位讀數(shù)、設(shè)備及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)信息。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)多次準(zhǔn)確地識別發(fā)現(xiàn)運(yùn)行設(shè)備的管路漏水、設(shè)備狀態(tài)異常等設(shè)備缺陷，并及時(shí)通過ON-CALL系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，充分驗(yàn)證了水電站智能巡檢系統(tǒng)可以有效地代替生產(chǎn)人員開展現(xiàn)場設(shè)備巡檢工作。

圖3 智能巡檢系統(tǒng)主界面

5 結(jié)語

水電站智能巡檢系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)人工巡檢方式的靈活性，也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工巡檢存在的時(shí)效性差、質(zhì)量參差不齊的缺陷和不足，能夠有效降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度和水電站運(yùn)維成本。水電站智能巡檢系統(tǒng)的成功研發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全天候、全方位、全自主的智能化設(shè)備巡檢，提升了巡檢作業(yè)的智能化管控水平，為無人值班（少人值守）電站建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和可靠支撐，也為水電站開展智慧化電廠建設(shè)進(jìn)行了有益的探索[6]。