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1　目標(biāo)和概述

1.1　建設(shè)背景及行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

發(fā)電企業(yè)的智能制造過程即電力智能生產(chǎn)。隨著PLC和電腦的運用，我國大部分發(fā)電企業(yè)的自動化水平日益提高，但行業(yè)整體智能化水平偏低，巡檢、檢修等工作仍主要采用傳統(tǒng)人工方式開展。通過人的感官對設(shè)備進(jìn)行簡單定性判斷，主要通過看、觸、聽、嗅等方法實現(xiàn)。但是，人工巡檢存在著很多不足。傳統(tǒng)人工巡檢方式具有勞動強度大、工作效率低、檢測質(zhì)量分散、手段單一等問題，人工檢測的數(shù)據(jù)也無法準(zhǔn)確、及時地接入管理信息系統(tǒng)。并且，隨著無人值守模式的推廣，巡視工作量越來越大，巡檢到位率、及時性無法保證。此外，在高原、缺氧、寒冷等地理條件或惡劣天氣條件下，人工巡檢還存在較大安全風(fēng)險，缺乏有效的巡檢手段。大風(fēng)、霧天、冰雪、冰雹、雷雨等惡劣天氣下，也無法及時進(jìn)行巡檢。因此，傳統(tǒng)變電站巡檢方式急需新的“接班人”。

當(dāng)前，我國發(fā)電行業(yè)已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，各發(fā)電企業(yè)都不同程度面臨勞動生產(chǎn)率不高、科研投入不足、創(chuàng)新驅(qū)動力不夠等問題，多措并舉地提質(zhì)增效已成當(dāng)務(wù)之急，加快智能化建設(shè)無疑是助力我國發(fā)電行業(yè)轉(zhuǎn)型、提升行業(yè)整體競爭力的重要抓手。

智能機器人是智能制造最具代表性的裝備，是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵元素，隨著智慧電網(wǎng)的提出和發(fā)展，將智能巡檢運用到其中是當(dāng)下建設(shè)智慧電廠的全新目標(biāo)。狀態(tài)巡檢與故障診斷是實現(xiàn)其智能化的重要手段。國家電網(wǎng)公司早在1999年即開始相關(guān)研究工作，隨著近年電網(wǎng)規(guī)模快速增大，越來越多的智能機器人走上變電站巡檢崗位，在很大程度上實現(xiàn)了對人工巡檢的替代，2016年，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《變電站智能機器人巡檢系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。

而水電站場地條件和設(shè)備都較變電站復(fù)雜，水電廠設(shè)備之間關(guān)系密切，相互耦合構(gòu)成有機整體，設(shè)備分析與診斷需要關(guān)聯(lián)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)，要從全局進(jìn)行考慮。為了全面準(zhǔn)確地分析設(shè)備運行狀態(tài)、評估設(shè)備健康狀況，需要一個符合智能電廠要求的集成所有設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的一體化巡檢與分析平臺。

1.2 主要目標(biāo)

綜合智能巡檢系統(tǒng)的初期建設(shè)目標(biāo)是在各電站建立一套基于智能巡檢機器人和攝像頭的智能巡檢系統(tǒng)，通過智能巡檢與人工巡檢交替進(jìn)行，在一定程度上實現(xiàn)對人工巡檢的替代，延長人工巡檢周期，降低運行人員巡視強度和安全風(fēng)險。在自然災(zāi)害、新冠肺炎疫情等特殊情況下，綜合智能巡檢系統(tǒng)能夠臨時性地全面替代人工巡檢。解決方案的中期目標(biāo)即智能巡檢系統(tǒng)經(jīng)過成熟發(fā)展，能完全替代人工巡檢，并具備各種安全預(yù)警功能，例如安全帽檢查、違章糾正等。其遠(yuǎn)期目標(biāo)是隨著智能領(lǐng)域前沿科技的發(fā)展，智能巡檢系統(tǒng)在完全替代人工巡檢的基礎(chǔ)上，逐步具備故障診斷、智能分析等功能，能自主對設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評估，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供支撐。

1.3 總體概述

水電站綜合智能巡檢系統(tǒng)主要由智能巡檢機器人、綜合智能巡檢系統(tǒng)、綜合智能巡檢系統(tǒng)監(jiān)控后臺組成。

智能巡檢機器人是智能巡檢系統(tǒng)的核心部分，集成可見光攝像機、紅外熱成像儀、溫濕度等多種傳感器，通過精確的導(dǎo)航和設(shè)備定位，以全自主或遙控方式，完成預(yù)先設(shè)定的巡檢任務(wù)，對電站進(jìn)行巡檢。

巡檢機器人與電站原有工業(yè)電視系統(tǒng)及其他輸入源相結(jié)合構(gòu)成綜合智能巡檢系統(tǒng)。電站工業(yè)電視系統(tǒng)和其他輸入源作為除巡檢機器人以外的數(shù)據(jù)采集方式，與巡檢機器人共同構(gòu)成智能巡檢系統(tǒng)。對于巡檢機器人在巡檢過程中遇到的個別檢測盲點問題，以及移動受限導(dǎo)致的個別部位無法巡檢問題，采用輔助視頻和紅外監(jiān)控點作為巡檢機器人的有效補充。

機器人、工業(yè)電視及其他輸入源共同構(gòu)成綜合智能巡檢系統(tǒng)的后臺控制、監(jiān)控系統(tǒng)。包括實時監(jiān)控、機器人狀態(tài)控制、機器人巡視任務(wù)管理、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、系統(tǒng)互聯(lián)、報表統(tǒng)計、系統(tǒng)配置、告警管理等功能模塊，實現(xiàn)實時監(jiān)控、機器人實時狀態(tài)控制、巡檢任務(wù)管理、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計等。同時，監(jiān)控后臺系統(tǒng)應(yīng)與能源網(wǎng)絡(luò)智能化應(yīng)用示范平臺進(jìn)行聯(lián)動。

水電站綜合智能巡檢系統(tǒng)主要任務(wù)是通過智能巡檢機器人在一定程度上代替人工巡檢，降低運維人員設(shè)備巡視強度和安全風(fēng)險，提升巡檢質(zhì)量。巡檢范圍包括主廠房（發(fā)電機層、水輪機層、蝶閥層）、副廠房（廠用屏室、中控室）、主變、GIS室、大壩等。其中，主廠房發(fā)電機層、GIS室、大壩、主變區(qū)域為智能巡檢機器人巡檢范圍，其余區(qū)域結(jié)合電站工業(yè)電視系統(tǒng)巡檢。綜合智能巡檢系統(tǒng)巡檢內(nèi)容包括各儀器設(shè)備外觀、儀表表計讀數(shù)識別、溫濕度識別、漏水識別、漏油識別、現(xiàn)場光照判斷識別、安全帽佩戴識別、開關(guān)狀態(tài)識別、指示燈狀態(tài)識別、噪聲識別、振動識別等。巡檢機器人還需具有離線數(shù)據(jù)采集功能，在未聯(lián)網(wǎng)的情況下完成巡檢任務(wù)時，機器人自身應(yīng)能完成數(shù)據(jù)采集并存儲采集數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，能上傳至后臺。

綜合智能巡檢系統(tǒng)監(jiān)控后臺系統(tǒng)人機界面操作友好、方便，信息顯示清晰，便于人機交互。能夠?qū)υO(shè)備的可見光、紅外視頻和機器人狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視；通過任務(wù)管理和遙控等手段對機器人實施有效管理和控制；提供各類數(shù)據(jù)的實時查詢和分析能力；自動生成巡檢任務(wù)報告；提供巡檢報告打印、實時數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)分析診斷功能。

2　方案介紹

2.1　系統(tǒng)架構(gòu)

一套完整的綜合智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模式識別及故障判斷系統(tǒng)、后臺監(jiān)控系統(tǒng)以及傳輸網(wǎng)絡(luò)四部分組成，如圖1所示。

圖1 典型的綜合智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2　硬件設(shè)備

（1）智能巡檢機器人及其自身攜帶的各種檢測設(shè)備。智能巡檢機器人的選擇以“部署便捷、運動性強、安全性高”為原則。為此，各電站宜采用具備無軌導(dǎo)航、輪式結(jié)構(gòu)、續(xù)航能力強、防撞防跌等能力的性能優(yōu)異的智能巡檢機器人。

（2）帶云臺（或固定）的高清可見光攝像頭。在智能巡檢機器人的巡檢范圍之外，可將帶云臺（或固定）的高清可見光攝像頭作為重要的數(shù)據(jù)采集裝置采集水電站運行設(shè)備的狀態(tài)，尤其是水車室、技術(shù)供水室等重點區(qū)域。各電站應(yīng)在充分利用已建工業(yè)電視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以“看得清”為原則適當(dāng)增配高標(biāo)準(zhǔn)的可見光攝像頭。

（3）帶云臺（或固定）的高清紅外光攝像頭。紅外測溫在設(shè)備巡檢中具有重要作用，可將帶云臺（或固定）的高清紅外光攝像頭作為數(shù)據(jù)采集裝置采集水電站運行設(shè)備的狀態(tài)，尤其是機組出口隔離刀閘、廠用變等重點區(qū)域。

（4）微型氣象站（根據(jù)天氣情況決定機器人是否進(jìn)行室外巡檢）。

（5）各種固定的溫度/濕度傳感器。

（6）各類手持式的巡檢終端。

2.3　軟件平臺

服務(wù)器為智能巡檢系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，采用的型號為Dell R540，預(yù)裝Windows Server 2012操作系統(tǒng)。

客戶端為智能巡檢系統(tǒng)提供界面展示、報告生成、機器人遠(yuǎn)程操作等功能，主機采用型號為H PG280 MT的個人PC，配32寸顯示器及有線鍵鼠。預(yù)裝Windows 10操作系統(tǒng)以及智能巡檢系統(tǒng)配套軟件。

2.4　數(shù)據(jù)通信

各電站應(yīng)建設(shè)覆蓋整個水電站的獨立局域網(wǎng)供綜合智能巡檢系統(tǒng)使用。局域網(wǎng)應(yīng)當(dāng)采用自適應(yīng)速率的工業(yè)以太網(wǎng)，以無線網(wǎng)絡(luò)加有線網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行綜合布置。傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

獨立局域網(wǎng)使用的區(qū)域交換機應(yīng)采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，主交換機應(yīng)采用1000M單模光口。在智能巡檢機器人行走區(qū)域（室內(nèi)和室外）應(yīng)增加支持802.11 ac Wave2協(xié)議的工業(yè)級無線AP，采用千兆電口/光口上行鏈路，保證無線高速傳輸，采用PoE遠(yuǎn)程供電，外殼滿足IP66或以上的防護(hù)等級。以上設(shè)備構(gòu)成10-100-1000Mbps自適應(yīng)交換式工業(yè)以太網(wǎng)。

圖2 傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3　代表性及推廣價值

3.1　技術(shù)亮點

（1）綜合智能巡檢：具備5R一體工作法的智能巡檢機器人結(jié)合工業(yè)電視（監(jiān)控）系統(tǒng)形成全覆蓋無死角，更強適應(yīng)能力和融合能力的綜合智能巡檢系統(tǒng)平臺。

（2）“5R一體化巡檢”工作法：即五個實時（5R）：實時拍照、實時識別、實時分析、實時處理（報警）、實時上傳，保證了巡檢的客觀性和實時性。一體化：即在區(qū)域內(nèi)一體巡檢，無論是水平空間、垂直空間還是室內(nèi)室外、樓上樓下都能實現(xiàn)單臺巡檢機器人全覆蓋巡檢。同時可聯(lián)運環(huán)境內(nèi)已有裝置（在線監(jiān)測、監(jiān)控等），讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)一體化巡檢。讓巡檢機器人的效能最大化。

（3）云邊結(jié)合系統(tǒng)：實現(xiàn)智能巡檢機器人由傳統(tǒng)的基于信號的控制轉(zhuǎn)變?yōu)榛谛畔⒌目刂啤Ｗ屟矙z機器人具有學(xué)習(xí)、感知、決策、預(yù)測等自主能力，在巡檢過程中，機器人端即可對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行識別分析。云服務(wù)則真正實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，一是保障了巡檢數(shù)據(jù)的安全性，二是實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源多站共享。隨著機器人分布的擴(kuò)展和應(yīng)用數(shù)據(jù)的積累，讓整個巡檢系統(tǒng)變得逐漸更加客觀、實時、完整，逐步形成專家運維系統(tǒng)。

（4）離線巡檢

機器人本體帶有數(shù)據(jù)庫，在斷網(wǎng)的情況下，依舊可以按原有計劃進(jìn)行例行巡檢，并將巡檢數(shù)據(jù)存儲在機器人本體中，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，最大程度保證了巡檢計劃的有效性和巡檢數(shù)據(jù)的完整性。

（5）智能化超快部署

對于巡檢工作而言，巡檢點從數(shù)百到上萬不等，這對于機器人的部署而言，就變得非常復(fù)雜，公司獨創(chuàng)PAD部署，技術(shù)服務(wù)人員在現(xiàn)場可以快速完成巡檢部署，用戶也可根據(jù)自身需求，快速進(jìn)行點位的增加或刪除，提高了巡檢機器人的適用性。

3.2　經(jīng)濟(jì)效益

水電設(shè)備狀態(tài)智慧分析與預(yù)警系統(tǒng)提升了巡檢效益和巡檢質(zhì)量。其自動巡檢功能投入使用之后，人工巡檢工作可以降低巡檢頻次乃至取消，節(jié)約了人力資源。水電設(shè)備狀態(tài)智慧分析與預(yù)警系統(tǒng)的自動巡檢可做到24小時不間斷巡檢，增加了設(shè)備巡檢的頻率。

機器人巡檢作業(yè)直接提高工效約3~5倍（按照人工巡檢3天一個周期計），加上天氣變化等因素的特殊作業(yè)，綜合工效提高約10倍左右。

水電設(shè)備狀態(tài)智慧分析與預(yù)警系統(tǒng)可根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)分析設(shè)備劣化趨勢，為水電廠設(shè)備狀態(tài)檢修提供依據(jù)，合理分配設(shè)備檢修周期，節(jié)省不必要的檢修開支。

3.3　社會效益

新冠肺炎疫情期間，全面使用水電設(shè)備狀態(tài)智慧分析與預(yù)警系統(tǒng)的自動巡檢功能代替人工巡檢，有效地避免了巡檢過程中人與人的接觸，降低了新冠肺炎傳播的風(fēng)險。

智能機器人巡檢平臺替代人工巡視、測溫、儀表數(shù)據(jù)采集等工作，可將運維人員從繁重的巡視工作中解放出來，投入到運維一體及設(shè)備診斷分析工作中去，從而提高運維工作效率。一定程度提升了轄區(qū)居民用電的可靠性和安全性。

3.4　應(yīng)用情況及效果

通過智能機器人與帶云臺（或固定）的可見光（紅外）攝像頭相結(jié)合，研究開發(fā)出一套應(yīng)用于水電站巡檢的綜合智能巡檢系統(tǒng)。相較于人工巡檢，該系統(tǒng)在繼承其大量經(jīng)驗的同時，還具備以下優(yōu)勢：

（1）增加巡檢安排的靈活性和及時性，既能按照計劃定期開展巡檢，又能根據(jù)需求隨時開展針對性巡檢。

（2）提升巡檢客觀性和可靠性，有效避免人工巡檢因人員工作能力、經(jīng)驗、身體狀態(tài)、主觀意識等原因?qū)е碌恼`差。

（3）擴(kuò)大巡檢范圍，基本可以覆蓋電站生產(chǎn)區(qū)域的主要設(shè)備，不受場地條件、安全等因素的限制。

（4）提高工作效率，將分散式的人工巡檢模式（如廠房和閘壩的巡檢往往需要分開進(jìn)行，紅外測溫需單獨開展等）轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺降闹悄苎矙z模式，同時實現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、管理。

（5）有效降低人身事故風(fēng)險。

（6）解放勞動力，優(yōu)化人員配置，培養(yǎng)智能巡檢領(lǐng)域?qū)I(yè)人才。

（7）符合都市水電的發(fā)展趨勢，提高員工幸福指數(shù)。綜合智能巡檢系統(tǒng)的投運切實提高了水電站的設(shè)備健康水平和管理水平，取得良好示范效應(yīng)。

摘自《自動化博覽》2021年7月刊