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(海南电网信息通信分公司，海南 海口 570100)

0 引言

自动化机房是保障电力供应的重要环节，机房设备的安全稳定运行是确保电网安全可靠运行的关键，因此有必要及时准确地掌握机房设备的运行状态，而机房设备巡检能够及时发现机房设备的异常隐患和缺陷[1-2]。当前大部分自动化机房采用人员现场值守模式，且自动化机房的巡检方式采用的是人工巡检方式，主要是通过值班工作人员手动携带检测终端对机房设备进行检测。由于自动化机房设备点多面广，增加了人工巡检方式的工作量和难度，同时人工巡检方式容易受工作人员主观因素影响，从而导致可靠性差以及效率低等问题，且很多机房设备存在的故障隐患难以直观被发现[3-4]。

针对上述自动化机房设备巡检所面临的问题和挑战，目前被广泛应用的方法之一是远程无人值守的智能巡检方式[5-6]。随着物联网技术的快速发展，将电力物联网技术与自动化机房设备巡检相结合，给自动化机房值守模式和设备巡检模式带来了新的方式。目前，物联网技术在信息感知、信息存储、信息传输和信息处理方面具有独特的优势，其具有全面状态感知、快速灵活组网、高效信息融合、通信方式灵活、信息高速处理、应用方便灵活和智能化程度高等基本特征，在工业应用领域应用广泛[7-8]。但是与电力系统领域的物联网技术相比，自动化机房无人值守和设备巡检在管理和控制方面具有一定的差异性。将物联网技术应用于无人值守机房智能巡检是未来的发展趋势，也面临着较大的挑战。

鉴于此，本文在物联网应用基础上，分析和设计了一种无人值守机房智能巡检管理模式。介绍了应用于自动化机房的物联网系统、无人值守机房智能巡检总体架构、无人值守自动化运行方案、智能巡检机器人以及智能巡检优化策略等关键技术。最后实际应用结果验证了所设计的无人值守机房智能巡检管理模式的有效性。

1 自动化机房物联网系统

1.1 需求分析

电力物联网的基本含义是电力系统不同元件之间以及元件与人员之间，通过不同类型的信息传感设备，结合已有的大数据、互联网技术，形成一个巨大的电力网络。该网络具备的功能主要有：感知系统不同元件的运行状态；监测不同网络节点的电气信息量；评估电网各类设备的健康状态；实时跟踪运维人员；管理系统设备的基本信息。电力物联网能够实现电力系统的万物互联和网络互动，有效整合多源信息数据，能够提高电力系统的可靠性和可用性，优化电力系统的运行和管理。

因此，自动化机房物联网系统建设能够支撑机房智能化、数字化和信息化管理水平，为构建无人值守机房提供技术支撑。采用物联网的电网无人值守机房采用的基本原则是实用性、先进性、可靠性、灵活性以及扩展与集成性等。无人值守机房以基于物联网的软硬件平台为基础，其核心是自动化机房的中央控制系统，实现整个巡检作业自动化运行。物联网平台以机房中央控制系统作为核心，全面感知、采集和获取机房生产运行信息，并通过优化算法实现无人值守机房的智能巡检。

1.2 总体架构

将物联网技术应用于无人值守机房智能巡检的总体架构如图1所示。无人值守机房智能巡检系统的组成部分主要包括采集层、平台层、网络层和应用层，其中采集层以智能巡检机器人作为载体，主要是对巡检任务进行接收并优化巡检策略，且对业务数据进行查询并对被巡检机房设备的信息进行采集和处理，最后将所采集到的信息数据传送到应用层；网络层是以新一代通信技术来建立系统网络信息交互通道，根据网络安全和数据类型分为内网和互联外网，网络层具有多样化的通信方式，不同电力业务应用场景根据需求来选取合适的通信方式；平台层主要是存储和管理无人值守机房智能巡检业务的海量数据，实现多源数据信息的互通和共享，平台层不仅收集网络层所传输的多源数据而且为智能巡检业务的应用提供数据共享服务；应用层是基于海量的智能巡检运行数据，结合无人值守机房设备的巡检周期要求和运行特点，生成设备巡检策略并发送到采集层，同时应用层结合机房设备的运行数据，采用智能算法建立机房设备状态评估、故障诊断模型。

图1 无人值守机房智能巡检物联网系统总体架构

2 无人值守智能巡检管理模式

在物联网系统基础上，构建基于物联网的无人值守机房智能巡检管理模式，对应的综合架构如图2所示。该架构将智能巡检管理系统分为调度模块、通信模块、感知模块、控制模块和应用模块。其中调度模块是巡检管理系统的最顶层，根据系统协议标准的服务接口来接收调度中心的巡检任务指令，并将接收到的任务依据通讯子模块下发给控制模块。而通信模块基本功能是通过有线和无线专网通信协议为调度模块和感知模块提供信息传输的通道。感知模块则是接收调度指令的巡检任务信息并对多源异构数据信息进行融合和处理，同时为系统的控制模块中提供信息来源。控制模块是智能巡检管理系统的执行层，其处在系统最底层，依据感知层的巡检任务信息来生成巡检任务指令，实现对智能巡检系统中巡检机器人的速度和位置控制。应用模块主要是对无人值守机房的故障分析、告警和诊断等，通过红外、可见光等传感器来采集无人值守机房设备的运行特征数据，并通过人工智能算法进行自动在线分析，实现无人值守机房的异常检测。

因此，基于物联网的无人值守机房智能巡检管理模式的具体实现步骤主要有：

a.巡检机器人收到巡检任务指令后，通过智能巡检身份识别进入智能巡检功能，通过无线通信单元将接收到的巡检任务和巡检策略下载至巡检机器人的智能巡检管理模块。

b.巡检机器人根据巡检管理模块中的巡检任务和巡检策略进行巡检，依据导航定位系统识别机房设备信息并导航巡检机器人达到指定位置。

c.通过巡检机器人的智能传感模块、图像识别模块对无人值守机房设备的相关信息进行采集，并将采集到的多源异构数据信息通过信息存储、处理模块进行存储和预处理，同时通过新一代无线通信模块将采集到的设备信息传输到应用层。

d.应用层通过接收采集层的数据信息，对无人值守机房设备的实时状态进行评估和故障诊断，并对当前机房设备的运行状态进行存储，为下一次设备巡检优化策略的制定提供理论依据。

图2 无人值守机房智能巡检综合架构

2.1 无人值守自动化运行

基于电力物联网架构体系，无人值守机房采用无人值守自动化运行管理模式。对于自动化机房多区域多设备的管理，依据“集中管控，统一调度”思想，构建机房无人值守的自动化管理模式。

2.1.1 自动化运行

通过电网内机房自动控制系统实现机房的无人值守自动化运行，控制程序能够依据实际需求对设备参数进行自动的调节，不需要人为的干预和操作。采用冗余思想对自动化机房的核心设备和网络进行设计，能够在故障情况下进行备用设备的投入。基于物联网架构的自动化机房无人值守运行模式，自主驱动机房运行设备来实现所需要的控制目标，并对控制策略进行不断持续的优化，以获得更优的控制效果，能够适应不同工况下的高效运行。

2.1.2 远程在线监控

自动化机房调控中心通过物联网系统对无人值守机房的运行状态进行远程实时监控，能够远程显示设备的实时运行状态数据。当检测到机房设备存在异常时，可实时发布设备的预警、报警信息，并能够在监控大屏上进行直观的显示。通过智能巡检机器人的巡检大数据信息，结合智能算法能够实现智能巡检系统的监测、预警和诊断的一体化。

2.2 智能巡检机器人

在自动化机房无人值守自动化运行基础上，机房智能巡检技术能够满足自主巡检技术。自主巡检技术不需要人工辅助操作，在整个机房设备的巡检过程中都是自主完成。智能巡检机器人的自主巡检目标一般是机房的不同运行设备等，根据不同设备目标来设定对应的巡检参数，并自动调整传感器的方向和视场。当巡检机器人处于设备近区时，对设备的环境进行监测并指挥其控制系统机房设备进行反复的拍摄。 因此为实现自主巡检功能，巡检机器人的功能模块主要包括导航定位模块、图像识别模块、网络通信模块、电源管理模块和地面监控后台模块等。其基本功能模块组成如图3所示。

图3 自主巡检功能模块

2.2.1 导航定位模块

智能巡检技术对巡检机器人导航定位模块的精确性要求极高，文中采用基于多源信息融合的高精度导航定位模块。该模块的多源数据采集单元主要包括行走轮编码器、倾角传感器和霍尔计数器，在对设备的巡检过程中采集和处理定位功能所需的数据，结合历史知识专家库中的定位参考数据来完成巡检过程中的定位功能。其中，具体的导航定位方式采用的是超声波、 RFID以及激光技术相结合的组合定位系统。

2.2.2 图像识别模块

在巡检机器人安装高清摄像机，并结合图像识别技术，对机房设备的实时运行进行数据读取，并对机房设备的外观进行对比分析与记录，自动形成记录报表，并发出机房设备是否发生异常的预警信号，同时拍摄对应的视频拍摄，并对拍摄的内容进行存档。为实现高精度的视频图像识别率，巡检过程中的摄像头对机房设备反复的检测和拍摄。另外，结合智能目标搜索优化算法以及目标伺服跟踪技术，实现对机房不同设备的目标搜索和识别，将视频拍摄中心对准拍摄目标，并放大焦距以获取更高识别率的图像。

2.2.3 信息存储与处理模块

通过物联网技术完成了巡检过程中多源数据采集工作后，采用云计算服务中心的信息存储与处理模块，能够将所采集到的设备实时运行数据、专业巡检记录，以及设备检验记录等数据信息写入数据仓库中，并进行综合分析和管理[9]。信息存储与处理模块有效地增强了无人值守机房智能巡检系统的运行和管理效能。除此之外，基于云服务平台的信息存储与处理模块提高了多源设备数据的综合利用效率和信息共享水平，有利于智能巡检管理系统深度分析及处理该类数据。

2.2.4 网络通信模块

智能巡检技术的网络通信系统主要是完成巡检机器人内部功能模块以及与调度控制中心之间的信息交互，网络通信数据主要包括上行通信数据和下行通信数据。其中，上行通信数据主要是自动化机房调度中心对巡检机器人下发的巡检指令，而下行通信数据则是巡检过程中所采集到的传感器监测信息、图像视频信息以及机房设备巡检状态信息等。采用第五代无线通讯专网技术作为智能巡检的信息交互载体[10]，该通信技术具有更快的传输速率和更短的传输时延，有效提升基于物联网的智能巡检效能。

2.2.5 电源管理模块

电源模块主要是为巡检机器人导航定位模块、图像识别模块、信息存储与处理模块以及网络通信模块等进行供电，是保证巡检任务正常运行的前提。电源管理模块基本组成包括电源监测、电压转换、电源管控、电源保护和故障预警等。文中智能巡检机器人电源模块采用新一代锂电池，可通过锂电池的充电、放电曲线特性和当前电量来评估电源的剩余电量，并可依据电源模块当前剩余电量来对可巡检时长进行评估和计算。

2.2.6 后台管理模块

为了远程监测无人值守机房巡检机器人所采集的机房设备信息，设计了智能巡检机器人监控后台管理模块。采用物联网体系有效开展无人值守机房智能巡检的多维度采集与流程化传递，实现了巡检的辅助分析和优化管理。后台管理模块主要是对巡检机器人的管控指令、远程监控以及巡检信息分析、处理等。后台管理模块主要由调度中心管控，其主要功能包括巡检任务制定、巡检任务下发、多信道无线通信、实时在线远程监控、巡检过程可视化、故障预警和故障诊断等。

2.3 智能巡检优化策略

无人值守机房设备发生缺陷和故障具有一定的不确定性，科学规划智能巡检任务是提升智能巡检管理效率的关键环节。通过数据挖掘技术对影响无人值守机房设备运行状态的关键因素收集，采用贝叶斯网络对采集到的数据进行高效预处理，构建机房设备的风险模型。以无人值守机房设备的风险概率为目标函数，采用改进的蚁群智能优化算法来建立智能巡检的规划模型[11]。结合自主巡检技术，提出可靠有效的巡检方案库，使得巡检任务下达后能够自动匹配，从而提高巡检效率。

除此之外，结合智能巡检机器人的多源异构状态信息量，对机房设备运行状态相关联的数据类型和来源进行分析，在多源数据融合处理的基础上，建立科学合理的无人值守机房设备的运行状态评估指标体系和评估方法。通过划分机房设备状态和提取指标参数，采用数据流处理方法对不同属性的关联关系进行量化分析，结合机器学习算法建立无人值守机房设备的状态评估和故障诊断模型[12]，实现机房设备运行状态的评估和综合诊断，提高智能巡检决策能力。智能巡检优化策略如图4所示。

图4 智能巡检优化策略

3 实际应用

为验证智能巡检管理模式在无人值守机房巡检应用中的有效性，在国内某无人值守机房进行了智能巡检功能应用。分别对多工况下的智能巡检功能进行了测试，对应的多工况现场应用测试方案分别如下：

a.自主巡检。调控中心根据机房设备的巡检目标、时间和周期制定特定的巡检任务，智能巡检管理模式能够响应巡检任务的指令进行自动巡检。

b.固定巡检。调控中心选择自动化机房固定的设备作为巡检目标来制定巡检任务，智能巡检管理模式能够根据设定的固定巡检目标来执行该巡检任务。

c.遥控巡检。调控中心根据后台管理模块进行远程手动控制巡检机器人完成来完成指定的设备巡检任务。

上述现场应用结果表明，基于物联网的无人值守机房智能巡检管理模式能够根据无人值守机房巡检作业方案来完成自主巡检、固定巡检以及遥控巡检等功能，有效提高了无人值守机房设备的运维效率及效益。

4 结束语

针对我国自动化机房值守及设备巡检的实用化需求，提出了基于物联网的无人值守机房智能巡检管理模式，给出了物联网技术在智能巡检管理模式中的应用需求和联网系统总体架构。从无人值守自动化运行方案、智能巡检机器人以及智能巡检优化策略等关键技术，详细阐述了智能巡检管理模式的总体实现方法，并重点分析了导航定位模块、图像识别模块、网络通信模块、电源管理模块和地面监控后台模块等巡检机器人的功能模块。该智能巡检管理模式能够根据无人值守机房巡检作业方案来完成自主巡检、固定巡检和遥控巡检等巡检任务需求。通过在实际自动化机房设备巡检应用，较好地完成了多工况巡检方式的执行，所提的智能巡检管理模式在自动化机房运维中的应用具有重大推广意义。