阮綿暉 黃順濤 裴星宇

摘? 要：針對(duì)電纜隧道巡檢環(huán)境的復(fù)雜性，巡檢數(shù)據(jù)依賴于人工分析處理效率較低等問(wèn)題，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)識(shí)別和環(huán)境檢測(cè)?；贔lask框架設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了含數(shù)據(jù)獲取、圖像識(shí)別、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、主動(dòng)報(bào)警和報(bào)表生成等功能的電纜隧道智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用，能有效提升電纜隧道巡檢工作的效率，減緩了巡檢人員的壓力，降低了安全事故發(fā)生的概率。

關(guān)鍵詞：電纜隧道;智能巡檢;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);功能模塊

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）18-0131-06

Abstract：Aimed at the complexity of the cable tunnel inspection environment，low efficiency of the manual analysis of the inspection data and other problems，the power equipment status recognition and environment detection are realized based on the convolutional neural network. Based on the Flask framework，a cable tunnel intelligent inspection system are designed and developed with functions such as data acquisition，image recognition，real-time monitoring，active alarm and report generation. The application of the system，can effectively improve the efficiency of the inspection work of cable tunnels，reduce the pressure on the inspectors，and reduce the probability of the safety accidents.

Keywords：cable tunnel;intelligent inspection;structure design;function module

0? 引? 言

近些年來(lái)，電纜隧道事故多發(fā)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，亟須提供電力隧道內(nèi)常規(guī)而頻繁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、巡檢以及事故應(yīng)急處置方案。日常巡檢是電力隧道的可靠運(yùn)行的保證[1]，但是目前多依靠人工巡檢或是機(jī)器人輔助拍攝巡檢，且所獲數(shù)據(jù)最終依賴于人工分析處理，因此不具備實(shí)時(shí)性，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。同時(shí)，電力隧道內(nèi)輸電設(shè)備及附屬設(shè)備數(shù)量多、分布點(diǎn)多、總里程長(zhǎng)、監(jiān)控信息量大、巡檢周期短等特點(diǎn)，不僅使日常巡檢任務(wù)繁重，還給帶來(lái)巡檢困難和危險(xiǎn)[2，3]。此外，目前國(guó)內(nèi)投入運(yùn)行的隧道大多采用離散、獨(dú)立的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)之間缺乏靈活性和聯(lián)動(dòng)性，且設(shè)備和維護(hù)成本較高。雖然針對(duì)電纜隧道巡檢作業(yè)的機(jī)器人研究已全面開(kāi)展，但是我國(guó)尚屬起步，仍有諸多問(wèn)題需要解決。

珠海供電局管轄范圍內(nèi)電纜隧道目前多為人工巡檢或輔助拍攝功能的巡檢機(jī)器人，所獲數(shù)據(jù)最終依賴于人工分析處理，不具備實(shí)時(shí)性。若電纜缺陷故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不但危及電網(wǎng)自身安全，引起嚴(yán)重事故，且搶救難、修復(fù)工作更加困難，經(jīng)濟(jì)損失巨大。而隧道內(nèi)輸電設(shè)備及附屬設(shè)備數(shù)量多、分布點(diǎn)多、總里程長(zhǎng)，監(jiān)控信息量大、巡檢周期短，給日常巡檢工作帶來(lái)困難和危險(xiǎn)。因此，本論文作者結(jié)合目前電纜隧道存在的巡檢問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套含數(shù)據(jù)獲取、圖像識(shí)別、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、主動(dòng)報(bào)警和報(bào)表生成等功能的電纜隧道智能巡檢系統(tǒng)，可極大提高電纜隧道巡檢的效率，減緩了巡檢人員的壓力，降低了安全事故發(fā)生的概率，實(shí)現(xiàn)電力安全生產(chǎn)及現(xiàn)代化管理，對(duì)保障供電及電力安全生產(chǎn)有重大意義。

1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電纜隧道機(jī)器人巡檢的實(shí)際情況和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電纜隧道智能巡檢系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

系統(tǒng)主要由隧道巡檢機(jī)器人、智能圖像分析服務(wù)器和智能監(jiān)控平臺(tái)三部分組成，并借助隧道已有的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各類巡檢數(shù)據(jù)的傳輸與通信。其中智能圖像分析服務(wù)器和智能監(jiān)控平臺(tái)是該系統(tǒng)的主要開(kāi)發(fā)工作。

系統(tǒng)主要模塊有：數(shù)據(jù)獲取模塊、圖像識(shí)別模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警模塊四大模塊，相互之間關(guān)系如圖2所示。各個(gè)模塊之間相互聯(lián)系，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時(shí)，模塊間相互解耦，有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性以及可維護(hù)性。

（1）隧道巡檢機(jī)器人。采用隧道原有的懸掛式軌道巡檢機(jī)器人。其本體搭載了溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、高清可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。機(jī)器人巡檢過(guò)程中通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳各類巡檢數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和故障診斷等操作。通過(guò)提前設(shè)計(jì)巡檢任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢，通過(guò)手動(dòng)操作，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)巡檢。

（2）智能圖像分析服務(wù)器。智能圖像分析服務(wù)器是整個(gè)智能巡檢系統(tǒng)的核心，它主要采用多種圖像識(shí)別方法，完成對(duì)隧道內(nèi)各類故障、缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將異常信息發(fā)送至智能監(jiān)控平臺(tái)。其程序運(yùn)行流程包括：1）運(yùn)行通信服務(wù)程序，獲取機(jī)器人數(shù)據(jù)接口，讀取巡檢圖像并傳至圖像識(shí)別服務(wù)程序;2）運(yùn)行圖像識(shí)別服務(wù)程序，對(duì)接收到的圖像依次進(jìn)行明火、積水、電力箱銹蝕和消防指示牌故障四種異常情況檢測(cè)，若存在異常情況，立刻將異常信息發(fā)送給智能監(jiān)控平臺(tái)。

（3）智能監(jiān)控平臺(tái)。智能監(jiān)控平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的可視化界面，以網(wǎng)頁(yè)界面的形式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，具有巡檢實(shí)時(shí)監(jiān)控、隧道環(huán)境參數(shù)顯示、故障（缺陷）監(jiān)測(cè)、報(bào)表生成和下載等功能。平臺(tái)可通過(guò)機(jī)器人實(shí)時(shí)獲取其巡檢視頻數(shù)據(jù)及其搭載的各類傳感器數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控平臺(tái)上;也可以根據(jù)智能圖像分析服務(wù)器反饋的檢測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示隧道內(nèi)主要設(shè)備故障或環(huán)境缺陷情況。這樣便于工作人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況并制定下一步工作計(jì)劃，或者根據(jù)事先設(shè)置好的閾值主動(dòng)報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)，自動(dòng)生成報(bào)表，內(nèi)容包括故障或異常名稱、所處隧道位置、發(fā)生時(shí)間等具體信息。具體程序運(yùn)行如圖3所示。

上述平臺(tái)基于Flask框架開(kāi)發(fā)，F(xiàn)lask是一個(gè)基于Python語(yǔ)言的輕量級(jí)可定制框架，較其他同類型框架具有靈活、輕便、安全等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于Web服務(wù)。其主要包括Werkzeug和Jinja2兩個(gè)核心函數(shù)庫(kù)，分別負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)處理和安全方面的功能，在保持核心功能簡(jiǎn)單的同時(shí)，支持定制化功能的豐富與擴(kuò)展。

2? 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)包括智能圖像分析服務(wù)器功能設(shè)計(jì)、智能監(jiān)控平臺(tái)功能設(shè)計(jì)。智能圖像分析服務(wù)器主要功能包括數(shù)據(jù)獲取模塊和圖像識(shí)別模塊，智能監(jiān)控平臺(tái)主要功能包括主動(dòng)報(bào)警模塊和報(bào)表下載模塊。

2.1? 數(shù)據(jù)獲取模塊

數(shù)據(jù)獲取模塊細(xì)分為巡檢視頻獲取模塊和隧道環(huán)境參數(shù)獲取模塊。其中，巡檢視頻獲取模塊通過(guò)RTSP視頻流，獲取機(jī)器人巡檢視頻;隧道環(huán)境參數(shù)獲取模塊通過(guò)HTTP傳輸協(xié)議，獲取隧道有害氣體濃度、溫濕度等隧道環(huán)境參數(shù)。

2.2? 圖像識(shí)別模塊

根據(jù)珠海橫琴隧道實(shí)際巡檢需求，圖像識(shí)別模塊主要基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)明火檢測(cè)、積水檢測(cè)、消防指示牌故障檢測(cè)、電力箱銹蝕檢測(cè)等功能。

消防指示牌故障檢測(cè)：首先采用檢測(cè)算法定位消防指示牌的大致位置，裁剪出對(duì)應(yīng)區(qū)域圖片。接著，輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行故障判斷，存在異常則發(fā)送報(bào)警信息，如圖4所示。

明火檢測(cè)：對(duì)巡檢圖像進(jìn)行基本的圖像預(yù)處理操作以滿足模型輸入要求，之后直接輸入到訓(xùn)練好的改進(jìn)的Faster RCNN[4]模型進(jìn)行明火檢測(cè)，若存在異常則發(fā)送報(bào)警信息以及明火所處位置信息，具體如圖5所示。

電力箱銹蝕檢測(cè)：首先需要對(duì)巡檢圖像進(jìn)行基本的圖像預(yù)處理操作以減小圖像拍攝過(guò)程產(chǎn)生的各種噪聲干擾，之后直接輸入到訓(xùn)練好的SSD[5]網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行電力箱銹蝕檢測(cè)，若存在異常則發(fā)送報(bào)警信息以及銹蝕位置信息，如圖6所示。

積水檢測(cè)：將巡檢圖像直接輸入到訓(xùn)練好的Faster RCNN模型，進(jìn)行SVM分類對(duì)是否存在積水進(jìn)行檢測(cè)，若存在積水則發(fā)送報(bào)警信息。另外，當(dāng)存在積水時(shí)，通過(guò)邊界框回歸確定積水存在的區(qū)域范圍，隨同報(bào)警信息一起發(fā)送至智能監(jiān)控平臺(tái)，如圖7所示。

2.3? 主動(dòng)報(bào)警模塊

本模塊實(shí)時(shí)接收智能圖像分析服務(wù)器的分析結(jié)果，根據(jù)接收到的結(jié)果判斷是否存在異常，若存在異常，則在網(wǎng)頁(yè)端的右上角彈框告警。告警內(nèi)容包括：發(fā)生時(shí)間、所處隧道位置、故障類型等主要信息，便于工作人員快速排查故障。

2.4? 報(bào)表下載模塊

當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，智能圖像分析服務(wù)器自動(dòng)記錄故障的相關(guān)信息，并按天生成報(bào)表。本平臺(tái)提供報(bào)表下載接口，便于工作人員獲取當(dāng)天的報(bào)表信息，并根據(jù)報(bào)表安排巡檢、維修等工作。

3? 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后在珠海橫琴隧道完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和試運(yùn)行。系統(tǒng)是通過(guò)智能圖像分析服務(wù)器和智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行人機(jī)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先啟動(dòng)智能圖像分析服務(wù)器后端服務(wù)程序，包括測(cè)試服務(wù)程序、監(jiān)測(cè)服務(wù)程序;然后通過(guò)智能監(jiān)控平臺(tái)的系統(tǒng)主界面、主動(dòng)報(bào)警界面和報(bào)表下載界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)并能提示故障報(bào)警。系統(tǒng)主界面如圖8和圖9所示。通過(guò)任意一臺(tái)同局域網(wǎng)下的終端，即可訪問(wèn)智能監(jiān)控平臺(tái)。界面正中實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控畫(huà)面，底部實(shí)時(shí)顯示隧道各類環(huán)境參數(shù)的變化曲線，如氧氣濃度、CO濃度、H2S濃度、CH4濃度以及溫濕度數(shù)據(jù)等。

當(dāng)后臺(tái)服務(wù)器檢測(cè)到故障或傳感器數(shù)值異常時(shí)，自動(dòng)在主界面右上角彈出相應(yīng)的警告框，框內(nèi)包含發(fā)生時(shí)間、故障位置、類型等信息，如圖10所示。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，對(duì)幾類設(shè)備缺陷和環(huán)境監(jiān)測(cè)的圖像識(shí)別結(jié)果如圖11～圖13所示。

此外，系統(tǒng)提供報(bào)表生成、下載功能，支持按天保存報(bào)表文件。同時(shí)，報(bào)表內(nèi)詳細(xì)記錄發(fā)生故障或異常的時(shí)間、所處隧道位置、類型等具體信息，并以圖片形式保存圖像識(shí)別的結(jié)果，如圖14和圖15所示。

4? 結(jié)? 論

本文介紹了電纜隧道智能巡檢系統(tǒng)的整體構(gòu)架和各功能模塊，完成了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)并在珠海橫琴電纜隧道進(jìn)行了應(yīng)用。通過(guò)本系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用，極大提高了電纜隧道巡檢的效率，減緩了巡檢人員的壓力，降低了安全事故發(fā)生的概率，從而節(jié)省了大量的人力成本。

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作者簡(jiǎn)介：阮綿暉（1967—），男，漢族，廣東佛山人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化;黃順濤（1974—），男，漢族，廣東澄海人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：輸電線路智能運(yùn)維、抗風(fēng)加固等;裴星宇（1982—）男，漢族，貴州惠水人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。