黃嘉東，廖俊蓉

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司信息通信分公司，廣東 廣州 510620；2.廣州調(diào)峰調(diào)頻科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510620）

1 引言

電力信息通信機(jī)房是電網(wǎng)的基礎(chǔ)管理設(shè)施，它對(duì)于電網(wǎng)業(yè)務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)如電力營(yíng)銷、調(diào)度、運(yùn)行等有著十分重要的作用。然而在電力信息通信機(jī)房的人工巡檢過(guò)程中，存在費(fèi)時(shí)耗力、有巡檢盲區(qū)和滯后等缺點(diǎn)[1]。這些問(wèn)題都給機(jī)房整體造成了巨大的安全隱患，更為嚴(yán)重的是會(huì)影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。而隨著機(jī)器人和人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能化電力機(jī)房的概念被提出，為了促進(jìn)電力機(jī)房智能化、信息數(shù)字化、無(wú)人操作管理化，使用巡檢機(jī)器人逐步代替人工進(jìn)行工作成為了一大趨勢(shì)[2]。電力機(jī)房巡檢機(jī)器人主要是在機(jī)器人上搭載高清可見(jiàn)光攝像機(jī)，結(jié)合視頻圖像處理技術(shù)，對(duì)電力生產(chǎn)區(qū)域的表計(jì)，包括壓力表、溫度表、數(shù)顯表電氣開(kāi)關(guān)和閥門(mén)狀態(tài)等示值和位置進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，自動(dòng)記錄并生成報(bào)表，并經(jīng)計(jì)算、判斷后發(fā)出報(bào)告，同時(shí)實(shí)時(shí)拍照和錄像上傳至后臺(tái)，供運(yùn)維人員隨時(shí)調(diào)用查看。巡檢機(jī)器人可以有效地應(yīng)對(duì)如光照變化、陰影遮擋、視角變化與尺度縮放等問(wèn)題產(chǎn)生的干擾。不僅具有人工巡檢的靈活性、智能性，還能避免人工漏巡、錯(cuò)看、誤記等可能，降低了人力成本，提升了巡檢質(zhì)量和效率。

2 研究現(xiàn)狀

智能巡檢機(jī)器人最早源于20世紀(jì)80年代，美國(guó)與加拿大等國(guó)家率先在電力行業(yè)中應(yīng)用了巡線機(jī)器人[3]。到80年代末，美國(guó)在此基礎(chǔ)上逐步使用了自主巡線機(jī)器人，此外如日本三菱公司、加拿大魁北克水電公司和巴西圣保羅大學(xué)都相繼研發(fā)過(guò)電力系統(tǒng)巡檢機(jī)器人，用于變電站設(shè)備的圖像采集和紅外測(cè)溫[4]。相對(duì)于國(guó)外而言，中國(guó)研究電力巡檢機(jī)器人較晚，直到20世紀(jì)90年代才開(kāi)始對(duì)電力巡檢機(jī)器人有相關(guān)的研究。1999年，國(guó)家電網(wǎng)山東電力公司正式投入使用了智能巡檢機(jī)器人，在高溫雨雪等惡劣環(huán)境中解放了電力工人，標(biāo)志著電力巡檢逐步邁入智能化時(shí)代[5]。但除了變電站、高壓線路等國(guó)家電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)用面更廣的智能機(jī)房巡檢機(jī)器人也有很大的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。近些年來(lái)，各大高校與研究院等科研單位相繼在室內(nèi)巡檢機(jī)器人上展開(kāi)了研究并取得了一些成果。

2013年，深圳朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司開(kāi)發(fā)了一種專門(mén)針對(duì)電力機(jī)房設(shè)計(jì)研發(fā)的智能一體化巡檢機(jī)器人。這款機(jī)器人分為智能巡檢和手動(dòng)巡檢兩種模式，可以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別電力機(jī)房?jī)?nèi)各種儀表示數(shù)，準(zhǔn)確分析機(jī)房?jī)?nèi)煙霧和溫濕度等環(huán)境信息等功能，24 h對(duì)機(jī)房進(jìn)行不間斷巡檢。電力機(jī)房搭建巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)人化、智能化機(jī)房。

2016年，山東電力研究院研制了一種軌道式智能巡檢機(jī)器人，通過(guò)導(dǎo)軌滑觸供電[6]，從而保證機(jī)器人可以24 h不間斷進(jìn)行巡檢工作，還可以自定義周期和設(shè)備進(jìn)行特殊巡視。這款機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜紅外測(cè)溫、局部放電檢測(cè)、開(kāi)關(guān)柜信號(hào)指示燈狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別、數(shù)字式儀表和指針式儀表的自動(dòng)識(shí)別等功能。并于2018年在廣東電網(wǎng)中山供電局投入運(yùn)行，相比人工巡檢不僅提高了工作效率，并且解決了巡檢范圍廣、巡檢設(shè)備多、巡檢人員不足的問(wèn)題。這款巡檢機(jī)器人在指針式儀表的識(shí)別上達(dá)到了95%以上的準(zhǔn)確率，并且能夠?qū)﹄娏C(jī)房設(shè)備進(jìn)行智能分析和危害預(yù)警。軌道式巡檢機(jī)器人如圖1所示。

圖1 軌道式巡檢機(jī)器人

2019年，長(zhǎng)沙理工大學(xué)的司朋偉[7]研究了一款電力機(jī)房巡檢機(jī)器人，用于識(shí)別電力機(jī)房?jī)?nèi)指針式儀表，具體內(nèi)容包括運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法檢測(cè)儀表、檢測(cè)表盤(pán)線段、識(shí)別刻度與表盤(pán)線段和儀表讀數(shù)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)電力機(jī)房?jī)?nèi)指針式儀表示數(shù)的自動(dòng)識(shí)別。主要是研究了一種基于Faster RCNN和相似性度量的儀表檢測(cè)算法，然后通過(guò)基于輪廓的邊緣檢測(cè)算法計(jì)算儀表傾斜角度來(lái)完成對(duì)儀表的校正，大大提高了指針式儀表讀數(shù)識(shí)別的效率。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電力機(jī)房巡檢機(jī)器人的指針式儀表讀數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確率，符合實(shí)際使用要求，提高了巡檢機(jī)器人的工作效率。

2019年，中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司研發(fā)了一款應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房巡檢的雙目視覺(jué)機(jī)器人[8]。此款智能巡檢機(jī)器人運(yùn)行在5G網(wǎng)絡(luò)下，融合了Wi-Fi模組、NB-IoT模組和NR模組以滿足多場(chǎng)景下的低時(shí)延、高穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬和低時(shí)延的優(yōu)越性能，因此運(yùn)維人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)房狀況，并可遠(yuǎn)程操控機(jī)器人提供簡(jiǎn)單的故障修復(fù)。并且通過(guò)長(zhǎng)期積累數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)AI深度學(xué)習(xí)算法，每臺(tái)巡檢機(jī)器人可以滿足700～1 300 m2機(jī)房全天候巡檢需求，并提供詳細(xì)的機(jī)房數(shù)據(jù)分析報(bào)告和智能化的優(yōu)化建議。

2020年，廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司研制了一款室內(nèi)輪式智能巡檢機(jī)器人，如圖2所示，這款機(jī)器人具有無(wú)軌化導(dǎo)航、智能任務(wù)規(guī)劃、定制化傳感器末端和在線離線混合巡檢等功能。此款機(jī)器人主要是針對(duì)室內(nèi)環(huán)境巡檢需求而研發(fā)，通過(guò)智能規(guī)劃和先進(jìn)的控制算法來(lái)操控五自由度機(jī)械臂，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間區(qū)域設(shè)備與環(huán)境狀態(tài)全覆蓋巡檢。已經(jīng)在南方電網(wǎng)韶關(guān)220 kV芙蓉站、抽水蓄能電站等場(chǎng)站推廣應(yīng)用，大大提升了巡檢質(zhì)量和效率。

圖2 輪式智能巡檢機(jī)器人

3 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

3.1 電力機(jī)房智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵功能

3.1.1 目標(biāo)投索功能

對(duì)人員和設(shè)備關(guān)鍵部件可實(shí)現(xiàn)高水平識(shí)別率和準(zhǔn)確率，結(jié)合視覺(jué)伺服追蹤和人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索、目標(biāo)識(shí)別鎖定、目標(biāo)讀數(shù)的智能分析過(guò)程，當(dāng)目標(biāo)不在機(jī)器人視場(chǎng)范圍時(shí)，先啟動(dòng)目標(biāo)投索功能，從周?chē)h(huán)境中找到目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，進(jìn)入目標(biāo)伺服跟蹤鎖定過(guò)程，將目標(biāo)調(diào)整到正中，后續(xù)變焦放大、獲取高質(zhì)量圖片，提升識(shí)別準(zhǔn)確率[9]。

3.1.2 綜合分析和自動(dòng)存檔功能

針對(duì)壓力表、溫度表、數(shù)顯表電氣開(kāi)關(guān)和閥門(mén)狀態(tài)等示值和位置的數(shù)據(jù)信息，后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)分析和處理。例如，可以自動(dòng)識(shí)別儀表數(shù)字表、圓形表讀數(shù)，識(shí)別各類開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，對(duì)罐體、容器、管道進(jìn)行外觀變形對(duì)比判別。同時(shí)，還可以自動(dòng)記錄生成歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)經(jīng)計(jì)算判斷出巡檢數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并實(shí)時(shí)拍照和錄像至后臺(tái)，方便運(yùn)行人員隨時(shí)調(diào)用查看。

3.1.3 儀表精確讀數(shù)、開(kāi)關(guān)自動(dòng)檢測(cè)功能

機(jī)器人搭載的高清可見(jiàn)光攝像機(jī)，具備圖像配準(zhǔn)技術(shù)，用于儀表和外觀形狀對(duì)比圖像智能判別分析，可以有效地應(yīng)對(duì)如光照變化、陰影、遮擋、低對(duì)比和低分辨率、視角變化與尺度縮放等產(chǎn)生的干擾。通過(guò)附加中心檢測(cè)參數(shù)和指針本身的參數(shù)，可以很好地過(guò)濾掉干擾直線，避免指針的錯(cuò)誤檢測(cè)，得到準(zhǔn)確的儀表讀數(shù)[10]。通過(guò)應(yīng)用圖像處理技術(shù)的一些方法，將開(kāi)關(guān)分割出來(lái)，并利用開(kāi)關(guān)圖像的特點(diǎn)，提取其關(guān)鍵特征，判別開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

3.2 電力機(jī)房智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵研究要點(diǎn)

3.2.1 面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備的智慧視覺(jué)識(shí)別技術(shù)

利用機(jī)器人搭載的高清可見(jiàn)光攝像機(jī)，結(jié)合視頻圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)發(fā)電生產(chǎn)區(qū)域的表計(jì)，包括壓力表、溫度表、數(shù)顯表電氣開(kāi)關(guān)和閥門(mén)狀態(tài)等示值和位置的進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，對(duì)罐體、容器、管道進(jìn)行外觀變形對(duì)比判別[11]，自動(dòng)記錄并生成報(bào)表，并經(jīng)計(jì)算、判斷后發(fā)出報(bào)警，同時(shí)實(shí)時(shí)拍照和錄像上傳至后臺(tái)，滿足運(yùn)行人員隨時(shí)調(diào)用查看及自動(dòng)存檔的功能。實(shí)現(xiàn)全方位、全覆蓋智能識(shí)別、綜合監(jiān)控與分析，節(jié)省大量的人力，提高設(shè)備運(yùn)維的安全性和可靠性。

3.2.2 基于數(shù)字圖像處理的開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)方法

為達(dá)到提高檢測(cè)效率和減少人力的目的，本文通過(guò)圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)[12]來(lái)判別開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

該方法首先通過(guò)CCD相機(jī)采集開(kāi)關(guān)圖像，再將圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)上。其次，采用直方圖均衡化的方法調(diào)整圖像亮度，將圖像的灰度歸一化進(jìn)行預(yù)處理；之后，特征提取過(guò)程采用邊緣檢測(cè)與圖像二值化實(shí)現(xiàn)圖像前景與背景的分割。最后，通過(guò)判別是否存在近似圓形的封閉曲線對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷。邊緣檢測(cè)圖片和測(cè)試圖片分別如圖3和圖4所示。

圖3 邊緣檢測(cè)圖片

圖4 測(cè)試圖片

3.2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的機(jī)房?jī)x表智能識(shí)讀方法

為了滿足對(duì)機(jī)房室內(nèi)機(jī)器人識(shí)讀指針儀表的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求，提出了一種基于一維測(cè)量線映射的指針儀表圖像智能識(shí)讀方法。

該方法首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖進(jìn)行圖像預(yù)處理，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖和基準(zhǔn)圖都進(jìn)行了灰度處理。由于基準(zhǔn)圖中包含先驗(yàn)知識(shí)，使用已知邊界包圍基準(zhǔn)圖表盤(pán)并在邊界的中心進(jìn)行漫水填充，如是即可定位基準(zhǔn)圖的表盤(pán)。基準(zhǔn)圖表盤(pán)圖和現(xiàn)場(chǎng)圖進(jìn)行特征匹配并利用匹配點(diǎn)求出單應(yīng)矩陣，用單應(yīng)矩陣表示現(xiàn)場(chǎng)圖和基準(zhǔn)圖之間像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在基準(zhǔn)圖中繪制已知弧線擬合刻度線，并利用單應(yīng)矩陣將刻度弧線映射到現(xiàn)場(chǎng)圖中。在修正的表盤(pán)中定位指針并計(jì)算弧線修正后的位置。通過(guò)分析指針與弧線的位置關(guān)系得出表計(jì)讀數(shù)。

如果表計(jì)中包含轉(zhuǎn)軸式數(shù)字儀表，采用矩形檢測(cè)定位數(shù)字表表框并修正數(shù)字儀表的表框。切分?jǐn)?shù)字表盤(pán)中的數(shù)字并求取其HOG特征，將其輸入訓(xùn)練好的SVM即可得到數(shù)字式儀表的讀數(shù)。機(jī)房?jī)x表智能識(shí)讀方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)房?jī)x表智能識(shí)讀方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4 總結(jié)與展望

隨著科技水平的提高和工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)房室內(nèi)巡檢機(jī)器人的應(yīng)用需求也隨之增加。首先，本文綜述了電力機(jī)房智能巡檢機(jī)器人的研究應(yīng)用現(xiàn)狀。之后，本文給出了電力機(jī)房智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵功能和關(guān)鍵研究要點(diǎn)。本文使用的基于一維測(cè)量線映射的指針儀表圖像智能識(shí)讀方法，利用SURF算法進(jìn)行圖像匹配，提升了算法的執(zhí)行率。

由于機(jī)房可能存在人員入侵、氣體泄漏等潛在問(wèn)題，應(yīng)對(duì)電力機(jī)房智能巡檢機(jī)器人的功能進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，增加人員入侵檢測(cè)、氣體泄漏檢測(cè)功能。針對(duì)網(wǎng)狀柜門(mén)，需要有特殊的識(shí)別算法去實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)識(shí)別，例如多角度成像、拼接等方法。此外，用于柜門(mén)開(kāi)合操作和巡檢的多自由度機(jī)械臂機(jī)房操作機(jī)器人也是未來(lái)的發(fā)展方向。