張 鋒

（國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北滄州 062350）

1 研究?jī)?nèi)容

傳統(tǒng)牽引變配電所的運(yùn)行維護(hù)普遍采用人工值班、定期動(dòng)態(tài)巡視和計(jì)劃?rùn)z修預(yù)試等方式，保證所內(nèi)電力設(shè)備的正常運(yùn)行，受人員因素和環(huán)境狀態(tài)影響，存在一定的安全隱患。智能化無人值守變配電站具有以下優(yōu)點(diǎn)：①鐵路變配電所智能巡檢系統(tǒng)可對(duì)隔離開關(guān)（或斷路器）運(yùn)行位置和儲(chǔ)能狀態(tài)等設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行智能分析；②可對(duì)一、二次設(shè)備運(yùn)行溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、判斷；③可對(duì)設(shè)備外觀狀態(tài)進(jìn)行智能判斷，如發(fā)現(xiàn)絕緣破損、閃絡(luò)等；④利用模糊識(shí)別技術(shù)，可智能識(shí)別設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)、監(jiān)視儀表，并進(jìn)行智能判斷；⑤利用聲音采集系統(tǒng)，可采集、上傳變壓器運(yùn)行聲音，可對(duì)GIS（氣體絕緣開關(guān)）柜、電流互感器、電壓互感器等設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警；⑥對(duì)發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拍照與上傳；⑦開發(fā)可人機(jī)交互并能實(shí)現(xiàn)智能控制的軟件系統(tǒng)；⑧具備自主介紹、自動(dòng)引導(dǎo)等高級(jí)功能的語音系統(tǒng)。需研究智能巡檢系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的抗干擾能力。

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 無人值守牽引所亭智能巡測(cè)系統(tǒng)

巡測(cè)機(jī)器人能夠自動(dòng)根據(jù)環(huán)境自構(gòu)建地圖并獲取自身當(dāng)前位置，設(shè)計(jì)巡檢方案，通過采集實(shí)時(shí)信息與激光定位的方式繞過障礙物，繞過之后繼續(xù)通過激光信息匹配規(guī)劃路徑返回預(yù)定軌道，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。巡測(cè)機(jī)器人搭載紅外熱像儀、攝像頭、溫濕度傳感器和拾音器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)、表計(jì)數(shù)據(jù)的自主讀取、濕度的控制和聲音的采集與預(yù)警等，從實(shí)時(shí)畫面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程操控等多個(gè)方面，對(duì)牽引所亭的主變壓器、AT自耦變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、GIS、站內(nèi)全景等進(jìn)行全方面輔助監(jiān)控，為生產(chǎn)過程提供全面、實(shí)時(shí)的決策依據(jù)。

2.2 牽引變電所設(shè)備檢測(cè)高精度定位技術(shù)

在無軌化激光導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)之上，巡檢操作機(jī)器人系統(tǒng)還將通過視覺圖像識(shí)別系統(tǒng)輔助機(jī)器人進(jìn)行高精度的定位，視覺系統(tǒng)通過圖像處理技術(shù)，能夠?qū)δ繕?biāo)設(shè)備的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，得出坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，智能行走裝置進(jìn)行定位，以精確地對(duì)目標(biāo)設(shè)備點(diǎn)進(jìn)行操作。

2.3 大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

搭建多狀態(tài)量一體化分析平臺(tái)，利用變電站后臺(tái)，把巡檢所需要的各類地圖電子信息、任務(wù)監(jiān)控信息及各類數(shù)據(jù)庫(kù)資料保存并進(jìn)行持久化；對(duì)單站數(shù)據(jù)能夠重復(fù)疊加，對(duì)多站數(shù)據(jù)能夠集中管理。同時(shí)，對(duì)機(jī)器人運(yùn)行產(chǎn)生的記錄進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，建立一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)方便各個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，具有歷史查詢、智能診斷、故障關(guān)聯(lián)、生成巡測(cè)報(bào)表及故障預(yù)警等功能。

3 技術(shù)路線

3.1 鐵路牽引變電所巡檢智能化需求及相關(guān)可行性技術(shù)研究

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外研究資料的收集，以及對(duì)重點(diǎn)用戶的走訪，發(fā)現(xiàn)目前鐵路牽引變電所對(duì)于巡檢智能化存在強(qiáng)烈需求：①對(duì)變配電所電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和站室環(huán)境進(jìn)行巡測(cè)，實(shí)現(xiàn)全部設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度和運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和異常預(yù)警；②通過移動(dòng)視頻巡測(cè)，實(shí)現(xiàn)夜間遠(yuǎn)程防盜、夜間遠(yuǎn)程調(diào)度、巡視等功能；③可視化界面和視頻展示巡測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌控變配電所運(yùn)行狀態(tài)；④綜合門禁、安防、互聯(lián)等系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)變配電所全方位本地自動(dòng)監(jiān)控和遠(yuǎn)程管控；⑤最終實(shí)現(xiàn)變配電所的無人值守和安全智能管控。

3.2 多適應(yīng)性全方位移動(dòng)技術(shù)

機(jī)器人底盤驅(qū)動(dòng)單元通過四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，四電機(jī)實(shí)現(xiàn)四驅(qū)四轉(zhuǎn)，能原地旋轉(zhuǎn)且不抖動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。經(jīng)過各惡劣路況和模擬環(huán)境越野、越障、越溝、涉水及爬坡試驗(yàn)，同時(shí)通過高低溫、振動(dòng)等環(huán)境可靠性試驗(yàn)，用來驗(yàn)證底盤驅(qū)動(dòng)單元的各性能指標(biāo)。為了更好的實(shí)現(xiàn)避障、爬坡功能，加入減振器等避障元素，確保機(jī)器人在惡劣路況下長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.3 無軌導(dǎo)航技術(shù)

無軌導(dǎo)航是不通過事先預(yù)埋磁軌或其他形式的軌道來實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人自主行走的導(dǎo)航方案，該系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)定位技術(shù)和導(dǎo)航控制技術(shù)組成。其定位方式包括兩大核心技術(shù)，即地圖等比構(gòu)建技術(shù)和激光數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匹配定位技術(shù)。通過激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元與編碼器的信息融合，使智能巡檢機(jī)器人能夠在復(fù)雜室外環(huán)境和激光數(shù)據(jù)受到干擾、車輪打滑等復(fù)雜情況下，采用傳感器數(shù)據(jù)的冗余與交叉診斷技術(shù)，對(duì)受到干擾的信號(hào)進(jìn)行隔離，進(jìn)而保證機(jī)器人導(dǎo)航的可靠性。

3.4 高精度定位技術(shù)

將智能機(jī)器人置于作業(yè)場(chǎng)景中，機(jī)器人尋找最佳視野角度，當(dāng)可以最優(yōu)識(shí)別檢測(cè)對(duì)象時(shí)，機(jī)器人使用系統(tǒng)的記憶功能記住當(dāng)前位置形成預(yù)置位。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，通過無軌導(dǎo)航技術(shù)到達(dá)特定位置，調(diào)取預(yù)置位，準(zhǔn)確識(shí)別牽引變電所設(shè)備狀態(tài)。

3.5 智能巡檢系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的抗干擾能力

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣和電子設(shè)備的數(shù)量、種類不斷增加，空間電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下，如何減少相互間的電磁干擾，使各設(shè)備不受干擾影響而相容地正常工作，是迫切需要研究的課題。

4 功能指標(biāo)

牽引變電所智能機(jī)器人巡檢管理系統(tǒng)，運(yùn)用無軌化導(dǎo)航技術(shù)、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)集中控制、室內(nèi)室外全覆蓋、多信息集中分析判別、智能故障定位、故障報(bào)警、地形適應(yīng)性技術(shù)、智能運(yùn)維技術(shù)，通過模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全天候工作。主要體現(xiàn)在以下7個(gè)方面：①基于無軌化導(dǎo)航技術(shù)，機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的路徑及任務(wù)進(jìn)行巡測(cè)，可識(shí)別各種表計(jì)及指示燈，并自動(dòng)分析生成數(shù)據(jù)報(bào)表，同時(shí)可以對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)整個(gè)主廠房全方位全覆蓋的無人化管理；②牽引變電所智能機(jī)器人巡檢管理系統(tǒng)搭建多狀態(tài)量一體化數(shù)據(jù)識(shí)別和分析平臺(tái)，把移動(dòng)機(jī)器人多業(yè)務(wù)單元采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一識(shí)別及存儲(chǔ)管理，并建立一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，方便各個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交互；③多信息集中分析判別并進(jìn)行智能故障定位，對(duì)故障點(diǎn)及時(shí)報(bào)警提醒；④地形適應(yīng)性技術(shù)采用激光雷達(dá)的導(dǎo)航方案匹配地形，在具備一定環(huán)境特征的各類室內(nèi)外環(huán)境下均可通用，可以真正做到一套方案全環(huán)境通用；⑤可分類整理運(yùn)行信息、智能判斷異常信息的智能運(yùn)維系統(tǒng)，可提示異常的位置、原因及對(duì)異常進(jìn)行預(yù)測(cè)、排查和準(zhǔn)確定位；⑥采用層次清晰的模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)具有良好的架構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，當(dāng)某個(gè)模塊異常時(shí)，不影響其他模塊的正常運(yùn)行；⑦滿足在惡劣氣象環(huán)境、任何時(shí)段條件下的巡視檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。

5 直接經(jīng)濟(jì)效益分析

大幅降低牽引變電所人力成本：機(jī)器人投入后可在第二年回收成本，單站第2年可節(jié)約成本35萬元，10年可節(jié)約成本535萬元。以某供電段既有的21個(gè)站為例，第2年可節(jié)約成本10萬元（由于維護(hù)人員和管理人員在單站與21個(gè)站的數(shù)量配比非線性，故總成本節(jié)約為非線性關(guān)系），10年可節(jié)約成本7610萬元；以30人機(jī)器人團(tuán)隊(duì)可管轄的60個(gè)站為例，第2年可節(jié)約成本1740萬元，10年最少可節(jié)約成本3億元（表1、表2）。

表1 單站盈虧點(diǎn)分析

表2 21個(gè)站盈虧點(diǎn)分析

6 積極意義

牽引所巡測(cè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用，將成為鐵路新工業(yè)化、智能化建設(shè)的亮點(diǎn)，提升應(yīng)用單位的智慧化水平，更有助于提升我國(guó)重載鐵路在國(guó)內(nèi)外的形象地位，創(chuàng)造更高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（1）規(guī)范地面供電設(shè)備作業(yè)流程，加強(qiáng)安全管理。采用牽引所巡測(cè)機(jī)器人可以規(guī)范牽引所設(shè)備的巡視流程，減少人員人身傷害。保證安全生產(chǎn)管理資源得到充分利用，減少生產(chǎn)管理成本，提高安全生產(chǎn)管理工作效率，充分發(fā)揮安全生產(chǎn)管理成果在宏觀和微觀領(lǐng)域的作用，使安全生產(chǎn)管理的成果成為企業(yè)決策的重要依據(jù)。

（2）提高工作的安全性，保證員工生命安全，家庭幸福。當(dāng)遇到雷暴、臺(tái)風(fēng)、暴雨、嚴(yán)寒、酷暑、深夜等情況，人員無法順利實(shí)行室外巡視時(shí)，可以使用全天候的智能自主移動(dòng)巡視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)室外設(shè)備進(jìn)行巡視、對(duì)變電所周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視，減少人員人身傷害事件發(fā)生。

（3）完善地面設(shè)備智能化巡測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，提升牽引所巡測(cè)的整體管理水平。將先進(jìn)的智能技術(shù)、檢測(cè)方法和手段運(yùn)用于牽引所設(shè)備巡測(cè)中，用新技術(shù)輔助生產(chǎn)運(yùn)行人員充分發(fā)揮其專業(yè)技能，在安全生產(chǎn)領(lǐng)域高效地開展生產(chǎn)工作、交流生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、共享生產(chǎn)運(yùn)行方法，共同提高專業(yè)技能水平，從而有助于提升牽引所的整體管理水平，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

高速鐵路牽引所亭智能巡測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是未來智慧鐵路的智能化應(yīng)用趨勢(shì)。