升压站巡检机器人巡检路径寻优方法研究

李 磊， 魏铭毅， 陈玉良

（国电电力双维内蒙古上海庙能源有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 016200）

0 引言

升压站是指变换通过电荷电压的系统，其作用是升压，从而使得线路电流减少， 以达到减少电能损失的目的[1]。升压站巡检是一项重复性机械化工作， 目前主要以人工巡检为主， 工作效率不高， 不仅会花费大量的时间和精力， 同时人员安全得不到保障。 随着人工智能技术的发展，机器人被广泛应用于升压站巡检领域，改变了当前巡检机械化作业的现状，不仅提高了巡检工作效率，同时也使得工作人员有更多时间和精力用于更复杂的工作。

1 巡检机器人及智能软件应用

1.1 系统组成

升压站巡检机器人系统基于统一开发平台开发，数据存储于大数据平台， 通过算法平台对采集数据进行计算分析，生成故障告警、预警。系统应采用B/S 系统架构，实现对所有智能设备的自动远程控制和手动控制； 系统采集数据及分析结果可通过通讯接口与其它系统进行数据共享。 监控及管理系统从结构层次自下而上主要分为监测层、数据层及展现层等多个层面。

监测层主要负责从前端智能设备系统采集原始数据。数据层主要负责原始数据分类统计、存储和分析；数据库系统采用企业级数据库，能够存储海量数据，对外接口方便。 在本层，归一化之后的数据经应用服务系统存储于数据库中，作为历史数据进行保留；应用服务系统在存储数据的同时，把数据分发给专家分析系统、告警分析系统，各个系统根据自己的业务逻辑对需要的数据进行处理，生成结果后返回应用服务，以便显示给最终用户或触发报警。

表现层直接对接工作人员， 操作人员通过客户端可以实时掌握各种信息，如视频、预警、地图、检测数据等。同时，操作人员通过客户端还能随之观看机器人的运行视频。

实时监控界面，主要是在机器人运行过程中，对其位置、巡检路线、任务进度、正在巡检设备信息以及巡检过程中实时的高清可见光和红外视频、巡检过程中实时的巡检结果、实时环境、机器人本体状态等信息进行监控和查阅。

1.2 主要功能

机器人具有全自动模式包括例行和特巡两种方式；采用无线通讯方式，巡检范围包含升压站全范围无死角。系统读取数据误差小于5%，所有检测数据、视频数据均具备实时远传，并与IMS 系统实现智能联动，智能分析、智能预警等功能；机器人具备现场人机交互功能，现场巡检人员需提取检测数据及报警数据等， 机器人具备数据智能上传至巡检人员移动设备， 并指导巡检或检修人员开展相应工作。

（1）定位、制图、导航等功能。 机器人采用激光导航，无需布置二维码、反光板等辅助定位信标。具备动态工作任务及路径规划功能， 在存在多条有效路径可到达目标任务点时，机器人平台遇到其中一条工作道路堵塞，不应出现工作任务终止的情况； 具备便于使用的导航地图更新功能，当工作环境发生变化，必要时可对导航地图进行局部调整，避免干扰导航定位。

（2）客户端功能。系统应能通过PC 进行登录及功能操作， 客户端应能够配合监控管理平台使得用户进行系统管理及巡检任务的部署；操作者可在客户端上指定目的地，并使得机器人前往目的地，实现手动对机器人遥控、成图、定位、导航等功能。

（3）防碰撞功能。在行走过程中如遇到障碍物应及时停止并报警，指定时间内障碍物移除后应能恢复行走，指定时间障碍物未移除，应采取合理的避让策略。

（4）自动充电功能。 应具备自动充电功能，通过与充电装置配合完成自动充电。 充电装置的电源输入采用交流220V/50Hz，额定输出功率不小于1800W，输出电压范围为15～60V，输出电流范围为5～30A，工作温度为-15℃～50℃，重量不大于15kg，充电装置须满足宽电压输入110～220V。

充电装置具备短路保护、正负反接保护、过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护等功能；充电装置采用独立运行模式，可以任意单独放置位置，而无需集中管理，方便现场实施部署； 充电装置具备通过遥控方式开启或终止充电的功能，本体及充电装置具备自动及手动充电模式。

（5）运行功能。系统支持全自主和遥控工作模式。全自主模式包括日常巡视和特巡两种方式。 日常巡视方式下，系统根据预先设定的工作内容、时间、周期、路线等参数信息，自主启动并完成巡视任务； 特巡方式由操作人员选定巡视内容并手动启动巡视，机器人平台可自主完成工作任务。全自主模式下，机器人平台接收本地监控系统发出的工作任务列表，机器人平台完成路径规划，并将规划结果发送至本地监控系统。 任务执行过程中，实时向本地监控系统发送工作互动通知、工作数据、机器人平台状态、机器人平台异常等数据，并可接受本地监控系统发出手动控制指令。遥控工作模式由操作人员手动遥控机器人平台，完成巡视工作。

（6）远程遥控。 该功能能够对机器人进行远程操控，界面包含可见光视频、红外视频、电子地图、车体控制、云台控制等。其中可见光视频、红外视频等模块能够相关相机所拍摄的实时画面，从而了解机器人运行是否正常；若机器人在执行巡检任务， 操作人员通过电子地图能够直接查看机器人的运行轨迹，获取机器人的实时位置；车体控制能够远程操控机器人的巡检方向以及状态，如前进、后退、停止等；云台控制则能够操控云台运行方位。

总之， 通过远程界面能够实时查询和掌握机器人的运行情况，具有较强的巡检功能，通过鼠标对机器人进行遥控，遥控的过程中为了保证机器人的安全，可以通过可见光视频和红外视频来观察机器人当前周边的环境。 遥控机器人到合适位置，通过界面控制云台运动，使得高清相机和红外相机能够对准需要巡视的设备。

2 路径规划

巡检机器人路径规划是难点同时也是重点，在设计规划时需要借助传感技术， 以便能够精准识别所处地理环境，并通过科学合理的规范手段，对机器人巡检路径进行设计，最后结合机械特性，依托智能技术确保机器人按照既定路线移动[2]。 与家居机器人相比，升压站机器人所处环境更加恶劣，噪音大、干扰强，在巡检过程中需要避开各种线路和设备， 因此巡检路径要精准， 提高路径准确性，以免因触碰设备造成不必要的安全事故。

为进一步提高升压站机器人巡检效率， 配备有两类传感器，即激光传感器和超声波传感器，可以对机器人的移动位置和速率进行实时定位， 且当机器人靠近障碍物时还会发送预警，从而有效避开障碍物，其路径规划功能见图1。 在传感技术支持下，机器人能够获悉自己的移动位置和速率，掌握周围环境，从而根据预设的路径确定前进方向[3]。 机器人在对升压站进行巡检时，机器人通过通信网络可与升压站系统互通相连，实现信息共享。机器人可以将通过图像传感器收集的升压站信息上传至智能辅助系统，同时还能从系统获取升压站巡检路径相关信息。

随着智能升压站应用的普及， 以及各类信息技术的发展，升压站环境愈发复杂，因此对机器人巡检路径规划提出了全新要求。 要求机器人不仅能够根据升压站现有路径进行巡检，同时还能及时发现巡检路线中的障碍物，从而很好的避开， 并能根据升压站环境重新规划出一条巡检路径，确保巡检任务的顺利完成。 在此过程中，需要解决好三个重要问题： ①机器人从出发点到目的地之间的大路径。升压站中各类设备、线路位置基本是固定不变的，可以明确机器人的出发位置、目标位置等，然后结合定位系统、在线地图等工具，即可确定大路径；②机器人按照巡检路径前行时，若路线中存在障碍物，在绕行后如何继续回归原有路线，避免出现路径偏差；③路径优化问题。对于升压站而言，机器人巡检路线基本不会出现较大变动，需要注意在偏离既定路线后如何纠偏这一问题，确保巡检任务按时完成。

3 开发与应用

3.1 工程概况

上海庙电厂位于内蒙古鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙镇新上海庙一号井工业广场东侧约1.5km 处。 厂址西北距上海庙能源化工基地城镇规划区约3.5km， 西距黄河约25.0km，西北距银川市约45.0km，东距鄂托克前旗所在地约70.0km。 厂址地貌类型为沙漠草原，草原内砂丘分布零散，多呈条带状分布，植被较发育，以灌木为主，地面标高1317～1329m（高程系统为1956 黄海高程基准）之间，场地自然坡度约为0.5%，地形较平缓。厂址区60.0m 深度范围内地层主要由粉砂、细砂、粉土及粉质粘土等组成，地质条件良好。

采用智能机器人技术结合可视化智能巡点检子系统，辅以“视频+无人机”进行自动巡点检工作。 机器人按照预设的路线和内容开展巡点检工作，同时利用其自学习功能积累巡点检经验， 用于修正巡点检路线和识别重点区域。机器人具备摄像、拍照、图像识别、温度扫描、其它特殊测量检测等功能。 将智能视频识别技术应用在安全生产上，通过在摄像头上加装微处理器，对监控画面实时进行智能分析，及时准确发现画面中的异常情况和安全隐患，并以短信、声音提醒等方式自动发出警报和提供有用信息，从而有效协助值班人员及时发现并处理隐患，加强安全生产。

3.2 路径规划策略实现

升压站机器人巡检路径优化涉及步骤较多，见图2，包括升压站智能系统离线路径规划、机器人沿路径移动、机器人绕行障碍物等。

图2 机器人路径规划策略示意图

（1）为进一步提高机器人巡检升压站的效率，智能巡检管理系统依托地理信息系统，路径规划图生成于二维平面，在明确机器人巡检起始点位置后，使用离散细度粒位置点体现全部巡检路线，生成二维巡检路径表[4]。

（2）经过通信网络，将升压站生成的二维巡检路线标传输到机器人中，机器人将会对路径表中各个位置对应的含义进行梳理，并转换成机器人执行命令。

（3）在路径规划中应围绕路径寻优需求制定相应的衡量标准，通常需要考虑长度、电量消耗、安全性、时间等要素。在路径规划上应建立道路网模型，运用射频识别标签对机器人巡检路径中的停靠点进行标示。 停靠点分为检测点和行进点两种，当机器人到达检测点时将执行巡检任务，完成任务后继续运行到下一停靠点。巡检路径最优规划则包括两个部分，一是局部最短路径，即任意两个停靠点之间的最短路径；二是全局最短路径，即总路径最短的输入的停靠点最优化组合。最优路径选择应去除多余拐点，找到一条最优的无碰撞路线，确保巡检机器人耗费最短距离、时间和能量，从起点到达目标点。 基于栅格算法，机器人通过对比巡检路径表中的起始位置，分析当前位置存在的偏移，然后自动运行至起始位置，根据预先设定的路径完成升压站巡检工作。 在移动时，机器人立足当前位置，使用栅格方式对四周方向进行细化，栅格数据将对移动方向等信息进行记录，并根据行列号将机器人所在位置转化成对应的坐标， 即根据数据集中数据的位置来获得具体的定位，在栅格结构中，一个栅格单元表示一个点，线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示[5]。 通过栅格细化方式，能够确保机器人按照既定路线移动。

（4）对于升压站中巡检线路中的障碍物情况可以通过传感器获得。机器人借助传感器测量、分析和处理周围环境状态，从而实现与周围信息的实时交互，并通过控制系统对结果进行分析， 然后根据预先编写的程序下达对应的指令任务[6]。

（5）根据在线地图的巡检路径，对障碍物方向进行辨别与排除，并采用切图像法选择最佳路径前行，即路径偏移最小的方向。

通过上述路径规划策略， 机器人在确定好升压站巡检移动距离、步长等信息后，就能选择最佳的移动方向开展巡检任务。

4 结束语

在升压站应用机器人开展巡检工作，不仅能够降低人力成本，同时还能有效避免安全事故的发生，这对于升压站的稳定运行有着重要的作用， 而且亦能为升压站的高效运行提供有力的保障。当前，在升压站巡检机器人设计中，路径优化是重难点。本文结合上海庙电厂实例，设计了基于传感技术的机器人路径规划方案，可在升压站巡检路径规划中广泛应用，从而推动升压站巡检智能化程度，提高巡检工作效率，减少人力、物力成本的投入，具有良好的社会和经济效益。