崔若涵，王晨杰，王 备，安 帅，柴 俊

(国网上海市电力公司市北供电公司，上海 200072)

变电站是各级电网的核心控制枢纽，站内的各种电气设备都需要定期检查，目前被广泛应用的巡检方式主要是传统的人工巡检以及新兴的移动机器人巡检。虽然部分巡检工作能够被移动机器人代替人工操作完成，但在特定情况下，仍需要工作人员进入现场，手动操作。工作人员进行电气操作时，以操作票作为书面依据，操作票是防止误操作(误拉、误合、带负荷拉、合隔离开关、带地线合闸等)的主要措施。在实际操作中，工作人员根据操作票进行电气操作的效果跟工作人员的个人素质有关，可能会发生操作人员跑错仓位或误看、漏看操作票指令等情况，很难完全保证操作无误[1-3]。

为减少人工操作时的误操作，设计一种基于激光引导的巡检辅助装置，在操作人员进行电气操作时进行激光和语音提示引导，提高巡检效率，减少误操作[4-6]。本文还深入研究智能电力巡检设备、模拟屏及操作票系统协同联动的应用场景，提出一种电力操作五防辅助引导的应用模式。

1 系统组成和功能

1.1 巡检辅助装置系统组成

巡检辅助装置包括主控系统、移动机器人平台、模拟屏识别系统和人脸识别五防钥匙箱四个组成部分，其整体结构如图1所示。主控系统通过有线网络连接到模拟屏识别系统和五防钥匙箱解锁系统，通过无线网络连接到悬挂轨道式移动机器人平台，系统的四个主要组成部分构成一个微型局域网络。

图1 系统整体结构图

主控系统实现数据存储、管理、网络通信等功能，可以与操作票系统通信(或通过界面录入操作信息)；可通过网络获取模拟屏识别系统基于模拟屏图像分析提取的站内设备状态信息；通过网络获取移动机器人平台的运行状态信息，并向机器人平台传输引导作业指令、操作票信息。

模拟屏识别系统配置光源和摄像机，通过图像分析实时获取模拟屏上显示的所有电力设备的模拟指示状态信息，为全面跟踪操作过程提供基础的数据信息。通过模拟屏识别系统获取电力设备的状态系信息是进行激光引导的基础，根据获取到的电力设备状态，引导系统能判断上一步操作是否正确，并结合操作票信息判断下一步操作。

悬挂轨道式移动机器人平台具备图像采集、视频录制、电力设备二维码识别功能，具备语音提示和激光引导功能。人脸识别五防钥匙箱具备基于人脸识别一键解锁的工作人员身份验证功能。

1.2 安全辅助装置综合引导作业过程

在开始设备操作流程前，操作人员靠近智能机器人，机器人拍摄作业人员面部图像，并和操作票系统中设定的作业人员的面部特征进行自动匹配，在确认作业人员身份的前提下，可引导开展设备操作。辅助引导作业流程具体如下。

(1)开始引导开展设备操作流程时，机器人根据操作票流程运动到需要操作的开关设备正面；

(2)机器人将激光图像投影到当前需要操作设备的面板上，动态闪烁。

(3)机器人通过语音方式提示作业内容，例如：“请断开##号开关设备接地刀”等。

(4)在操作人员开展设备操作时，机器人通过模拟指示屏识别系统获取设备的状态信息；

(5)当设备状态变化结果符合预定的操作流程时，则提示开展下一步操作。否则系统会提示操作错误。

(6)重复这些操作，直到正确完成操作票所要求的全部作业流程。

2 硬件设计

2.1 主控系统

主控系统硬件以一台高性能的工业控制计算机为核心，配置显示器、鼠标、键盘等输入和输出设备。主控计算机选用研祥IPC810主机服务器，显示器选用AOC I2490VXH5/BS 24台式液晶电脑显示器。

2.2 模拟屏识别系统

模拟屏识别系统配置两个网络摄像机和一套光源系统，网络摄像机型号为B12-I/POE /3T46WD-I3，分辨率1 920×1 080像素，根据实际需要配置4～8 mm镜头。光源系统选用节能LED白光光源。

猪流行性腹泻是猪的一种急性、接触性传染病，该病的首次报道在1970年的英国和比利时，此后在许多国家也报道了该病的发生，我国在1973年发生该病，1984年，我国通过荧光抗体试验和血清中和试验证实了猪流行性腹泻病。该病是由猪流行性腹泻病毒引起的急性接触性肠道传染病，此病毒容易感染哺乳仔猪，临床表现为呕吐、腹泻、脱水，死亡率高达95%，给全世界的养猪行业造成极大的经济损失。

2.3 作业引导机器人平台

作业引导机器人平台选用悬挂轨道式基本结构，如图2所示。机器人可以沿轨道行走，内部组成如图3所示，主要包括框架结构、行走/升降机构、电源及充电系统、无线通信单元、集中控制单元、激光引导模块、视频采集单元、语音引导模块等部分。

图2 悬挂轨道式作业引导机器人

图3 机器人基本组成

机器人集中控制单元选用低功耗主板，型号为N55。主板可安装WINDOWS操作系统，运算速度快，外围接口丰富，支持高速网络通信。激光引导模块采用集成激光光源，可定制显示电力操作符号，通过控制线连接到集中控制单元，可以实现激光定位引导和闪烁提示。语音提示功能通过外接小扬声器实现，通过USB供电，连接到集中控制单元的音频输出接口；扬声器布置在机器人结构上，随机器人整体一起移动。

机器人平台上的运动控制、充电等单元通过单片机进行控制，控制器通过串行接口连接到集中控制单元。控制器采用STM32F429IGT芯片。该芯片是STM32系列中性能较高的产品，基于ARM Cortex-M4内核设计，时钟频率可达到180 MHz。STM32F429系列规格上内置最高2 M闪存；3个ADC模数转换器，支持24个输入通道；支持2个DMA控制器，共12个DMA通道；最高17个定时器；3个I2C接口；8个USART接口；6个SPI接口。

STM32F4系列芯片具有高性能、低功耗、接口丰富的特点，非常适合作为巡检机器人的主控核心。

3 软件设计

安全辅助装置软件系统包括主控系统软件、模拟屏图像识别软件、作业引导机器人软件。三套软件相互协作，可实现实时作业引导、身份认证和操作监视等。

3.1 主控系统设计

主控系统软件采用C++语言开发，实现数据库管理、参数显示、与模拟屏识别软件、作业引导机器人和操作票系统通信等功能。软件数据库基于SQL Server 2008数据库管理系统设计。

3.2 模拟屏图像识别软件

模拟屏图像识别软件主要实现模拟屏中各个配电设备状态的实时提取。由于模拟屏较宽，采用一个单独相机进行图像分析无法避免局部遮挡，所以系统布置两个摄像机，分别从不同方向拍摄模拟屏图像，然后通过图像处理的方法分别提取部分设备信息，经过组合后获取设备的完整状态指示信息。对于特别大型的变电站，也可以配置多个摄像机进行拍摄，然后进行融合分析的方法提取全部设备状态数据。

通过对模拟指示屏图像的分析可知，当拍摄图像方位确定时，图像中不同设备，以及同一设备的不同部件的模拟指示符号也是基本固定的，导致成像差别不大。为此，模拟屏图像识别软件的图像识别处理流程如图4所示。

图4 模拟屏图像处理流程

模拟屏图像识别软件采用C++语言开发，以OPEN CV图像处理库为基础，通过QT设计运行界面。图像分析处理的延迟小于500 ms，每秒中可完成2次以上图像的自动分析处理。提取的开关设备状态信息直接通过UDP报文的方式发送到主控系统和作业引导机器人平台。

3.3 作业引导机器人软件

3.3.1 软件的组成和功能

作业引导机器人软件实现基于人脸识别的身份认证处理算法，根据操作票作业流程对作业过程进行激光引导、语音提示、操作校对等主要功能。

在依据作业票开始作业前，操作人员靠近作业引导机器人，面对机器人相机，按下身份确认按钮，机器人自动拍摄作业人员面部图像。在操作票系统进行作业设定时，系统已经录入了作业人员的基本信息，并在安全辅助装置的主控系统中预先存储了操作人员的面部图像。作业引导机器人软件人脸识别模块自动分析，比较拍摄图像与系统中记录图像的图像特征，进行匹配分析，确认操作人员身份；当通过身份识别时，机器人系统通过语音提示识别结果，操作人员可跟随机器人前进到第一步目标作业位置。

3.3.2 作业引导软件框架

作业引导软件是作业引导机器人系统的主控软件，是引导作业的核心。作业引导软件实现远程通信、设备定位、激光引导、语音提示、操作校对等功能。软件整体结构如图5所示。

图5 作业引导软件整体结构

软件整体上包含主控单元、网络通信模块、运动控制模块、二维码识别模块、激光引导控制模块、语音引导模块、能源管理模块等部分。主控单元实现作业引导过程的整体协同控制，实现各子模块之间同步和数据交换。各单元的主要功能和作用具体如下。

(1)网络通信模块：实现远程无线通信，接收模拟屏图像识别系统的识别结果，获取设备的模拟指示状态；接收操作票系统操作票信息；向主控系统传输引导作业机器人的运行状态信息、作业引导进展状态和报警信息等。

(2)运动控制模块：实现作业引导机器人沿轨道的运动控制，根据引导作业需求运动到指定的作业位置。

(3)二维码识别模块：二维码是现有开关设备主要的识别标志，国网已经建立相应的设备二维码标识规范。二维码识别模块可以通过机器人摄像机获取开关设备图像，并采用动态分析算法提取二维码图像，然后根据从图像中截取的完整二维码图像获得设备信息。二维码识别结果是实现作业引导定位的关键位置反馈信息。

(4)激光引导控制模块：实现激光引导模块的控制，在引导机器人运动到预定位置后，激光引导控制模块可以控制激光投射装置将图像投射到指定的开关设备面板上，根据作业状态分别实现固定投射和闪烁投射的效果。

(5)语音引导模块：实现语音信息的输出，基于微软的中文语音朗读引擎开发，可以根据作业进度发出不同的语音提示。

(6)能源管理模块：是作业引导机器人实现内部能源管理和自主充电控制的专用单元。可以实现电源监视、电能管理、低功耗控制、自主充电等功能。

作业引导软件整体通过C++语言开发，开发环境拟选用QT5.0或以上版本，软件采用标准化、模块化的基本结构，便于功能扩展和维护。

4 结语

针对电气工作者在对变电站配电设备操作的过程中可能出现的跑错仓位或误看、漏看操作票指令等情况，提出了一种基于激光引导的五防安全辅助装置。安全辅助装置包括主控系统、模拟屏图像识别系统、作业引导机器人系统。充分利用激光引导、网络通信、图像识别、嵌入式等技术，软硬件结合，三套系统相互协作，可实现实时作业引导、身份认证和操作监视。该安全辅助装置能够实现操作人员作业流程设备监护，在需要操作(或关注)的设备面板上用激光信号标识，引导或指示作业过程(顺序)，能有效避免工作人员出现常见的误操作。