隧道机器人巡检系统的关键技术应用

文/何璐佳 杨墨 毛杰勇 刘世强

（湖南阳光电力科技有限公司 湖南省长沙市 410000）

电缆隧道作为一种城市电力传输方式，部分替代了常见的架空线路传输，得以广泛应用。但是隧道空间有限，环境情况复杂，所以加强对隧道内环境、电缆的监测以保障电网稳定运行尤为重要。

长期以来，电缆隧道一般采用人工巡视的模式，靠感官以及检测仪器进行简单定性、经验判断为主的检查，由于其劳动强度大、工作效率低等原因，导致人工巡视难以对隧道的情况监控到位。

隧道机器人巡检系统是为适应隧道及管廊环境，对其进行巡检、监控和消防的一体化巡检系统。巡检系统以机器人本体为核心，搭载各类声光像采集设备、辅助检测组件及自动化机电设备等，在无人或少人值守的电缆隧道、综合管廊等对高低压设备和电缆线路进行全自主监测和智能诊断，实现隧道内环境、电缆、设备等隐患的前期预警及后期的状态评估，保障隧道的结构安全和电缆、设备的稳定运行。

1 隧道机器人巡检系统简介

隧道机器人巡检系统基于综合数据管理平台，由轨道总成、供电系统、通信系统及机器人本体组成，机器人本体又包括行走组件、检测组件、定位组件、电源及通讯组件等。如图1所示，系统为网络分布式架构，包括基站层、通讯层和终端层。基站层由后台软件、服务器、NVR、网络交换机等组成。通讯层主要由安装在隧道内的控制箱以及无线AP设备等构成，负责建立基站层与终端层的网络通道。终端层包括机器人本体、轨道总成及辅助系统。其中，辅助系统为自动防火门总成、控制箱总成[1]。

隧道机器人巡检系统能够以全自主、本地或远方遥控的模式代替或辅助人工进行隧道巡检，巡检内容包括可见光检测、基于红外热图的电缆设备缺陷检测、环境温湿度检测、有害气体检测等，具有检测方式多样化、智能化、标准化等特点。同时，系统巡视内容、时间、路线、报表管理的一体化，实现了巡检全过程自动管理，并能够提供数据分析与决策支持。

2 隧道机器人巡检系统关键技术

2.1 图像智能识别

机器人云台内搭载一体化高清相机和红外热成像仪，用于隧道现场的可见光检测和热监控，获取电缆、仪表、指示灯等对象的图片，提前预知设备状态来实现电力设备的预知性维修。系统经图像预处理和滤波技术，消除隧道内可能存在的光线差、水雾等因素对图像清晰度造成的影响，再通过图像精确匹配和模式识别技术，可进行设备外观状态的自动识别。后台软件基于红外热诊断技术，结合设备专家图像库，能够准确分析和及时发现各类设备温度异常与各类电流致热性故障，监控的对象包括电缆接头、接地箱、电缆终端头与终端瓷瓶、电缆终端接地情况在内的多种设备。

指针式仪表的读数识别流程为：图像预处理、表盘提取、表针提取、示数读取；对数字式仪表的读数识别流程为：图像预处理、数字区域提取、数字识别；依托于最新的图像处理技术与模式识别算法，对不同类型的仪表分类处理，结合优化的程序模块，可以达到对单针类仪表100%的识别率、对数字仪表的高识别率[2]。

图1：隧道巡检机器人系统组成结构示意图

图2：隧道巡检机器人本体示意图

设备外观异常检测对电缆设备图像进行检测，通过图像预处理、模式识别、纹理分析等技术，判断设备的外观是否异常。同时检测隧道内指定区域是否有异常外来物，如塑料袋、小动物等。系统通过图像预处理改变图像质量，再对指定区域进行特征提取、匹配处理分析，有异物的区域和正常区域进行智能分类后获取识别结果[3]。

2.2 运动控制

机器人小车行走控制组件采用步进式伺服电机，基于总线控制方式和高精度编码器的空间矢量电流控制算法，实现全速度范围的优异性能。利用高速响应的伺服控制技术，强化步进电机固有的刚性特质；根据负载实时调整电流大小，合理降低机器人的能耗和发热[4]。机器人通过伺服电机编码器和RFID标签定位结合的方式进行定位，保证控制器和后台可以实时了解机器人的位置信息。而且机器人前后均装有内置微处理器的超声传感器，采用中断方式完成测距计算，测距结果精度高，实时响应能力好。运行过程中，如发现前进方向的一定扇形范围内有障碍物，即发出警报并停止运动。

云台控制系统的结构包含直流伺服电机、角度传感器、硬件限位和云台控制板，分别负责云台水平和垂直运动时的驱动、位置反馈、行程保护和系统控制，满足水平0～360°旋转和±90°俯仰运动的检测范围要求。

机器人沿着隧道顶部铺设的铝合金轨道运行，实际工程实施时，可根据隧道现场地形设计和预制相应的弯曲度和坡度轨道。机器人具备自动巡航、例行检查、专项检查、特殊巡检等模式，根据需要来灵活配置、切换。巡检过程中接近任务点时，机器人将提前减速、停止，调整云台转向，对任务点电缆、设备进行信息采集。

2.3 电池管理和无线充电

机器人为锂电池供电方式，搭载电压监测组件为系统提供准确的电量评估。且具备过流保护和熔断机制，限制功率异常部件对电池的损害。若机器人电量低于安全阈值时，电源管理组件会上报后台电池的电量状况，无紧急事件时机器人将返回充电桩充电。充电过程中机器人处于待机状态，若隧道内出现紧急情况时，机器人可随时结束充电而执行巡检任务[5-6]。

供电系统采用220V市电，经过工频整流滤波电路变为直流电，然后斩波电路调整输入到高频逆变电路中电压大小，利用高频逆变电路将调整过的直流电转换为谐振频率的交流电。变化的高频电流在发射线圈的周围产生交变磁场，接收线圈可感生出相同频率的电压，整流、滤波后供给机器人使用。充电桩根据现场工况灵活布置，机器人到达充电区域时即可自动充电。无线充电距离2～5cm，不需要精确对准，具有极高的安全性。

2.4 无线通信

机器人本体采用无线通信，通讯层与基站层之间采用光纤通信方式。通过数字加密、身份认证、地址绑定、终端隔离、功率控制、隐藏SSID等相关技术手段，消除无线通信方式存在的安全隐患。机器人本体控制信号和视频信号均为网络接口，可实现机器人与控制后台的通讯。

机器人移动终端上搭载支持IEEE 802.11ac标准的高性能无线设备，根据现场测试网络吞吐量、信号灵敏度、网络延时等通信技术指标，验证无线网络的通信质量，合理规划无线AP点的布置，使无线信号高质量的覆盖整个隧道，保证机器人通信的可靠性[7-8]。

2.5 后台管理

后台系统是整个巡检系统的指挥、控制和监视中心，能够通过机器人的可见光、红外图像与视频实时了解隧道情况，并通过全自主或手动的方式控制机器人执行巡检任务。后台提供巡检报表打印、实时数据存储、历史数据查询和检测数据的分析诊断功能，同时提供与站内监控系统、远程监控中心的接口。

后台软件平台采用分层的模块化结构，基于Windows操作系统和.Net Framework运行平台。软件系统的体系结构共4层，分别为数据访问层、业务逻辑层、功能层和表示层。各模块基于接口编程，广泛应用设计模式，降低模块间的耦合。

后台的数据处理功能包括数据查询、报警查询、任务管理、历史曲线查询、运行状态统计等；后台对机器人的控制功能有：任务下发、任务定制、运行控制、被测对象的识别功能、GIS（Geographic Information System）地图呈现等。

以GIS地图呈现技术为例，系统监控平台通过三维GIS地图，以图标的方式展示设备、充电桩、巡检点等关键设施，真实的反映了隧道周围的地理环境信息。并且点击设备图标后，可获得该设备的详细信息和历史巡检数据。同时GIS地图上实时显示巡检机器人位置及规划路径，满足快速对机器人进行定位、控制的要求。

2.6 自动防火门控制

防火门一般情况下呈常闭状态，以满足隧道内的防火要求。机器人可联动或自主打开防火门，通过后再联动或自主将其关闭。为杜绝对现有消防设施的有害改造，采用在防火墙上部加装专用自动防火门的设计，专用自动防火门与原防火门独立工作，不存在物理干涉和性能影响。

防火门控制系统包括防火门本体、控制箱，控制箱接收后台、机器人的信号控制，来配合机器人自由穿越防火门。一旦发现火情，巡检系统将联动关闭所有防火门，同时机器人快速到达火警点核实，采集现场图像与视频实时上传至后台系统，帮助运维人员迅速处理火情，降低火情造成的损失和影响[9]。

2.7 协同联动

隧道机器人巡检系统提供与隧道内其它监控系统和信息一体化平台的接口，保证系统多元化管理模式的兼容性和可拓展性。通过网络通讯系统，可实现机器人和灯光、窗帘、防火门、消防设施、在线视频监控等辅助系统之间的协同联动，并由综合管理平台统一调度。

3 结语

通过搭建隧道机器人巡检系统，可实现隧道内环境及电缆运行状态的全方位、自主化巡检的目的，提高电缆运行的可靠性，降低隧道巡检的运维成本，协助运维人员提升巡检质量。并根据巡检系统的运行状况和监测结果，不断完善与综合管理平台的对接，达到隧道巡检信息一体化、设备巡视智能化、隧道运维科学化的目标。