吳蘭 WU Lan；賈恒杰 JIA Heng-jie；胡玉婷 HU Yu-ting；凌飛 LING Fei；王浩 WANG Hao

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān)512026）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大、電壓等級(jí)的提高，對(duì)供電安全可靠性要求也更加嚴(yán)格，變電站是電網(wǎng)的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，只有保證其穩(wěn)定運(yùn)行，才能確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，因此變電站正常運(yùn)行是保障電力系統(tǒng)供電安全的重要環(huán)節(jié)[1]。變電站的室內(nèi)設(shè)備如果都采用人工巡檢，會(huì)浪費(fèi)很多人力又存在安全隱患，而對(duì)于一些惡劣環(huán)境場合，還可能對(duì)巡檢人員的人身安全造成危害[2-3]，有必要改進(jìn)當(dāng)前的人工巡檢模式，提高變電站的運(yùn)維水平。

近年來，采用無人智能裝備巡檢代替人工巡檢模式已成為變電站巡檢發(fā)展的熱點(diǎn)方向[4]。將圖像識(shí)別技術(shù)部署在智能裝備內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)指示燈狀態(tài)檢測識(shí)別。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

目前變電站使用的機(jī)器人巡檢主要分為有軌和無軌兩種。有軌機(jī)器人需要預(yù)先敷設(shè)磁條并安裝RFID 定位芯片，用于機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航和定位[5]，前期工程量較大，同時(shí)磁條和RFID 定位芯片的損壞將造成機(jī)器人無法正常執(zhí)行任務(wù)。無軌機(jī)器人導(dǎo)航無需磁條，依靠智能識(shí)別技術(shù)，巡檢路線的選擇上局限性較小，但是巡檢精度易受外界影響，容易識(shí)別出錯(cuò)。隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，循跡無人小車通過黑白線循跡，在設(shè)置好的跑道上移動(dòng)，既避免了有軌機(jī)器人需要大規(guī)模鋪設(shè)磁條，也可避免無軌機(jī)器人精度易受外界影響的缺點(diǎn)，可在變電站巡檢中大規(guī)模應(yīng)用。

變電站所處的環(huán)境大多較復(fù)雜，智能設(shè)備采集的圖像受環(huán)境、光線或者拍攝角度的影響容易造成對(duì)狀態(tài)指示燈的識(shí)別差錯(cuò)。因此，本文提出在設(shè)備指示燈旁粘貼關(guān)聯(lián)的AprilTag 標(biāo)簽[6-7]，圖像采集設(shè)備通過識(shí)別AprilTag 標(biāo)簽定位設(shè)備指示燈位置，完成指示燈狀態(tài)圖像采集識(shí)別，通過對(duì)設(shè)備狀態(tài)指示燈的監(jiān)測完成變電站巡檢。

2 智能巡檢裝置系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

本論文主要研究內(nèi)容為包括變電站室內(nèi)環(huán)境里的無人巡檢小車自主影像采集以及后續(xù)的影像自主識(shí)別等功能應(yīng)用，建立一套變電站設(shè)備狀態(tài)指示燈智能巡檢監(jiān)測系統(tǒng)。

該無人小車是利用循跡系統(tǒng)按照預(yù)定路線巡視，通過自主研發(fā)的視覺識(shí)別算法配合廣角攝像頭對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位、拍照、回傳和指示燈狀態(tài)識(shí)別的智能巡檢設(shè)備，可大幅度提高工作效率，節(jié)約人力成本，擁有4G 傳輸、2.4G 無線傳輸、接觸式傳輸?shù)榷喾N傳輸模式，并且可以通過客戶端遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)查看回傳數(shù)據(jù)等。1.5kg 的凈重使得整體小巧輕便，續(xù)航可高達(dá)6 小時(shí)。可勝任高壓室、控制室等各種變電站室內(nèi)環(huán)境的日常巡檢需求。為日后變電站自動(dòng)巡檢提供可行方案。主要分為兩方面的研究：

①基于軌跡定制服務(wù)的巡跡無人小車巡檢平臺(tái)；

②基于柜機(jī)燈影像的設(shè)備狀態(tài)識(shí)別算法服務(wù)。

巡檢過程：

①小車自巡檢過程中，攝像頭依次自主搜索機(jī)柜二維碼；

②檢測到AprilTag 標(biāo)簽碼小車停車并調(diào)整攝像頭對(duì)焦拍照；

③無人小車返回實(shí)時(shí)影像；

④進(jìn)行設(shè)備照片的存儲(chǔ)管理等。

智能巡檢系統(tǒng)由無人小車、通信模塊和本地監(jiān)控后臺(tái)組成。（圖1）

圖1 智能巡檢系統(tǒng)技術(shù)路線

3 無人小車

基于軌跡定制服務(wù)的巡跡無人小車巡檢平臺(tái)。無人小車由外形結(jié)構(gòu)部件、運(yùn)動(dòng)控制模塊、電源管理模塊、圖像采集設(shè)備和循跡模塊組成。（圖2）

圖2 無人小車

3.1 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人小車總重1350g，載重4000g，離地高度36mm，碳纖維增高桿1500m。底盤為鋁合金材料，通過不同的車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在各個(gè)方向上移動(dòng)或驅(qū)動(dòng)。四個(gè)輪子分別位于矩形的四個(gè)角上，每個(gè)輪子都具有驅(qū)動(dòng)功能。

由于變電站所處地形復(fù)雜，地面有電纜凹凸不平。所以無人小車底盤采用全鋁合金底盤結(jié)構(gòu)，減輕整體質(zhì)量的同時(shí)兼顧穩(wěn)定性，為適應(yīng)變電站復(fù)雜地面環(huán)境，搭載了懸掛系統(tǒng)和越野輪胎，有較強(qiáng)的抓地力和越野能力，可有效面對(duì)高壓室鋪設(shè)地線槽等原因造成的地面凹凸不平且伴隨溝槽的環(huán)境本產(chǎn)品可在上述地形環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，為精準(zhǔn)識(shí)別、清晰拍照做了有效保證。4 根加粗油壓金屬減震器，能夠增加四輪著地摩檫力達(dá)到減震目的。

云臺(tái)能夠向各個(gè)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，保證攝像機(jī)無死角拍照。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

無人小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、車輪、減速器等組成[8]，如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

智能核心控制器為主控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是ARM Cortex-A72 1.5GHz（四核）處理器速度顯著提升，擁有豐富的多媒體，多個(gè)內(nèi)存版本和更出色的連接性，集成了連接USB 2 和USB 3 端口的PCIe 鏈路以及本機(jī)連接的以太網(wǎng)控制器，它具有極大改進(jìn)的GPU 功能集，輸入/輸出速度更快。應(yīng)用在本產(chǎn)品中可提高運(yùn)行速度和響應(yīng)速度以及多路控制的穩(wěn)定性。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)與本地監(jiān)控后臺(tái)的通信以及對(duì)小車和云臺(tái)的控制功能?？刂破髂K根據(jù)循跡模塊對(duì)黑白路線的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的方向控制。

3.3 電源管理模塊

由于部分變電站距離較遠(yuǎn)，因此采用3 串兩并的12V鋰離子電池。這類電池具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。并且具有過充保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)等安全防護(hù)機(jī)制。5600mAh，8A 最大持續(xù)輸出，可持續(xù)續(xù)航6h。

選用電池參數(shù)如表1 所示。

表1 電池參數(shù)表

無人小車在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，在電池電量充足的情況下進(jìn)入巡檢狀態(tài)，執(zhí)行巡檢任務(wù)，若電量不充足，則先充電再執(zhí)行巡檢任務(wù)，巡檢結(jié)束后，小車返回充電處。無人小車具有電池電量監(jiān)測功能，可設(shè)置電量下限。當(dāng)無人小車的電池電量低于下限時(shí)，會(huì)停止巡檢，返回充電器接口處自行充電。通過指令充電器插頭部分和無人小車的充電插頭部分能夠自動(dòng)斷開和連接，以達(dá)到自動(dòng)充電的目的。

3.4 圖像采集模塊

由于變電站大多處于昏暗環(huán)境，光線不足，針對(duì)這一問題，本研究決定采用星光級(jí)攝像機(jī)，通過識(shí)別AprilTag標(biāo)簽進(jìn)行定位，對(duì)指示燈進(jìn)行圖像采集。AprilTag 標(biāo)簽是一個(gè)視覺基準(zhǔn)庫，類似于二維碼，通過特定的標(biāo)志可以快速檢測標(biāo)志，并計(jì)算相對(duì)位置，即使是在較暗的環(huán)境下也能夠識(shí)別出，對(duì)光線要求較低。

本研究使用攝像頭為MZ2291 星光級(jí)150°無畸變攝像頭，IMX291 芯片，擁有 1920*1080 分辨率，30 幀/秒的刷新速度，利用自主研發(fā)的視覺識(shí)別算法可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別標(biāo)簽，搭載二自由度云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多視角拍照。可完成變電站指示燈狀態(tài)監(jiān)測基本要求，具有拍攝完整，視角大等特點(diǎn)。

攝像機(jī)搭建在云臺(tái)上面，云臺(tái)能夠向各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，提供不同的拍攝角度，滿足指示燈圖像采集需求。相機(jī)參數(shù)如表2 所示。

表2 相機(jī)參數(shù)表

3.5 六路灰度循跡模塊

循跡模塊為六路灰度循跡模塊?；叶葌鞲衅骱图t外傳感器有類似之處，但卻有紅外傳感器所不及之特性，采用高亮聚光LED 燈光，接收管對(duì)不同反射光的強(qiáng)弱對(duì)比處理，只要對(duì)光反射強(qiáng)弱不同即可識(shí)別，顏色差值越大，分辨率越好[9]，加入開模定制遮光罩使得產(chǎn)品性能得到進(jìn)一步提升。數(shù)字量也稱為開關(guān)量信號(hào)，是以高低電平輸出作為信號(hào)的一種傳感器，信號(hào)無需AD 轉(zhuǎn)換并且不用復(fù)雜的算法即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和控制，極大提高了循跡的穩(wěn)定性，可更加精準(zhǔn)的按照預(yù)定路線運(yùn)行。

本研究小車路線規(guī)劃采用黑白線循跡，基于樹莓派[10-11]開發(fā)板設(shè)計(jì)開發(fā)的智能軌跡算法[12-14]安裝循跡傳感器在設(shè)定好的跑道上按照設(shè)定路線完成移動(dòng)。

在小車的前端放置紅外光電傳感器對(duì)黑白線跑道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器分布示意圖如圖4。

圖4 傳感器分布示意圖

將光電傳感器放置在小車的最前方可以提前確定路徑。由于傳感器發(fā)出的光對(duì)白色和黑色有不同的反射效果，因此得到的電壓值不同[15]。跑道位置通過單片機(jī)中程序確定，從而控制小車行動(dòng)方向。若左邊1 傳感器檢測到黑色跑道，調(diào)整小車向左行駛。若2 傳感器檢測到黑色跑道，則調(diào)整小車向右行駛。

4 通信模塊

為保障變電站數(shù)據(jù)傳輸安全，保障傳輸速率，因此不能采用WIFI 傳輸。無人小車通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行信息交互并接收控制指令，進(jìn)行云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、定點(diǎn)拍照、移動(dòng)拍照、車體運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)充電等。信息交互內(nèi)容包括無人小車本體狀態(tài)和被監(jiān)測設(shè)備圖像數(shù)據(jù)。在通信中斷、接收數(shù)據(jù)異常等情況下，圖像數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出告警信息，并在通信恢復(fù)后自動(dòng)續(xù)傳。

通信系統(tǒng)參數(shù)如表3 所示。

表3 通信系統(tǒng)參數(shù)表

5 本地監(jiān)控后臺(tái)

本地監(jiān)控后臺(tái)由計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、監(jiān)控分析軟件和數(shù)據(jù)庫等組成。無人小車與監(jiān)控后臺(tái)通過無線局域網(wǎng)連接，發(fā)布指令控制小車移動(dòng)，定點(diǎn)拍照。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)交互。

①實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)查看小車運(yùn)行過程中的圖像信息、車體狀態(tài)、電池狀態(tài)信息、巡檢任務(wù)等。

②任務(wù)規(guī)劃模塊分為日常巡檢和遙控巡檢，可隨時(shí)進(jìn)行任務(wù)模式的切換。根據(jù)變電站巡檢需求，日常巡檢可提前生成巡檢任務(wù)，每天定期巡檢；遙控巡檢可進(jìn)行手動(dòng)控制，遙控小車進(jìn)行巡檢。

③歷史查詢和數(shù)據(jù)分析模塊可實(shí)現(xiàn)歷史巡檢數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、診斷和查詢。

6 狀態(tài)指示燈識(shí)別智能監(jiān)測

以往對(duì)變電站狀態(tài)指示燈進(jìn)行巡檢時(shí)，往往采用直接對(duì)指示燈圖像采集智能分析識(shí)別[16]的做法，然而變電站所處環(huán)境通常較昏暗，光線不足，容易導(dǎo)致攝像頭對(duì)指示燈位置定位不準(zhǔn)確，采集圖像質(zhì)量不好，最終影響狀態(tài)指示燈識(shí)別的正確，因此如何提高攝像頭拍攝圖像的準(zhǔn)確性成為重要工作。

無人小車搭載自主研發(fā)視覺識(shí)別算法，通過識(shí)別特定標(biāo)簽匹配機(jī)柜編號(hào)，再通過二自由度云臺(tái)進(jìn)行多角度拍攝機(jī)柜。視覺識(shí)別算法可精通過標(biāo)簽進(jìn)準(zhǔn)定位，臺(tái)賬匹配實(shí)現(xiàn)機(jī)柜綁定，將傳輸數(shù)據(jù)發(fā)到服務(wù)器供客戶端實(shí)時(shí)獲取，客戶端可實(shí)時(shí)查閱每個(gè)機(jī)柜多個(gè)視角的狀態(tài)拍照，極大提高作業(yè)效率和精度。

狀態(tài)指示燈識(shí)別流程如圖5。

圖5 狀態(tài)指示燈識(shí)別流程

①AprilTag 碼在昏暗環(huán)境下也能被識(shí)別，因此本論文提出在指示燈旁粘貼AprilTag 碼標(biāo)簽，小車巡檢過程中，攝像頭先搜索機(jī)柜上AprilTag 碼，檢測到標(biāo)簽碼后小車停車并調(diào)整攝像頭對(duì)準(zhǔn)攝像頭對(duì)焦拍照。設(shè)備狀態(tài)指示燈圖像通過AI 算法自動(dòng)識(shí)別判斷指示燈狀態(tài)。

通過AprilTag 識(shí)別算法進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)計(jì)算掃描AprilTag 的像素面積和中心點(diǎn)坐標(biāo)，確定小車和AprilTag標(biāo)簽距離和相對(duì)位置，控制器根據(jù)距離和相對(duì)位置這兩個(gè)參數(shù)產(chǎn)生兩路不同占空比的脈沖寬度調(diào)制波形，并將其輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制小車停止運(yùn)動(dòng)，使得小車在指示燈正面停止。AprilTag 識(shí)別定位程序流程圖如圖6 所示。

圖6 AprilTag 識(shí)別定位程序流程圖

后臺(tái)通過攝像機(jī)拍攝到圖像后，先對(duì)其進(jìn)行灰度化處理，再對(duì)圖片進(jìn)行高斯濾波以消除圖片中的高斯噪聲，最后對(duì)獲得的圖片采用Canny 邊緣檢測算法[17-22]進(jìn)行邊緣檢測。經(jīng)過預(yù)處理后，消除圖像中的無關(guān)信息，增強(qiáng)了有用信息，從而提高了識(shí)別AprilTag 的可靠性。

②無人小車攜帶的攝像機(jī)在識(shí)別到AprilTag 標(biāo)簽后，立即停止運(yùn)動(dòng)，對(duì)AprilTag 標(biāo)簽旁的指示燈進(jìn)行拍照，采集到包含指示燈的圖像后，通過圖像處理系統(tǒng)確定圖像中的指示燈顏色以及指示燈像素大小。在模板顏色庫中，對(duì)指示燈顏色進(jìn)行匹配處理。根據(jù)匹配結(jié)果和指示燈像素大小識(shí)別指示燈狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備指示燈狀態(tài)的智能巡檢，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及異常情況。識(shí)別出指示燈為故障狀態(tài)后，后臺(tái)同時(shí)運(yùn)維人員處理，可以大大減少人力成本。

③指示燈狀態(tài)包括：正常狀態(tài)和故障狀態(tài)。模板顏色庫中提前設(shè)置好正常狀態(tài)對(duì)應(yīng)的第一顏色范圍，以及故障狀態(tài)對(duì)應(yīng)的第二顏色范圍。在模板顏色庫中，對(duì)指示燈顏色進(jìn)行匹配處理的步驟包括：

指示燈顏色與第一顏色范圍和第二顏色范圍進(jìn)行比較，根據(jù)匹配結(jié)果以及指示燈像素大小，若指示燈顏色在第一顏色范圍內(nèi)，并且指示燈像素大小在預(yù)設(shè)像素范圍內(nèi)，則確定指示燈狀態(tài)為正常狀態(tài)；

若指示燈顏色在第二顏色范圍內(nèi)，并且指示燈像素大小在預(yù)設(shè)像素范圍內(nèi)，則確定指示燈狀態(tài)為故障狀態(tài)。

7 結(jié)論

本論文通過對(duì)電網(wǎng)變電站智能巡檢問題進(jìn)行分析，對(duì)智能巡檢裝置中的無人小車、黑白線循跡、狀態(tài)指示燈智能識(shí)別進(jìn)行研究，提出通過星光級(jí)攝像機(jī)識(shí)別AprilTag 標(biāo)簽，確定指示燈位置，控制小車定點(diǎn)拍照，從而獲取變電站指示燈狀態(tài)圖像的方法。設(shè)計(jì)出一套基于智能巡檢裝置的設(shè)備狀態(tài)指示燈監(jiān)測系統(tǒng)，極大提升變電站巡檢效率，保障電網(wǎng)供電系統(tǒng)安全運(yùn)行。

后續(xù)工作中將對(duì)更多變電站控制室進(jìn)行考察，將固定增高架更新為折疊伸縮架；增加適配變電站控制室環(huán)境的自動(dòng)回充系統(tǒng)，完成全自動(dòng)無人值守；將現(xiàn)有功能優(yōu)化，獲取更強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；優(yōu)化視覺算法，優(yōu)化指示燈狀態(tài)識(shí)別。