Automatizace prohlídek podstanice: Jak robotika zvyšuje spolehlivost a snižuje náklady

1. Pozadí projektu a nutnost výzkumu a vývoje

S postupem technologií a prohloubením reforem v elektrizačních systémech se stupeň automatizace elektrizačních systémů výrazně zvýšil. Podstanice se vyvíjí směrem k operačním modelům "bez obsluhy" nebo "s minimálním počtem obsluhujících osob". V současné době se podstanice především spoléhají na funkce "Čtyři telemetrie" (Telemetrie, Telesignalizace, Telekontrola, Teleregulace) a SCADA systémy pro monitorování elektrických signálů zařízení. Tento tradiční přístup však nedokáže dosáhnout reálného časového vnímání a povědomí o fyzickém stavu zařízení na místě (např. vzhled, teplota, neobvyklé zvuky atd.).

Současný model provozu a údržby má zřetelné nedostatky: pokud dojde k poruše v podstani, dispečer musí nejdříve upozornit vzdálené týmy operátorů podstanic, aby se dostavili na místo, a pak organizovat opravy. Tento proces významně zpožďuje odstranění vad, což negativně ovlivňuje spolehlivost dodávky elektřiny a kvalitu služeb. Kromě toho tradiční vzdálené video monitorování realizuje pouze digitální přenos zvuku a obrazu, chybí mu inteligentní analytické schopnosti a je omezeno fixním zorným polem jednotlivých kamer a omezenou síťovou šířkou pásma, což komplikuje jeho rozsáhlé nasazení.

2. Celková struktura robotického systému

Tento systém používá dvousvrstvou architekturu "Základna - Mobilní agent" pro koordinované vzdálené monitorování a místní inspekční operace.

2.1 Systém základny

Systém základny je nasazen v vzdáleném monitoringovém centru a slouží jako jádro interakce člověk-stroj a velení celého systému.

2.2 Systém mobilního agenta (robotické tělo)

Mobilní agent je inteligentní terminál, který provádí místní inspekční úkoly s vysokou stupněm autonomie a adaptabilnosti na prostředí.

• Design mobilního podvozku: Používá čtyřkolovou diferenciální pohonovou strukturu. Dvě přední kola jsou samostatně poháněná kola, každé poháněno samostatným motorem, což umožňuje flexibilní diferenciální řízení; dvě zadní kola jsou kolečka. Tato struktura nabízí výhody jako dobrá stabilita při pohybu po přímce, malý poloměr otáčení (může se otáčet kolem středového bodu předních kol), silná adaptabilita na cestu, žádné bokové skluznutí a jednoduchá, spolehlivá struktura.
• Podsystém řízení pohybu: Hardwarové jádro je hlavní deska PC104, vybavená kartou PCL-839 pro řízení pohybu a ovladači motorů. Tento podsystém je zodpovědný za všechny pohybové chování robota. Přijímáním příkazů od horního plánovače a integrováním dynamického modelu vozidla přesně dekomponuje rychlostní příkazy na každý pohonový motor, dosahujíc hladkého a přesného řízení pohybu.
• Podsystém provádění úkolů: Slouží jako "smysly" a "ruce" robota. Základní funkce zahrnují:
• Získávání dat: Integruje CCD kameru viditelného světla, infračervený termograf a vysokovýkonný směrový mikrofon (MEMS) pro sběr obrazových (viditelného a infračerveného) a zvukových dat z elektrizačního zařízení.
• Automatické nabíjení: Schopen automaticky návratu na nabíjecí stanoviště pro nabíjení, zajistí nepřetržité fungování 7x24 hodin.

3. Klíčové technologie a implementace funkcí

3.1 Inteligentní technologie reálně časového plánování cesty

• Globální plánování cesty: Na základě přednastavené elektronické mapy podstani vypočítá optimální sekvenci zastavení zařízení k navštívení během inspekčního úkolu a možné cesty podle strategií jako "nejkratší cesta", "nejméně zatáček" nebo "komplexní optimum".
• Lokální plánování cesty:
• Obcházení překážek: Používá algoritmus VFF (virtuální histogram síly pole), kombinovaný s daty senzorů jako LiDAR, generuje reálně časové příkazy pro obcházení, zajišťuje bezpečné navigace v dynamickém prostředí.
• Sledování linky: Používá klasický PID kontrolní algoritmus, aby zajistil, že robot přesně sleduje předem určené trasy.
• Adaptace na prostředí: Používá EM algoritmus a shlukovací algoritmy pro zpracování dat ze senzorů, efektivně popisuje hranice cesty a překonává odchylky v poloze.

3.2 Multi-modální systém detekce a diagnostiky zařízení

1. Vzdálený infračervený monitoringový a diagnostický systém
• Konfigurace: Online infračervený termograf, zahrnuje moduly pro zachycení, zpracování, zobrazení, ukládání a generování zpráv.
• Funkce: Automaticky detekuje povrchovou teplotu zařízení, porovnává ji s přednastavenými limity a okamžitě aktivuje zvukové/světelné alarmy při detekci neobvyklých situací; dokáže generovat gradientní mapy teploty zařízení, teplotně-časové křivky atd., aby pomohl při analýze poruch; používá technologii komprese obrazu pro podporu současného monitoringu reálně časových infračervených přenosů z více podstanic v dispečerském centru.
2. Vzdálený vizuální monitoringový a diagnostický systém
• Konfigurace: CCD kamera viditelného světla a video server.
• Funkce: Systém základny provádí inteligentní analýzu (např. analýza rozdílových obrazů, korelační analýza) vrácených viditelných obrazů, aby automaticky identifikoval vzhledový stav elektrizačního zařízení a čtecí hodnoty přístrojů. Běžně automaticky přepíná body monitoringu; ukládá obrazy a aktivuje alarmy pouze při detekci neobvyklých situací, což výrazně zlepšuje využití kanálů a efektivitu monitoringu.
3. Vzdálený zvukový monitoringový a diagnostický systém
• Konfigurace: Vysokovýkonný směrový MEMS mikrofon.
• Funkce: Reálně časově shromažďuje provozní hluk zařízení, komprimuje ho a přenáší zpět. Systém inteligentně hodnotí provozní stav a typy anomálií (např. uvolnění, výboj) zařízení jako transformátory, porovnáním reálně časového hluku s historickými normálními daty, a poskytuje interaktivní rozhraní pro personál údržby k dotazování a analýze.
4. Systém detekce a alarmu při intruzi pohyblivých objektů
• Princip: Na základě algoritmu detekce pohyblivých cílů v videostreamu automaticky identifikuje a extrahuje oblasti v videu obsahující objekty, které se pohybují relativně k pozadí.
• Funkce: Pokud dojde k detekci neobvyklého pohyblivého cíle, jako je nelegální intruze, systém okamžitě aktivuje alarm a ukládá místní obrazy, poskytujíc důkazy pro bezpečnostní průzkum, umožňuje skutečně bezobslužné bezpečnostní monitorování.

4. Pole provozu a výsledky aplikace

Hlavní aplikace hodnota: Tento robotický systém inovativně integruje "nekontaktní mobilní detekci" s existující "kontaktní pevnou detekcí" v podstanicích, tvoří komplexní monitorovací systém, který pokrývá jak prostor, tak stav, efektivně kompenzuje nedostatky tradičních inspekčních modelů.

Výsledky provozu:

• Značně zvýšená bezpečnost a spolehlivost: Schopen rychlé detekce potenciálních vad, jako jsou tepelné defekty, povrchové cizí objekty, unikání oleje a zvukové anomálie v zařízeních, eliminuje havarii v jejich počáteční fázi.
• Zlepšení efektivity provozu a údržby: Nahrazuje ruční opakující se a monotónní rutinní inspekce a poskytuje dispečerům reálně časovou a přesnou zpětnou vazbu o stavu na místě, poskytuje klíčová data pro rozhodování v nouzových situacích, výrazně snižuje dobu řešení vad.
• Snížení provozních nákladů: Slouží jako klíčové technologické zařízení pro realizaci modelu "bez obsluhy" v podstanicích, pomáhá elektrárňám optimalizovat alokaci lidských zdrojů a snižovat dlouhodobé provozní náklady.