خودکارسازی بازرسی زیراستانسیون: چگونه رباتیک قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد
۱. زمینه پروژه و ضرورت تحقیق و توسعه
با پیشرفت‌های فناوری و گسترش اصلاحات سیستم برق، سطح خودکارسازی سیستم‌های برق به طور قابل توجهی بهبود یافته است. زیرстанسیون‌ها به سمت مدل‌های عملیاتی "بدون نظارت" یا "با کمترین تعداد کارکنان" در حال تحول هستند. در حال حاضر، زیرستانسیون‌ها عمدتاً بر روی توابع "چهار دوربین" (دوربین دیده‌بان، سیگنال‌رسانی، کنترل از راه دور و تنظیم از راه دور) و سیستم‌های SCADA تکیه می‌کنند تا سیگنال‌های الکتریکی تجهیزات را نظارت کنند. با این حال، این رویکرد سنتی قادر به درک و آگاهی زنده از وضعیت فیزیکی محلی تجهیزات (مانند ظاهر، دما، صدای غیرعادی و غیره) نیست.
مدل فعلی عملیات و نگهداری مشخصاً نقاط ضعفی دارد: وقتی که یک ناهماهنگی در یک زیرستانسیون رخ می‌دهد، مأموران باید ابتدا تیم‌های عملیاتی زیرستانسیون‌های دوردست را به مکان اعزام کنند و سپس مرمت را سازماندهی کنند. این فرآیند به طور قابل توجهی زمان رفع عیب را تأخیر می‌دهد، که بر قابلیت اطمینان تأمین برق و کیفیت خدمات تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، نظارت ویدئویی از راه دور سنتی فقط انتقال دیجیتال صدا و تصویر را محقق می‌کند، توانایی تحلیل هوشمند ندارد و به دید ثابت دوربین‌های تکی و پهنای باند شبکه محدود شده است، که این موضوع آن را برای نصب در مقیاس گسترده دشوار می‌کند.
۲. ساختار کلی سیستم رباتیک
این سیستم از یک معماری دو لایه "پایگاه-عامل موبایل" استفاده می‌کند تا نظارت و عملیات بازرسی محلی را به صورت هماهنگ انجام دهد.
۲.۱ سیستم پایگاه
سیستم پایگاه در مرکز نظارتی دوردست نصب شده و به عنوان هسته تعامل انسان-ماشین و فرماندهی کل سیستم عمل می‌کند.
|
دسته‌بندی |
اجزاء / پیکربندی |
توابع اصلی |
|
سخت‌افزار |
کامپیوتر صنعتی، Hub شبکه، پل بی‌سیم (استاندارد IEEE 802.11b، باند فرکانس ۲.۴GHz، پهنای باند ۱۱Mbps)، دوربین تصویری مادون قرمز، میکروفون MEMS |
ایجاد یک شبکه محلی بی‌سیم، فراهم کردن پایه سخت‌افزاری برای انتقال داده و اتصال به شبکه داخلی برق. |
|
نرم‌افزار |
سیستم عامل Windows، سیستم پایگاه داده (شامل پایگاه داده زنده)، ماژول برنامه‌ریزی مسیر جهانی، ماژول مدیریت وظیفه، ماژول پردازش تصویر/صدا |
فراهم کردن یک رابط کاربری دوستانه، دریافت دستورات اپراتور و ارسال آنها به ربات؛ مسئول ذخیره‌سازی، پردازش و تحلیل داده‌ها و نظارت زنده بر وضعیت کاری ربات. |
|
نصب |
کامپیوتر پایگاه در مرکز نظارت عملیاتی قرار داده شده است |
تسهیل نظارت و مدیریت متمرکز ربات‌ها در زیرستانسیون‌های دوردست توسط مأموران و کارکنان نگهداری. |
۲.۲ سیستم عامل موبایل (بدن ربات)
عامل موبایل یک پایانه هوشمند برای انجام وظایف بازرسی محلی است که دارای درجه بالایی از خودکاری و انطباق با محیط است.
- طراحی بدنه متحرک: از ساختار محرک چهار چرخی استفاده می‌کند. دو چرخ جلو مستقل هستند و هر یک توسط یک موتور جداگانه تغذیه می‌شوند که اجازه دیفرانسیل‌گیری انعطاف‌پذیر را می‌دهد؛ دو چرخ عقب چرخ‌های چرخشی هستند. این ساختار مزایایی مانند پایداری حرکت خطی خوب، شعاع چرخش کوچک (می‌تواند حول نقطه مرکزی چرخ‌های جلو چرخانده شود)، توانایی بالا در تطبیق با جاده‌ها، عدم لغزش جانبی و ساختار ساده و قابل اعتماد را ارائه می‌دهد.
- زیرسیستم کنترل حرکت: هسته سخت‌افزاری آن یک مادربرد PC104 است که با کارت کنترل حرکت PCL-839 و محرک‌های موتور مجهز شده است. این زیرسیستم مسئول تمام رفتارهای حرکتی ربات است. با دریافت دستورات از برنامه‌ریز بالاسری و ترکیب مدل دینامیکی خودرو، دستورات سرعت را به صورت دقیق به هر موتور محرک تجزیه کرده و کنترل حرکتی صاف و دقیق را محقق می‌کند.
- زیرسیستم اجرای وظیفه: به عنوان "حس‌ها" و "دست‌ها" ربات عمل می‌کند. توابع اصلی شامل:
- جمع‌آوری داده: ادغام دوربین CCD نور مرئی، دوربین حرارتی مادون قرمز و میکروفون جهت‌دار با عملکرد بالا (MEMS) برای جمع‌آوری داده‌های تصویری (مرئی و مادون قرمز) و صوتی از تجهیزات برق.
- شارژ خودکار: توانایی بازگشت خودکار به داک شارژ برای شارژ و اطمینان از عملکرد ۷×۲۴ ساعته بدون وقفه.
۳. فناوری‌های اصلی و اجرای عملکرد
۳.۱ فناوری برنامه‌ریزی مسیر هوشمند و زنده
- برنامه‌ریزی مسیر جهانی: بر اساس نقشه الکترونیکی زیرستانسیون پیش‌بینی شده، توالی بهینه نقاط توقف تجهیزات برای بازدید در طول یک وظیفه بازرسی و مسیرهای امکان‌پذیر را بر اساس استراتژی‌هایی مانند "مسیر کوتاه‌ترین"، "کمترین چرخش" یا "بهینه جامع" محاسبه می‌کند.
- برنامه‌ریزی مسیر محلی:
- اجتناب از موانع: از الگوریتم VFF (Histogram Virtual Force Field) استفاده می‌کند که با داده‌های حسگر مانند LiDAR ترکیب شده تا دستورات اجتناب زنده تولید کند و ناوبری ایمن را در محیط‌های پویا تضمین کند.
- تعقیب خط: از الگوریتم کنترل PID کلاسیک استفاده می‌کند تا ربات را قادر به دنبال کردن مسیرهای پیش‌درآمده به صورت دقیق کند.
- تطبیق با محیط: از الگوریتم EM و الگوریتم‌های خوشه‌بندی برای پردازش داده‌های حسگر استفاده می‌کند، به طور موثر مرزهای جاده را برازش می‌دهد و انحرافات موقعیت‌یابی را غلبه می‌کند.
۳.۲ سیستم تشخیص و تشخیص چندمد تجهیزات
- سیستم نظارت و تشخیص مادون قرمز از راه دور
- پیکربندی: دوربین حرارتی مادون قرمز آنلاین، شامل ماژول‌های جمع‌آوری تصویر، پردازش، نمایش، ذخیره‌سازی و تولید گزارش.
- توابع: به صورت خودکار دمای سطح تجهیزات را تشخیص می‌دهد، آن را با آستانه‌های پیش‌فرض مقایسه می‌کند و در صورت تشخیص ناهماهنگی، هشدار صوتی/بصیری را فوراً فعال می‌کند؛ می‌تواند نقشه‌های گرادیان دمایی تجهیزات، منحنی‌های دما-زمان و غیره را تولید کند تا در تحلیل عیب کمک کند؛ از فناوری فشرده‌سازی تصویر استفاده می‌کند تا نظارت همزمان بر پخش‌های مادون قرمز زنده از چند زیرستانسیون در مرکز توزیع را پشتیبانی کند.
- سیستم نظارت و تشخیص تصویری از راه دور
- پیکربندی: دوربین CCD نور مرئی و سرور ویدئو.
- توابع: سیستم پایگاه به صورت هوشمند (مانند تحلیل تصویر تفاوت، تحلیل همبستگی) تصاویر مرئی برگشتی را تحلیل می‌کند تا به صورت خودکار وضعیت ظاهری تجهیزات برق و خواندن دستگاه‌ها را شناسایی کند. به طور معمول، به صورت خودکار نقاط نظارتی را تغییر می‌دهد؛ فقط در صورت تشخیص ناهماهنگی تصاویر را ذخیره می‌کند و هشدار می‌دهد، به طور قابل توجهی از کانال‌ها و اثربخشی نظارت بهره می‌برد.
- سیستم نظارت و تشخیص صوتی از راه دور
- پیکربندی: میکروفون جهت‌دار با عملکرد بالا (MEMS).
- توابع: صدای کار تجهیزات را به صورت زنده جمع‌آوری می‌کند، آن را فشرده می‌کند و بر می‌گرداند. سیستم به صورت هوشمند وضعیت کاری و نوع ناهماهنگی (مانند تخلیه، دیسچارژ) تجهیزات مانند ترانسفورماتور را با مقایسه صدای زنده با داده‌های عادی تاریخی ارزیابی می‌کند و رابط تعاملی برای کارکنان نگهداری برای پرس‌وجو و تحلیل ارائه می‌دهد.
- سیستم تشخیص و هشدار نفوذ اجسام متحرک
- اصول: بر اساس الگوریتم‌های تشخیص هدف متحرک در جریان ویدئو، به صورت خودکار مناطق موجود در ویدئو که شامل اجسام متحرک نسبت به پس‌زمینه هستند را شناسایی و استخراج می‌کند.
- توابع: هنگامی که یک هدف متحرک ناهماهنگی مانند نفوذ غیرقانونی تشخیص داده می‌شود، سیستم فوراً هشدار می‌دهد و تصاویر محلی را ذخیره می‌کند، شواهدی برای ردیابی امنیتی ارائه می‌دهد و نظارت امنیتی بدون نظارت را ممکن می‌سازد.
۴. نتایج عملیات و کاربرد میدانی
ارزش کاربردی اصلی: این سیستم رباتیک به طور نوآورانه "تشخیص متحرک بدون تماس" را با "نظارت ثابت با تماس" موجود در زیرستانسیون‌ها یکپارچه کرده است و یک سیستم نظارتی جامع را تشکیل داده که هم فضایی و هم وضعیت را پوشش می‌دهد و به طور موثر نقاط ضعف مدل‌های بازرسی سنتی را جبران می‌کند.
نتایج عملیاتی:
- به طور قابل توجهی افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان: قادر به تشخیص سریع ناهماهنگی‌های پتانسیلی مانند عیب‌های گرمایی، اجسام خارجی سطحی، لو رفتن روغن و ناهماهنگی‌های صوتی در تجهیزات، و رفع حوادث در مراحل اولیه.
- بهبود کارایی عملیات و نگهداری: جایگزینی بازرسی‌های روتین و تکراری دستی و ارائه بازخورد زنده و دقیق از وضعیت محلی به مأموران توزیع، ارائه داده‌های کلیدی برای تصمیم‌گیری در مواقع اضطراری و به طور قابل توجهی کاهش زمان رسیدگی به عیب.
- کاهش هزینه‌های عملیاتی: به عنوان تجهیزات فناوری کلیدی برای مدل زیرستانسیون "بدون نظارت" عمل می‌کند و به شرکت‌های برق کمک می‌کند تا تخصیص منابع انسانی را بهینه کرده و هزینه‌های عملیاتی بلندمدت را کاهش دهند.
