中鐵上海設(shè)計院集團有限公司 鄭偉軍

牽引變電所是現(xiàn)代鐵路電力系統(tǒng)中的核心部分，用于對市政電網(wǎng)三相220kV交流電進行轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動電力機車快速穩(wěn)定運行。但需要注意的是，鐵路電力系統(tǒng)運行時，牽引變電所可能受到環(huán)境、線路自身等因素的影響而出現(xiàn)故障，嚴重干擾電力機車的運行，因而需要采取合理的方式對牽引變電所進行巡檢。傳統(tǒng)人工巡檢時，效率低且受到人工主觀因素的影響，無法準確尋找出牽引變電所中出現(xiàn)的故障?；诖?，設(shè)計一種無人化牽引變電所智能巡檢系統(tǒng)，以此為進一步提升鐵路牽引變電所巡檢效果提供幫助。

1 總體設(shè)計

現(xiàn)代鐵路領(lǐng)域共有3種無人化牽引變電所巡視方法，分別為輪式機器人、導軌式機器人與視頻攝像頭，每種方法具有不同特點，適用于不同場合，需要根據(jù)牽引變電所現(xiàn)場巡視點分布情況、室內(nèi)外設(shè)備分布情況、系統(tǒng)后續(xù)擴展情況等因素，選擇最佳的巡視方法。其中，牽引變電所巡視點眾多，分布較為分散，需要布置大量攝像頭，且后續(xù)擴展難度較大，因而不適用于視頻攝像頭巡視方法。在牽引變電所室內(nèi)，設(shè)備布置較為整齊與規(guī)律，巡視點較為集中，通過導軌式機器人可以快速準確完成巡視工作，但鋪設(shè)軌道較長，軌道數(shù)量眾多，同時增加現(xiàn)場工作危險性，因而也不適用于無人化牽引變電所智能巡視要求[1]。

本文設(shè)計中選擇了輪式機器人，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中共包含兩大模塊：一是機器人模塊。為現(xiàn)場設(shè)備巡視設(shè)備，對牽引變電所內(nèi)部設(shè)備的溫度、運行狀態(tài)予以檢測，并將檢測結(jié)果傳輸給調(diào)度站；二是調(diào)度站。用于完成整個系統(tǒng)控制與調(diào)度相關(guān)工作，其主要包含4個功能：3D可視化系統(tǒng)。通過機器人采集數(shù)據(jù)的分析與計算，構(gòu)建牽引變電所現(xiàn)場3D模型，以清晰、直觀將現(xiàn)場情況顯示出來；供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通。用于自動輸送各設(shè)備模型相關(guān)信息，提升設(shè)備信息管理效果；牽引供電遠動系統(tǒng)聯(lián)通。用于自動對設(shè)備模型予以調(diào)節(jié)，以提升設(shè)備模型的準確性；視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成。用于對視頻系統(tǒng)升級，促進牽引變電所設(shè)備巡視數(shù)據(jù)交換與控制效果。

圖1 鐵路無人化牽引變電所智能巡視系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 功能詳細設(shè)計

2.1 機器人功能

機器人。本文設(shè)計選擇輪式機器人，主要包括：一是機箱。用于對其他各功能模塊進行固定；二是激光傳感器。用于對作業(yè)現(xiàn)場的掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果建立現(xiàn)場地圖，以此對機器人運行進行導航；三是云臺。選擇的是全向云臺，可360°旋轉(zhuǎn)，用于調(diào)節(jié)攝像頭、測溫元件的方向；四是攝像頭。用于對變電所內(nèi)部設(shè)備運行狀態(tài)及周邊環(huán)境的拍攝，以此判斷變電所運行情況是否符合規(guī)定要求；五是壁障傳感器。用于判斷機器人移動線路上是否出現(xiàn)障礙物；六是紅外測溫元件。用于對環(huán)境溫度的檢測，判斷牽引變電所環(huán)境溫度是否異常[2]。其中，攝像頭與紅外測溫元件為核心模塊，直接關(guān)系到整個智能巡檢系統(tǒng)的應用情況，針對牽引變電所智能巡視要求，應按照表1參數(shù)對兩模塊進行配置。

表1 智能巡視系統(tǒng)攝像頭與紅外測溫元件主要參數(shù)表

充電房。用于為機器人充電與存放，以使機器人正常運行。充電房整體框架為鍍鋅鋼管，外部分別鋪設(shè)一層防腐材料、防水材料等，用于機器人的保護，防止充電房潮濕而增加機器人損壞概率。充電房內(nèi)主要設(shè)備包括：空調(diào)。用于調(diào)節(jié)房內(nèi)溫度，防止房內(nèi)溫度過高或過低而導致機器人損壞；充電樁。用于向機器人充電，其中共包含多種充電模式，如自主觸頭連續(xù)充電、手動連接車體充電孔充電、手動直接連接電池充電等，操作人員可根據(jù)實際情況而選擇不同的充電方式；專用配電箱。用于安裝、固定相關(guān)電氣設(shè)備。通信模塊。用于系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸，針對機器人作業(yè)特點，選擇的是以太網(wǎng)無線通信模式，各機器人與基站內(nèi)均安裝一個無線通信芯片，并在芯片內(nèi)分別錄入獨立的IP地址，機器人運行時，自動將其與基站進行連接，并完成信息進行傳輸，通過基站內(nèi)部的查詢，判斷設(shè)備間通信狀態(tài)是否出現(xiàn)異常。

2.2 調(diào)度站功能

2.2.1 3D可視化系統(tǒng)

隨著牽引變電所設(shè)備數(shù)量的不斷增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復雜，傳統(tǒng)二維圖像難以直觀、準確顯示出牽引變電所實際情況。為了提升變電所內(nèi)部情況顯示情況，設(shè)計了3D可視化系統(tǒng)。3D圖像可視化過程主要由3個階段構(gòu)成。確定建模對象。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況，結(jié)合智能巡檢系統(tǒng)運行要求，主要建模對象包括：地理位置、桿塔外觀、排水溝等現(xiàn)場基本情況；控制室、檢修室、集油池等內(nèi)部建筑情況；牽引變壓器、斷路器、互感器、避雷裝置等內(nèi)部設(shè)備情況等。而二次電纜無需建模，以降低建模工作量。

模型構(gòu)建。先構(gòu)建出牽引變電所的整體模型，即通過機器人中的3D激光掃描儀對現(xiàn)場情況的采集，通過計算與分析后，自動得到變電所的點云圖，之后以此為基礎(chǔ)，通過OSG軟件予以渲染，以此構(gòu)建出整體模型。構(gòu)建出變電所整體模型后，以CAD軟件為主要工具分別構(gòu)建各設(shè)備與建筑的模型，并通過OSG軟件予以渲染。

模型展示。以C++語言為主要工具，結(jié)合B/S框架技術(shù)等，開發(fā)模型顯示模塊，在保證模型顯示需求的同時，減少硬件使用，節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)投入。模型展示界面當中，主要功能包括各設(shè)備、建筑物、環(huán)境模型的展示、縮放與拖動，以便工作人員根據(jù)實際需求準確對模型進行查看。模型顯示過程中，先通過對模型屬性的分析，去除那些無用或應用價值較低的數(shù)據(jù)，以此對模型進行優(yōu)化，使模型更加精簡，為模型加載提供支持。之后，利用具有加載功能的中間層對模型進行加載，將模型基本信息與連接傳輸給系統(tǒng)，這樣雖然加載操作較為煩瑣，但無須大量數(shù)據(jù)支持，顯著提升模型加載效率，降低系統(tǒng)對調(diào)度站硬件設(shè)備的要求[3]。

2.2.2 供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通

構(gòu)建出3D可視化系統(tǒng)后，系統(tǒng)中將會出現(xiàn)很多模型，若只有模型，將會影響模型的顯示效果，因而應在設(shè)備模型中添加相應的參數(shù)信息。若采用傳統(tǒng)人工輸入模型，不僅需要投入大量實踐，增加相關(guān)工作人員的工作量，而且還容易受到人員主觀因素的影響而降低輸入信息準確性。同時，供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)運行時，內(nèi)部將會生成大量設(shè)備信息與運維管理信息等。所以，為了將所有模型信息直觀顯示出來，應將3D可視化系統(tǒng)與供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)進行聯(lián)通。當生產(chǎn)端調(diào)度系統(tǒng)獲得設(shè)備基礎(chǔ)信息與運維管理信息后，自動將這些信息傳輸給3D模型，3D模型以此為基礎(chǔ)，進一步對模型進行優(yōu)化與豐富，從而提升模型的顯示效果，為牽引變電所調(diào)度管理提供支持。

該功能設(shè)計與實現(xiàn)時，為提升調(diào)度系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，3D可視化系統(tǒng)與供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通運行時，只可對信息進行讀取，禁止對信息予以修改。此外，為了確保系統(tǒng)順暢運行，在3D可視化系統(tǒng)內(nèi)部，構(gòu)建出相應的暫存數(shù)據(jù)庫，以對調(diào)度系統(tǒng)信息的整理以篩選，去除那些無用的信息，以提升系統(tǒng)聯(lián)通運行效率，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 牽引供電遠動系統(tǒng)聯(lián)通

牽引變電所工作過程中，操作較為頻繁，設(shè)備不斷輪換，使得開關(guān)位置經(jīng)常出現(xiàn)改變，為了提升模型與設(shè)備工作情況的一致性，應將3D可視化系統(tǒng)與牽引供電遠動系統(tǒng)進行聯(lián)動。遠動系統(tǒng)是牽引變電所管理系統(tǒng)中的重要組成部分，用于對供電設(shè)備進行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，對整個鐵路系統(tǒng)的運行具有重要意義。所以，現(xiàn)代鐵路領(lǐng)域發(fā)展過程中，已將牽引供電遠動系統(tǒng)連接到鐵路關(guān)鍵信息系統(tǒng)內(nèi)。

遠動系統(tǒng)運行時，為了提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，防止對整個鐵路系統(tǒng)運行帶來較大干擾，3D可視化系統(tǒng)與牽引供電遠動系統(tǒng)聯(lián)動時，采用單向通信模式，即遠動系統(tǒng)生成遙信變位等報文信息后，直接傳輸給3D可視化系統(tǒng)，可視化系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)，動態(tài)對設(shè)備模型予以調(diào)節(jié)。但3D可視化系統(tǒng)禁止向遠動系統(tǒng)傳輸信息或指令，以免干擾遠動系統(tǒng)的運行。與此同時，在兩系統(tǒng)之間，安裝一套性能良好的防護系統(tǒng)，用于對兩系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)控與保護，防止不良信息傳輸?shù)竭h動系統(tǒng)而影響整個系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。此外，為了提升兩系統(tǒng)通信安全性，也應構(gòu)建暫存數(shù)據(jù)庫（如圖3所示）。

圖3 牽引供電遠動系統(tǒng)聯(lián)通結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成

現(xiàn)代鐵路信息管理建設(shè)時，已經(jīng)建立了遠動功能和視頻監(jiān)控功能，通過這些系統(tǒng)的應用，在一定程度上提升鐵路管理效果，但現(xiàn)有功能較為滯后，不符合現(xiàn)代鐵路信息化管理要求。為此，在牽引變電所智能巡視系統(tǒng)中，應對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行補強與集成，即增加多種攝像頭畫面調(diào)節(jié)方式：點擊相應的設(shè)備模型，利用本系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)動，自動優(yōu)化攝像頭參數(shù)；在3D可視化系統(tǒng)內(nèi)，點擊攝像頭模型，以此顯示相應的畫面信息；直接利用攝像頭內(nèi)的列表獲得畫面。

3 工程現(xiàn)場驗證

按照上述內(nèi)容對智能巡視系統(tǒng)進行設(shè)計與開發(fā)，并應用到某鐵路牽引變電所內(nèi)，通過該變電所對系統(tǒng)應用情況的觀察，判斷系統(tǒng)實際應用效果，其中巡視點681個，分合區(qū)域39個，儀表讀數(shù)區(qū)域48個，紅外測溫區(qū)域328個，其他區(qū)域266個。通過現(xiàn)場驗證觀察可發(fā)現(xiàn)，在機器人方面，整個現(xiàn)場巡視時間在90～110min范圍內(nèi)，遠低于人工巡視的150min，且巡視內(nèi)容更加詳細；在調(diào)度站功能方面，系統(tǒng)可構(gòu)建并動態(tài)調(diào)節(jié)3D模型，真實、準確顯示出變電所設(shè)備運行狀態(tài)。

綜上，某現(xiàn)代鐵路牽引變電所信息化管理系統(tǒng)建設(shè)時，開發(fā)出一套集輪式機器人、3D可視化系統(tǒng)、供電段生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)通、牽引供電遠動系統(tǒng)聯(lián)通、視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成為一體的智能化巡視系統(tǒng)，以加強對變電所內(nèi)部設(shè)備的巡視與檢查，使相關(guān)工作人員準確了解內(nèi)部設(shè)備運行情況，為提升整個變電所設(shè)備運行安全性與穩(wěn)定性提供有力支持。