王永亮，張軍，洛桑珠巴，鐘定江，李猛

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；2.西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

0 引言

針對(duì)高原的惡劣環(huán)境，人工巡檢不僅容易造成人員受傷，還會(huì)帶來(lái)一些觀(guān)察不仔細(xì)的隱患問(wèn)題，電力巡檢機(jī)器人的使用能夠在一定工作范圍內(nèi)代替人工巡檢，解放人力資源，提升巡檢安全性，提高巡檢作業(yè)自動(dòng)化與智能化程度，但目前管理還存在不少問(wèn)題，首先高原環(huán)境復(fù)雜多變，又因?yàn)殡娏€(xiàn)路和各個(gè)設(shè)備長(zhǎng)期在外界惡劣環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械載荷使命，甚至多數(shù)線(xiàn)路設(shè)備存在電力負(fù)荷現(xiàn)象，給電力巡檢過(guò)程帶來(lái)了較大安全隱患，針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種順應(yīng)時(shí)代的產(chǎn)物——電力巡檢機(jī)器人[1]。

本電力巡檢機(jī)器人針對(duì)高原地區(qū)的惡劣環(huán)境下的電力設(shè)備的巡檢問(wèn)題所研發(fā)，該電力巡檢機(jī)器人分為以下幾個(gè)單元：圖像檢測(cè)識(shí)別單元、自動(dòng)避障單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)單元等主要部分，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完成線(xiàn)路、變電站等場(chǎng)所的自動(dòng)巡檢，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的重要設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電力巡檢機(jī)器人巡檢系統(tǒng)是集多學(xué)科于一體的科技碩果，涉及傳統(tǒng)的較為完善的機(jī)械、電工電子、通信、自動(dòng)化、傳感器等技術(shù)外，還加入了深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高系統(tǒng)辨識(shí)故障的能力[2-3]。該電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由圖像檢測(cè)識(shí)別單元、自動(dòng)避障單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)單元構(gòu)成，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 圖像檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖像檢測(cè)系統(tǒng)是基于pytorch框架構(gòu)建的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用類(lèi)似于YOLOv3的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)動(dòng)態(tài)采集圖像信息，隨時(shí)提取圖像的特征，判斷電力系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障信息，采用此技術(shù)，電力巡檢機(jī)器人可以對(duì)儀表盤(pán)、指示信號(hào)燈、明火和煙霧等故障直接預(yù)警，同時(shí)視頻還會(huì)傳輸?shù)桨⒗镌破脚_(tái)進(jìn)行備份，可供巡查人員隨時(shí)調(diào)取，也可直接進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻跟隨，與機(jī)器人同步進(jìn)行視頻遠(yuǎn)程檢測(cè)[4]。與早期的巡檢機(jī)器人相比，此電力巡檢機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于增加了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像檢測(cè)功能，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在視覺(jué)目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)獲取圖像中的特征信息，將不同的故障信息進(jìn)行特征信息學(xué)習(xí)，并不斷優(yōu)化自身的辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效的檢測(cè)到變電站的故障信息。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由以下4部分組成。每個(gè)部分的具體作用說(shuō)明如下。

卷積層（Convolution Layer）是CNN的核心部分，大部分CNN都包含了多層卷積層。卷積層中的卷積核起到特征提取器的作用，類(lèi)似于傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)的特征提取器，卷積核也是通過(guò)多次掃描輸入的圖像數(shù)據(jù)提取數(shù)據(jù)中的特征。

激活層主要由激活函數(shù)構(gòu)成，卷積操作對(duì)圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)使用卷積核進(jìn)行計(jì)算，卷積的操作過(guò)程是線(xiàn)性的。但是很多圖像分類(lèi)的等問(wèn)題，并不是線(xiàn)性可分的問(wèn)題，因此需要加入非線(xiàn)性激活函數(shù)來(lái)增加模型的非線(xiàn)性表示能力。常見(jiàn)的激活函數(shù)有，Sigmoid，ReLu，tanh等。

池化層（pooling）針對(duì)不同的需求有不同的池化函數(shù)，如最大池化（max pooling），選擇池化范圍內(nèi)的最大值對(duì)圖像進(jìn)行下采樣。這在圖像分類(lèi)識(shí)別領(lǐng)域是很有用的。

全連接網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中含有輸入層（input layer）、隱藏層（hidden layer）和輸出層（output layer）[5]。它在CNN中的位置一般在卷積層后，起到分類(lèi)器的作用。圖像經(jīng)過(guò)卷積層提取特征后，將圖像映射到特征空間中，全連接層則將特征空間中圖像映射到樣本標(biāo)記空間中。

本文將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型嵌入到電力巡檢機(jī)器人中，大大提高了電力巡檢機(jī)器人的故障檢測(cè)效率，增強(qiáng)了機(jī)器人的可靠性，實(shí)用性。

1.2 自動(dòng)避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電力巡檢機(jī)器人采用激光雷達(dá)傳感器對(duì)高原環(huán)境下的變電站進(jìn)行動(dòng)態(tài)構(gòu)建地圖，采用機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），對(duì)機(jī)器人的路徑規(guī)劃做出點(diǎn)到點(diǎn)巡航，采用最簡(jiǎn)單的A星算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，電力巡檢機(jī)器人會(huì)將故障位置信息及機(jī)器人所在位置傳輸給工作人員，此外，電力巡檢機(jī)器人還采用自主充電的設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)器人的電量消耗到充電閾值，機(jī)器人啟動(dòng)充電程序，自主尋找到充電樁進(jìn)行充電，達(dá)到智能巡檢的目的[6]。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合通信技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)，采用zigbee多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，將多個(gè)變電站從節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)都傳輸?shù)诫娏ρ矙z機(jī)器人上的主節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，運(yùn)行參數(shù)及周?chē)h(huán)境參數(shù)檢測(cè)并集中處理，最終傳輸給電腦端進(jìn)行處理，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電力巡檢機(jī)器人將傳感器采集的信號(hào)上傳到阿里云平臺(tái)上，阿里云平臺(tái)將信息打包備份，同時(shí)同步到工作人員的監(jiān)控界面，可供工作人員隨時(shí)查看變電站的運(yùn)行信息，在5G技術(shù)的支持下圖像信息的傳輸存儲(chǔ)也可實(shí)時(shí)完成[7]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用的是機(jī)器人操作系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，該系統(tǒng)相對(duì)于其他處理器處理速度很快，對(duì)用戶(hù)開(kāi)發(fā)機(jī)器人功能簡(jiǎn)單易操作，具有豐富的模塊化資源，在系統(tǒng)外還添加了人工智能圖像識(shí)別板卡，通信接口、傳感器接口等，能很好地滿(mǎn)足電力巡檢機(jī)器人的性能需求。

2.2 傳感器模塊

每一個(gè)變電站的從節(jié)點(diǎn)處都采用功率傳感器，電壓、電流傳感器對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還采用光照強(qiáng)度、火焰、溫濕度傳感器等進(jìn)行周?chē)h(huán)境的檢測(cè)，最后傳給主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再傳給云平臺(tái)及工作人員的監(jiān)控端。

2.3 無(wú)線(xiàn)通信主控

電力巡檢機(jī)器人的主節(jié)點(diǎn)與變電站的從節(jié)點(diǎn)之間利用zigbee來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，電力巡檢機(jī)器人與云平臺(tái)及PC端利用ESP8266 WiFi模塊完成數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，通過(guò)內(nèi)部局域網(wǎng)的采集和外部通信網(wǎng)的傳輸，使各個(gè)傳感器采集的信息和故障信息很精準(zhǔn)的傳輸?shù)皆破脚_(tái)和監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)監(jiān)控的效果[8]。如圖2所示，變電站巡檢系統(tǒng)原理框圖。

圖2 光伏變電站巡檢系統(tǒng)原理框圖

圖2 Labview上位機(jī)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件采用NI LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)GUI界面，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為T(mén)CP/IP。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件主要包括視頻監(jiān)控界面、電站傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控界面、報(bào)警數(shù)據(jù)監(jiān)控界面、巡檢車(chē)運(yùn)動(dòng)控制界面、地圖數(shù)據(jù)界面等。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)集成后使后臺(tái)監(jiān)控操作人員的操作極大簡(jiǎn)化，同時(shí)減少了變電站安全事故發(fā)生的機(jī)率。因此，電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)滿(mǎn)足全天候、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能定位。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目研究提出的電力巡檢機(jī)器人在高原環(huán)境下的應(yīng)用，采用視覺(jué)深度學(xué)習(xí)的方式能夠更精細(xì)化的檢測(cè)故障，并融合了地圖構(gòu)建自主路徑規(guī)劃的方式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的巡查，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主行走，巡檢車(chē)搭載的高清攝像頭和傳感器可以及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)變電站的微小變化和突發(fā)故障，從而有效解決了在惡劣的高原環(huán)境下全天候巡檢變電站的難題，這也必將是未來(lái)變電站無(wú)人值守形式的發(fā)展方向。