張 暉，廖俊蓉，付建美，楊夏里，林偉杰，葉超欣

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510635）

我國(guó)電纜隧道的應(yīng)用越來(lái)越多，逐漸取代架空式線路傳輸方式，成為城市電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。電纜隧道巡檢多采用傳統(tǒng)意義上的人工巡檢模式[1]，而隧道自身空間比較狹窄，設(shè)有諸多掛架且遍布線纜，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，人工巡檢主要依靠感官和簡(jiǎn)單儀器進(jìn)行，易出現(xiàn)漏檢的情況，巡檢工作效率較低，加之工作環(huán)境較差，存在一些未知的安全隱患。

為了提高城市電纜的現(xiàn)代化管理水平，加大電力隧道的巡檢力度，有效減輕巡檢工作人員的工作強(qiáng)度，避免電纜隧道安全事故的發(fā)生，電纜隧道智能巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用迫在眉睫[2]。代替人工作業(yè)的巡檢機(jī)器人可以大大提高電纜管理的現(xiàn)代化和智能化水平，緩解隧道巡檢工作人員的壓力，減少隧道維護(hù)的安全隱患以及安全事故，并便于精細(xì)化和自動(dòng)化管理，可為電力隧道穩(wěn)定安全運(yùn)行提供重要保障。

1 隧道智能巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，智能電網(wǎng)的建設(shè)也逐漸普及。電纜隧道的正常使用是城市安全運(yùn)行的保障，對(duì)提高人民生活水平以及加強(qiáng)社會(huì)建設(shè)具有重要意義。由于隧道處于封閉狀態(tài)，濕度較大且不通風(fēng)，一些設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，甚至?xí)锌扇加卸練怏w排放，所以電纜隧道安全隱患極大，為保證隧道正常運(yùn)行，對(duì)隧道內(nèi)部設(shè)備及隧道內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要[3]。

目前，隧道環(huán)境的監(jiān)測(cè)多采用人工巡檢方式，由于電纜運(yùn)行過程中存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，極大威脅著隧道工作人員的安全和健康；此外，人工巡檢容易遺漏一些異常情況，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并做出反應(yīng)，且人力物力消耗極大，安全系數(shù)低、有效工作時(shí)間長(zhǎng)、操作不靈活、缺乏智能化和信息化的手段。為保證隧道的安全正常運(yùn)行，需及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并解決，否則一旦出現(xiàn)問題，必將帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失和安全問題。針對(duì)人工巡檢方式存在的缺陷，迫切需要一種自動(dòng)化檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)隧道故障檢測(cè)及隧道環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，隧道智能巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

在電纜隧道巡檢機(jī)器人方面，國(guó)內(nèi)有一定的技術(shù)積累，但目前相關(guān)研究應(yīng)用還有待提高。吳偉[4]構(gòu)建了一套高壓電纜智能巡檢機(jī)器人硬件系統(tǒng)并開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，具有火災(zāi)預(yù)警和超聲波探測(cè)等功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功耗低，對(duì)高壓電纜隧道的自動(dòng)化巡檢有實(shí)際意義。孫曉誠(chéng)[5]借鑒國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究成果，設(shè)計(jì)了一款電纜隧道巡視機(jī)器人，基本實(shí)現(xiàn)了定位、防撞、移動(dòng)視頻巡檢、紅外熱成像、隧道環(huán)境檢測(cè)等功能需求。魏更[6]搭建了電纜隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)模糊PID 的運(yùn)動(dòng)控制算法，使機(jī)器人能夠適應(yīng)隧道內(nèi)的地形變化，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的智能化。王曉和許慧華[7]根據(jù)電纜隧道的環(huán)境特點(diǎn)，提出了一種智能機(jī)器人自動(dòng)化巡檢的設(shè)計(jì)，并在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了隧道環(huán)境自主化、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的目的，有效緩解了電力部門的工作壓力。崔旺[8]協(xié)同沈陽(yáng)電業(yè)局，結(jié)合電纜隧道的結(jié)構(gòu)特征，研制了一種能夠適應(yīng)電纜隧道環(huán)境的巡檢機(jī)器人，具備越障、爬坡、通信等隧道巡檢的基本功能，為隧道機(jī)器人的開發(fā)提供了一種新的方案。杜益剛[9]完成了一種履帶式電纜隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，滿足電纜隧道巡檢任務(wù)的基本要求，促進(jìn)了電網(wǎng)智能化的建設(shè)。

圖1 為現(xiàn)場(chǎng)勘探時(shí)拍攝的電纜隧道內(nèi)部環(huán)境。由于電纜隧道環(huán)境狹窄、運(yùn)動(dòng)空間小、障礙物較多，工作人員在場(chǎng)工作時(shí)存在嚴(yán)重的安全隱患。智能機(jī)器人的應(yīng)用是隧道巡檢智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化的有效途徑，當(dāng)前需要對(duì)隧道機(jī)器人進(jìn)行深入細(xì)致的研究，以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

圖1 電纜隧道內(nèi)部環(huán)境

2 隧道智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

2.1 隧道智能巡檢機(jī)器人主要功能

2.1.1 導(dǎo)航定位

定位功能[10-11]是隧道智能巡檢機(jī)器人的核心功能之一。通過定位技術(shù)確定智能機(jī)器人在隧道中的具體位置及運(yùn)動(dòng)路線，是隧道機(jī)器人智能化、現(xiàn)代化運(yùn)行的關(guān)鍵之處。常見的定位技術(shù)有GPS 及北斗衛(wèi)星定位、射頻識(shí)別（RFID）定位、基站定位以及ZigBee 定位等。借助不同的傳感器，可以獲取隧道機(jī)器人周圍環(huán)境的信息，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位。具體采用哪種定位方式需要結(jié)合隧道環(huán)境，以及速度、成本、精度等綜合考慮。隧道機(jī)器人借助自身的導(dǎo)航定位功能，能規(guī)劃出最佳行程路線，在復(fù)雜環(huán)境下，可翻越或避開土坑、土堆等障礙物。

2.1.2 圖像識(shí)別

隧道智能巡檢機(jī)器人搭載高清攝像頭，用于拍攝隧道內(nèi)的電纜、儀表等設(shè)備圖像，并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行智能化處理[12]，然后利用圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)問題可及時(shí)做出反饋處理。主要識(shí)別內(nèi)容包括表計(jì)識(shí)別、積水識(shí)別以及直線檢測(cè)等。

1）表計(jì)識(shí)別。高清相機(jī)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的表計(jì)圖像，依托圖像處理以及模式識(shí)別技術(shù)[13]，完成不同儀表的自動(dòng)識(shí)別、準(zhǔn)確讀數(shù)。對(duì)不同類型的儀表（指針式儀表和數(shù)字式儀表）進(jìn)行分類處理，選擇合適的識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)表計(jì)識(shí)別的智能化、實(shí)用化和工程化，便于巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)部署和大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)指針式儀表的識(shí)別可采用一種基于刻度弧線的表計(jì)識(shí)別方法，主要流程為：圖像預(yù)處理、特征匹配求單位矩陣、基于刻度弧線讀數(shù)；對(duì)數(shù)字式儀表可采用HOG 特征提取和SVM 分類器訓(xùn)練的方法對(duì)數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。

2）積水識(shí)別。電纜隧道中如果出現(xiàn)積水，可能會(huì)浸泡線纜，導(dǎo)致設(shè)備短路。智能巡檢機(jī)器人通過圖像處理技術(shù)，可識(shí)別隧道中的地面積水情況，對(duì)水位信息進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，方便管理人員根據(jù)實(shí)際情況采取有效措施。

3）直線檢測(cè)。隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，有些比較狹窄的地方工作人員難以通過，故不能準(zhǔn)確判斷隧道線纜的情況。應(yīng)用Hough 直線檢測(cè)技術(shù)判斷線纜是否脫垂也是目前需要研究的要點(diǎn)之一。

2.1.3 紅外測(cè)溫

智能巡檢機(jī)器人配備紅外熱成像儀[14]，可對(duì)一些特定的易發(fā)熱的關(guān)鍵設(shè)備，如線路刀閘、電纜線頭、開關(guān)柜室等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的各處設(shè)備的溫度值輸出到監(jiān)控主機(jī)（應(yīng)用軟件界面）顯示，如果超過設(shè)置的溫度數(shù)值，便會(huì)發(fā)送警報(bào)信號(hào)，提醒工作人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)維修，避免安全事故的發(fā)生。測(cè)溫時(shí)智能巡檢機(jī)器人采用定點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式，從多個(gè)角度全方位地對(duì)設(shè)備進(jìn)行清晰成像，以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)溫。

2.2 隧道智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵研究要點(diǎn)

2.2.1 通信技術(shù)

控制站點(diǎn)與隧道巡檢機(jī)器人通過通信技術(shù)[15]，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、信息交換等。控制站點(diǎn)控制隧道巡檢機(jī)器人工作時(shí)，需要發(fā)出相應(yīng)的控制命令，如導(dǎo)航定位、定點(diǎn)攝像、紅外成像等，隧道巡檢機(jī)器人按照接收到的指令，進(jìn)行行進(jìn)、實(shí)時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像、紅外成像等操作，完成相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容的采集后，將信息傳到控制站點(diǎn)，見圖2。為了保證控制站點(diǎn)和隧道機(jī)器人之間通信順暢、快捷，要注意避免周圍環(huán)境對(duì)通信模塊的干擾。

圖2 控制站點(diǎn)與機(jī)器人的通信

2.2.2 運(yùn)動(dòng)控制

隧道巡檢機(jī)器人的運(yùn)行形式是機(jī)器人代替工作人員進(jìn)行自動(dòng)化巡檢的重點(diǎn)內(nèi)容。隧道內(nèi)空間比較狹窄，地面有坡度的情況較多，有些地方還可能出現(xiàn)積水，有時(shí)甚至需要翻越障礙物，綜合考慮隧道內(nèi)的環(huán)境狀況，軌道式機(jī)器人[16-18]較適合隧道內(nèi)的自動(dòng)巡檢。軌道式機(jī)器人行動(dòng)路徑相對(duì)固定，能有效解決復(fù)雜地面導(dǎo)致的問題，相較于其他運(yùn)動(dòng)方式來(lái)說(shuō)具有一定的優(yōu)勢(shì)，可保證機(jī)器人正常行進(jìn)，安全可靠地工作。

2.2.3 直線檢測(cè)技術(shù)

為減少隧道巡檢時(shí)人力、物力的消耗，可通過圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)來(lái)判別線纜的狀態(tài)。首先通過隧道巡檢機(jī)器人采集隧道線纜圖片，然后對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值化、均值濾波等預(yù)處理，之后采取邊緣檢測(cè)提取邊緣輪廓，最后運(yùn)用Hough 直線檢測(cè)，判斷線纜的狀態(tài)。具體流程見圖3，相關(guān)測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖3 直線檢測(cè)流程

圖4 測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

開發(fā)隧道巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)測(cè)過程的自動(dòng)化，一直是電纜隧道監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的研究熱點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人可搭載的傳感器種類也將逐步增加，控制會(huì)更為精確、迅速，在電纜隧道內(nèi)的應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)更加廣泛。在隧道內(nèi)部復(fù)雜工作環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道巡檢機(jī)器人精確、高效與穩(wěn)定的控制是需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。