智能机器人结合铁路牵引变电所的运行与检修

智能机器人结合铁路牵引变电所的运行与检修OperationandMaintenanceofIntelligentRobotCombinedwithRailwayTractionSubstation【摘要】：近几年我国铁路系统网络高速的发展，铁路前期的基础建设已经愈加的完善、成熟，但在铁路后期运营维护方面可能受限于人员和技术等方面的原因，一些设备在运行状况下不能科学的去检测和管理，这就在一定程度上影响了铁路系统的正常营运。通过使用智能机器人技术能够辅助甚至代替人工对变电所的巡检，从而使得铁道供电系统更加可靠的运行。本文先是介绍了智能机器人系统实施的背景及其在变电所的发展，同时也深入的探究了在工作现场实际运行的可行性。通过变电所智能机器人的研究，具体的分析了智能机器人巡视系统中系统的总体构架、软硬件控制系统、基站系统和移动端系统。通过对该系统的实际使用，总结系统的优点和不足，在铁路牵引变电所原有的控制系统结合目前智能机器人探究更加可行的智慧化铁路网络的运行检修模式。【关键词】：智能机器人；铁路牵引变电所；巡检；运行与检修Abstract:TherapiddevelopmentoftheChina’srailwaysystemnetworkinrecentyears,theinfrastructureconstructionintheearlystageoftherailwayhasbecomemoreandmoreperfectandmature.However,theoperationandmaintenanceinthelaterstageoftherailwaymaybelimitedbythereasonsofpersonnelandtechnology,andsomeequipmentcannotbetestedandmanagedscientificallyundertheoperationcondition,whichtoacertainextentaffectsthenormaloperationoftherailwaysystem.Theintelligentrobottechnologycanassistorevenreplacetheartificialinspectionofthesubstation,sothattherailwaypowersupplysystemcanoperatemorereliably.Firstly,thispaperintroducesthebackgroundoftheimplementationofintelligentrobotsystemanditsdevelopmentinthesubstation,atthesametime,italsodeeplyexploresthefeasibilityoftheactualoperationintheworksite.Throughtheresearchofintelligentrobotinsubstation,theoverallframework,softwareandhardwarecontrolsystem,basestationsystemandmobileterminalsystemofintelligentrobotinspectionsystemareanalyzed.Throughtheactualuseofthesystem,theadvantagesanddisadvantagesofthesystemaresummarized.Theoriginalcontrolsystemoftherailwaytractionsubstationiscombinedwiththecurrentintelligentrobottoexploreamorefeasibleoperationandmaintenancemodeoftheintelligentrailwaynetwork.Keywords:intelligentrobot；railwaytractionsubstation；operationandmaintenance目次1绪论研究背景和意义----------------------------------------------11.2国内外巡视技术研究现状--------------------------------------21.3论文主要内容------------------------------------------------2智能机器人巡检系统2.1智能机器人巡检系统总体框架----------------------------------2.1.1智能机器人系统总体框架概述------------------------------2.1.2智能机器人硬件和软件构架--------------------------------2.2机器人巡检系统的软件控制系统--------------------------------2.3基站系统----------------------------------------------------2.3.1基站创新点----------------------------------------------2.3.2基站功能------------------------------------------------2.3.3基站系统在牵引变电所运行检修中的作用--------------------2.4移动站系统--------------------------------------------------2.4.1移动站创新点--------------------------------------------2.4.2移动站外形结构部件--------------------------------------2.4.3移动站控制部分------------------------------------------2.5基础设施----------------------------------------------------2.6本章小结----------------------------------------------------3目前巡视机器人在牵引变电所的应用效果3.1巡视机器人运用情况------------------------------------------3.2巡视机器人运用中的优点与不足--------------------------------3.2.1优点----------------------------------------------------3.2.2不足----------------------------------------------------3.2.3本章小结------------------------------------------------4结论与展望------------------------------------------------------5参考文献--------------------------------------------------------第1章绪论1.1研究背景和意义随着我国电力技术发展节奏的加快，电网建设和电力体系改革的深入，我国电力系统的自动化、智能化得到很大的提升。变电所的巡检工作是保障电力设备正常运行和安全稳定的基础，传统的巡检任务要求运维工作人员定期到各变电所巡视，采集大量的数据并且进行繁琐的周期性巡检工作。在遭遇大风、大雪及雷雨等恶劣天气时无法及时对设备状态进行巡视，这些情况使得人工巡检受到环境、个人等因素的制约，从而导致变电所运行过程中存在安全隐患丢失优先安排处理的机会。伴随着科学技术不断的发展和各领域水平的不断优化，使用智能机器人技术实现变电所巡视工作初步的功能。同时，智能机器人能够全天全方位对变电设备进行检测，让运维人员从繁琐的周期巡检工作中解放出来。通过对牵引变电所运行情况的深入分析，可以发现牵引变电所巡检方式在不断的进行改进，但没有很好的解决巡检人员到位率低、设备的巡检质量不高和人为捏造巡检报表等问题。各方面存在的这些问题使牵引变电所现场巡检更加的困难，即给设备安全、稳定运行留下了隐患。经分析和总结后，现场巡视作业问题具体表现在以下几个方面：牵引变电所针对现场巡视作业制定的定期巡查制度，更多的只是停留在书面层面上没有实际的行为、缺少执行的力度，尤其是对于一些相对容易出现故障和缺陷的设备，更新设备缺乏方法和经验去检修，运维人员在进行现场检修任务时不能保证达到巡视目标。目前更多的人员参加铁路工作，各牵引变电所运行检修人员的文化和技能水平存在差距。具有不同的技能的人员不能得到很好的分配，比如大学毕业的应届生没有足够的实践操作经验。虽然对人员的现场工作编排规程，但是在运行维修人员现场执行中没有贯彻和落实，与之而来就出现了诸多的问题。随着我国铁路体制改革的深入，牵引变电所引入了新的设备和技术，这导致长期运维的工作人员对设备的熟悉程度降低，使得设备巡检质量不高现场巡视有一定的困难。针对以上情况进行具体的分析后，本文在牵引变电所的传统运行巡检方式上结合智能机器人技术探究不同的巡检思路。近些年，国内的智能机器人技术逐渐的进步结合电力牵引网本身的建设，智能机器人巡视系统得到广泛的运用，与此同时运用机器人能够安全稳定的完成电力系统运行。智能机器人巡检系统能在巡检的过程中准确的完成牵引变电设备巡检任务，并且在终端设备监控后台中具有数据的概括和汇总，运维操作人员能够运用这些数据进行分析、评估，进而更加了解设备的运行状态。通过记录和历史数据曲线分析可以明显提高牵引变电所设备的可预测性，为变电设备检修和运行状态评估提供非常有效的数据支持，这直接减少了设备发生事故的可能性。根据前文所述，将智能机器人引入电力系统巡检有关的电力设备，即减轻了运维人员繁重的巡检任务，使得工作人员远离带电设备，并且为推广和普及智能化变电所提供了创新的技术实验和现场检测手段，提高了电力系统的安全和稳定运行水平。1.2国内外巡视技术研究现状随着电气自动化技术快速的发展，智能机器人也逐渐的引入各个行业。由于机器人能够完成甚至代替人在各领域的功能，而且具有实用性和良好的发展前景，世界各国都加快对智能机器人的研制。美国军方在1984年研制出了世界上第一台地面自主机器人，1992年美国又研制出了一种时速可达75公里的自主车。但这些仅仅是样机的开发和应用，还存在诸多技术上的困难有待解决，也限制了应用范围和功能未形成规模化应用。在应用研究领域中电力系统的应用是最为典型的，2003年日本研究人员率先提出巡检机器人的研究方案，并完成了实验室模拟实验。此研究方案不仅仅是研制出不同类型的机器人，更是把这些机器人放在运用的角度来发展，用来代替人在高危恶劣环境中工作。随后，日本四国电力公司与东芝公司及其他研究所共同设计制造了一款轨道移动式机器人，用于500KV变电站设备的监控（如下图为日本研发的轨道式变电巡检机器人）。但由于技术上出现的一些问题，仅在2-3所变电站试用，并停止后续的研发。而在国外还未见应用于变电站内可实际运行的设备巡检机器人。近年来，随着计算机技术的进展和微机监控技术在变电站的推广使用，变电站巡视机器人系统因其灵活的控制/运行方式、不受天气因数影响等优点，逐渐在无人值守或少人天气因素影响等优点，逐渐在无人值班或少人值守变电站对户外高压设备执行巡视任务，为及时发现和消除设备缺陷，预防事故发生，确保设备安全运行发挥了一定的作用。传统的变电站巡视主要是通人工方式，综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查，该方式存在劳动强度大、检测质量分散、主观因素多等缺陷。图1-1轨道式变电站巡检机器人电力系统机器人属于典型的特种机器人，现如今对其的研究也越来越深入，在国际上也有独特的领域对特种机器人进行运用研究。国内外研究并已投入实际应用的电力特种机器人主要有：高压带电作业机器人、高压巡线机器人、变电站设备巡检机器人、变电站瓷瓶清扫机器人、锅炉承压部件检测机器人、核电站作业机器人、电缆管道检测机器人等。经过多年的探索，目前国内变电站机器人设备巡视领域的研发动力十足，并积累了许多的宝贵经验。2019年11月，由中铁电气化局电气化装备研发中心自主研发的牵引变电所智能巡检机器人产品，正式投入京张高铁崇礼铁路小白阳牵引变电所执行巡检任务。下图为京张高铁牵引变电所巡视智能机器人。图1-2京张高铁牵引变电所巡检机器人正在巡视作业1.3论文主要内容本文主要针对牵引变电所巡视过程中存在的问题，结合智能机器人在运行中的实地情况，具体的分析智能机器人巡视系统的结构、功能以及实现过程，并在以下几个方面进行研究。对智能机器人巡检系统总体框架构成和功能详细的分析，其中介绍了该机器人巡视系统中的模块式分布并描述各模块所对应的功能结构。（2）该智能机器人巡检系统具体分为基站系统和移动站系统，介绍基站系统的功能和各模块方案的设计以及在牵引变电所运行检修中的作用，对移动站系统从外形机械结构和控制部分角度分析。（3）在牵引变电所中智能巡检机器人的应用效果，并从机器人现场实际运用情况中总结系统的优点和存在的不足之处。最后为本文的总结与展望，总结了智能机器人在牵引变电所巡检上有更加良好的推广应用前景，同时也列举了巡检系统在实际现场有待完善解决的一些问题。第2章智能机器人巡检系统2.1智能机器人巡检系统总体框架2.1.1智能机器人系统总体框架概述智能机器人巡检系统控制结构采用的是分层式结构，主要分为两层：移动站系统层（机器人本体）和基站系统层（机器人监控后台）[[]李向东,鲁守银,王宏等.一种智能巡检机器人的体系结构分析和设计.机器人，2005，27(6):502-506[]李向东,鲁守银,王宏等.一种智能巡检机器人的体系结构分析和设计.机器人，2005，27(6):502-506具体系统的结构如图下图2-1所示。2.1.2智能机器人硬件和软件构架基站系统层主要组成部分是后台工程机、网络集线器（HUB）、无线通讯设备和基站导航定位规划系统等。后台工程机系统基于Windows系统，采用C++编程语言进行开发设计，主要提供的功能有：为操作人员提供操作交互界面、监控机器人的各项状态信息、规划机器人的运动路线[[]李颖,陈纪海,刘昊.变电站机器人巡检系统信息安全问题的研究与探究.信息技术与信息化,2017(Z1):147-150.[]李颖,陈纪海,刘昊.变电站机器人巡检系统信息安全问题的研究与探究.信息技术与信息化,2017(Z1):147-150.移动站系统层两大模块分为移动本体和控制检测系统，可以实现机器人运动控制、驱动电机控制、RFID采集、移动站导航定位、云台控制、可见光图像采集、红外测温图像采集、超声信息采集、无线网络通信等功能。移动站控制程序是基于WINCE操作系统，采用C++编程语言开发设计，主要功能是采集处理导航定位信息，根据后台工程机的控制命令来控制机器人的运动，上传机器人的状态信息以及机器人采集的可见光图像、红外测温图像和声音等数据[[]钱金菊,王柯,王锐,彭向阳.变电站智能机器人巡检任务规划.广东电力,2017,30(02):143-149.[]钱金菊,王柯,王锐,彭向阳.变电站智能机器人巡检任务规划.广东电力,2017,30(02):143-149.基站和移动站系统均采用无线通信设备进行数据连接，完成数据的传输和对机器人进行遥控[[]董吉文,冯文强,鲁守银等.变电站巡检机器人控制系统设计.微计算机信息,200925(2):220-222.[]董吉文,冯文强,鲁守银等.变电站巡检机器人控制系统设计.微计算机信息,200925(2):220-222.2.2机器人巡检系统的软件控制系统机器人巡检系统的软件控制系统，可以分为三大部分：（１）基站软件系统。（２）移动站软件系统。（３）微型嵌入式软件系统。这三大系统分工协作，共同完成整套的巡检任务。其中移动站系统与其他两个系统之间均有交互，自身内部也有与第三方协作的模块，这种高度耦合性使得系统设计过程中不得做出一些妥协，以维护整个项目的可扩展性。这套软件控制系统，严格的来说是一个具有很强实时性的数据监控系统。具体表现在系统接受到数据后对其的处理方式上，比如：把该数据当做状态量进行展示，或当做事件对其进行实时响应。同时，基站系统也是控制中心，直接给其他两大系统下达指令[[]李祥,崔昊杨,曾俊冬,江超,唐忠.变电站智能机器人及其研究展望.上海电力学院学报,2017,33(01):15-19.[]李祥,崔昊杨,曾俊冬,江超,唐忠.变电站智能机器人及其研究展望.上海电力学院学报,2017,33(01):15-19.系统主框架以机器人运行为中心，主体内部以视频采集、云台、导航、安防和电源管理等模块与机器人运行中心协作交互。外围系统中基站和微型嵌入式系统与主体框架中指令代理中心进行数据相互传输，地图汇集更新入地图数据代理中心。这样主体框架中的各个模块和外围系统协同机器人实时的运行。图2-5系统主框架及其外围系统关系移动站软件的整体构造在下列图示中能够说明系统关系。如图２－４所示，从框架图可以看出，框架可以分为三层：边界层、控制层、实体层。系统以事件为驱动方式，图中的连线是模块间事件流的走向。如图２－５是主体框架和外围接口间的关系图[[]彭林,王邵亚.巡检机器人在无人值守变电站的应用探究.电子世界,2017(01):157+159.[]彭林,王邵亚.巡检机器人在无人值守变电站的应用探究.电子世界,2017(01):157+159.2.3基站系统2.3.1基站创新点基站除了用于以前的无线通讯之外还增加了不同新功能以便操作人员实时监控巡检机器人的运行状态和更好的检测设备。在基站运行模式上增加识别的功能，能快速完成对站内具体电气设备的检测任务，实现基站系统分区模块的运用。在巡视机器人上加装超声感应模组以实现声音检测与判断功能，如变电站设备出现异常，机器人本体将通过基站系统无线通讯设备上传异常数据至操作界面，经系统检测和判断会自动报警。基站系统还增加了变电所设备仪表识别读数功能，巡视机器人通过基站导航定位运行至指定位置对仪表读数识别，对仪表盘读数图片信息上传保存到后台系统供有关人员分析处理。2.3.2基站功能基站系统主要的设备组成是后台主机、集线器、无线通讯设备和基站导航定位规划系统等。后台工程机系统基于Windows系统，采用Ｃ＋＋编程语言开发设计，主要提供的功能有：为操作人员提供操作的界面，监控机器人的各项状态信息，规划机器人行动的路线[[]鲁守银,张营,李建祥,慕世友.移动机器人在高压变电站中的应用.高电压技术,2017,43(01):276-284.[]鲁守银,张营,李建祥,慕世友.移动机器人在高压变电站中的应用.高电压技术,2017,43(01):276-284.基站系统结构为：（１）任务管理（２）图像监控（３）机器人控制（４）数据存储（５）查询（６）机器人状态显示（７）报警显示（８）配置2.3.3基站系统在牵引变电所运行检修中的作用基站系统包含各个模块方案，这些模块能够整合完成巡检机器人在牵引变电所中的巡视任务。该系统平台建立在调度控制系统和牵引变电所之间，通过无线通讯设备传输数据完成智能巡检机器人与本地后台及远程集控后台的双向交互，远程集控后台可以实时的读取现场变电所监测数据与智能机器人本体状态数据。基站系统中巡检任务模块能够实现创建、存储和删除智能机器人自动巡检任务。在人机界面中可以新建和删除任务，还可以手动定时，提前设定任务执行时间。智能巡视机器人执行任务的流程：远程集控后台操作有关人员收到任务开始执行，将本次巡检任务包括的设备发送给巡检机器人，机器人开始执行，到达指定的设备时通知基站，基站将要执行的检测动作发送给巡检机器人，完成检测后向下一个设备方位运行，完成所有的检测任务后返回充电仓进行充电。基站系统中图像监控模块在巡视机器人执行任务时拍摄可见光和红外线的视频图像，可以在基站显示屏界面上实时的显示，系统会根据任务设定对图像进行自动抓取，操作人员也可以控制摄像头的云台，对某个特定的角度进行拍照[[]李震.山东电网变电站机器人系统设计与应用研究.华北电力大学,2017.]。[]李震.山东电网变电站机器人系统设计与应用研究.华北电力大学,2017.图2-7监控模块结构示意图机器人控制模块可以完成远程控制机器人运动、控制云台的转动、调整摄像头的焦距和对拍摄的图像拉近和拉远、使用红外测温仪对设备测温等。可以使用鼠标和键盘进行操作[[]郝永鑫.变电站全地形巡检作业机器人结构设计与实现.山东大学,2016.[]郝永鑫.变电站全地形巡检作业机器人结构设计与实现.山东大学,2016.许多巡视机器人都在键盘上设置好了快捷方式，这样可以使得人工控制更加的方便，就比如下图，可以用键盘上的W、S、A、D这四个键控制车体向前向后、向左向右运动，+、-控制云台摄像头拍摄图片的拉近和拉远。下图2-8为控制模块结构图图2-8控制模块结构图系统中建立了一个实时动态数据库，用以保存智能机器人在执行任务时产生的各项日志、表计数据、测温数据及外观检测记录进行实时保存，这样可以使得各个模块数据的交互更加的便捷。后台的数据库再把这些实时得到的数据信息长期的进行保存。这些动态数据的统筹分析对牵引变电所设备故障的预测和检修更加具有弹性的维修时间。结合查询模块能够查询各项日志，系统自动生成巡视报表，还可以通过查询平台对设备的历史温度进行分析查看。下图2-9为查询模块结构图图2-9查询模块结构图机器人状态显示模块能将智能机器人的状态参数、各个传感器实时工作状态、无线通信状态以及发出的报警信息显示出来。当出现故障或设备工作异常时报警输出模块向基站系统发出报警信号，并储存发生异常的数据，方便以后查询和分析。而且能够使用配置模块对智能机器人的各项功能进行设置，用以更好的解决巡检时功能的需求。2.4移动站系统2.4.1移动站创新点智能机器人是整个机器人巡检系统的现场移动作业载体和设备信息数据采集及控制的载体。随着巡检机器人大面积的普及推广在各方面存在的不足能够快速得到反馈解决。在智能机器人动力能源装配方面，采用锂电池，其在电池容量方面更突出。一是增加了电池使用时间，二是提高了电池的利用率，增加动力能源配置方面的使用寿命。并且在原基础上重新设计了充电结构，能更稳定的给电池充电，保证巡视机器人正常高效的工作。为机器人更换了外壳和磁条相关零部件，保证了巡检机器人在雨、雪、雾等天气所需的防水条件。对巡视机器人充电过程进行监控，保证充电过程的正常稳定。为能实时的监控油温的变化，增加固定的监测点，记录动态的数据变化。