خودکارسازی بازرسی زیرگذر: چگونه رباتیک قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد

۱. زمینه پروژه و ضرورت تحقیق و توسعه

با پیشرفت فناوری و عمیق شدن اصلاحات سیستم برق، سطح خودکارسازی سیستم‌های برق به طور قابل توجهی بهبود یافته است. زیراستانیون‌ها در حال تحول به مدل‌های عملیاتی "بدون نظارت" یا "با کمترین کارکنان" هستند. در حال حاضر، زیراستانیون‌ها عمدتاً بر روی عملکردهای "چهار دوربین" (دوربین‌های برق، سیگنال‌های دور، کنترل دوردست و تنظیمات دوردست) و سیستم‌های SCADA تکیه دارند تا سیگنال‌های برق تجهیزات را نظارت کنند. با این حال، این رویکرد سنتی قادر به درک و آگاهی زنده از وضعیت فیزیکی محلی تجهیزات (مانند ظاهر، دما، صداهای غیرعادی و غیره) نیست.

مدل عملیاتی و نگهداری فعلی مشکلات واضحی دارد: وقتی که یک ناهماهنگی در یک زیراستانیون رخ می‌دهد، مدیران عملیات باید ابتدا تیم‌های عملیاتی دوردست را به محل اعزام کنند و سپس تعمیرات را سازماندهی کنند. این فرآیند به طور قابل توجهی زمان رفع عیب را تأخیر می‌دهد و بر قابلیت اطمینان تأمین برق و کیفیت خدمات تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، نظارت ویدئویی دوردست سنتی فقط انتقال دیجیتال صوت و تصویر را محقق می‌کند، توانایی تحلیل هوشمند ندارد و به دلیل محدودیت زاویه دید دوربین‌های تکی و پهنای باند شبکه محدود، گسترش در مقیاس بزرگ دشوار است.

۲. ساختار کلی سیستم ربات

این سیستم از معماری دو لایه "ایستگاه پایه-عامل موبایل" برای دستیابی به نظارت هماهنگ دوردست و عملیات بازرسی محلی استفاده می‌کند.

۲.۱ سیستم ایستگاه پایه

سیستم ایستگاه پایه در مرکز نظارت دوردست نصب شده و به عنوان هسته تعامل انسان-ماشین و فرماندهی کل سیستم عمل می‌کند.

۲.۲ سیستم عامل موبایل (بدن ربات)

عامل موبایل یک انتهای هوشمند است که وظایف بازرسی محلی را انجام می‌دهد و دارای درجه بالایی از استقلال و انطباق با محیط است.

• طراحی بدنه متحرک: از ساختار محرک چهار چرخی استفاده می‌کند. دو چرخ جلو مستقل هستند و هر کدام توسط یک موتور جداگانه تغذیه می‌شوند، این امر موجب می‌شود که می‌توانند با پیچش متفاوت هدایت کنند؛ دو چرخ عقب چرخ‌های کاستر هستند. این ساختار مزایایی مانند پایداری حرکت خطی خوب، شعاع چرخش کوچک (می‌تواند حول نقطه مرکزی چرخ‌های جلو چرخاندن کند)، توانایی بالای تطبیق با جاده، عدم لیز و ساختار ساده و قابل اعتماد را دارد.
• زیرسیستم کنترل حرکت: هسته سخت‌افزاری آن یک مادربرد PC104 است که با کارت کنترل حرکت PCL-839 و موتورهای محرک تجهیز شده است. این زیرسیستم مسئول تمام رفتارهای حرکتی ربات است. با دریافت دستورات از برنامه‌ریز بالایی و یکپارچه‌سازی مدل دینامیکی خودرو، دستورات سرعت را به صورت دقیق به هر موتور محرک تجزیه می‌کند و کنترل حرکتی هموار و دقیق را محقق می‌کند.
• زیرسیستم اجرای وظیفه: به عنوان "حس" و "دست" ربات عمل می‌کند. عملکردهای اصلی شامل موارد زیر است:
• جمع‌آوری داده: یک دوربین CCD نور مرئی، یک دوربین مادون قرمز حرارتی و یک میکروفون جهت‌دار با کارایی بالا (MEMS) برای جمع‌آوری داده‌های تصویر (مرئی و مادون قرمز) و صدا از تجهیزات برق یکپارچه شده است.
• شارژ خودکار: قادر به بازگشت خودکار به داک شارژ و شارژ شدن است، تا عملیات ۷x۲۴ ساعته بدون وقفه را تضمین کند.

۳. فناوری‌های اصلی و اجرای عملکرد

۳.۱ فناوری برنامه‌ریزی مسیر هوشمند زنده

• برنامه‌ریزی مسیر جهانی: بر اساس نقشه الکترونیکی پیش‌فرض زیراستانیون، توالی بهینه نقاط توقف تجهیزات برای بازدید در طول یک وظیفه بازرسی و مسیرهای قابل اجرا را بر اساس استراتژی‌هایی مانند "مسیر کوتاه‌ترین"، "کمترین چرخش" یا "بهینه کلی" محاسبه می‌کند.
• برنامه‌ریزی مسیر محلی:
• اجتناب از موانع: از الگوریتم VFF (Histogram of Virtual Force Field) استفاده می‌کند که با داده‌های حسگر مانند LiDAR ترکیب شده تا دستورات اجتناب زنده تولید کند و هدایت ایمن در محیط‌های پویا را تضمین کند.
• پیگیری خط: از الگوریتم کنترل PID کلاسیک استفاده می‌کند تا ربات به طور دقیق مسیرهای پیش‌تعیین شده را دنبال کند.
• تأzyst با محیط: از الگوریتم EM و الگوریتم‌های خوشه‌بندی برای پردازش داده‌های حسگر استفاده می‌کند تا مرزهای جاده را به طور موثر برازش کند و انحراف‌های موقعیتی را غلبه کند.

۳.۲ سیستم تشخیص و تشخیص چند مودال تجهیزات

1. سیستم نظارت و تشخیص مادون قرمز دوردست
• پیکربندی: دوربین حرارتی مادون قرمز آنلاین، شامل ماژول‌های جمع‌آوری تصویر، پردازش، نمایش، ذخیره‌سازی و تولید گزارش.
• عملکردها: به طور خودکار دمای سطح تجهیزات را تشخیص می‌دهد، آن را با آستانه‌های پیش‌تعیین شده مقایسه می‌کند و در صورت تشخیص ناهماهنگی، هشدار صوتی/تصویری فوراً را فعال می‌کند؛ می‌تواند نقشه‌های گرادیان دما تجهیزات، منحنی‌های دما-زمان و غیره را تولید کند تا در تحلیل خرابی کمک کند؛ از فناوری فشرده‌سازی تصویر استفاده می‌کند تا نظارت همزمان بر پخش‌های مادون قرمز زنده از چند زیراستانیون در مرکز مدیریت عملیات امکان‌پذیر باشد.
2. سیستم نظارت و تشخیص تصویر دوردست
• پیکربندی: دوربین CCD نور مرئی و سرور ویدئو.
• عملکردها: سیستم ایستگاه پایه تحلیل هوشمند (مانند تحلیل تصویر تفاوت، تحلیل همبستگی) بر روی تصاویر نور مرئی بازگشتی انجام می‌دهد تا به طور خودکار وضعیت ظاهری تجهیزات برق و خواندن دستگاه‌ها را شناسایی کند. به طور معمول، به طور خودکار نقاط نظارت را تغییر می‌دهد؛ فقط زمانی تصاویر را ذخیره می‌کند و هشدار می‌دهد که ناهماهنگی تشخیص داده شود، که به طور قابل توجهی استفاده از کانال و مؤثر بودن نظارت را بهبود می‌بخشد.
3. سیستم نظارت و تشخیص صوتی دوردست
• پیکربندی: میکروفون جهت‌دار با کارایی بالا MEMS.
• عملکردها: صدای عملیاتی تجهیزات را به طور زنده جمع‌آوری می‌کند، آن را فشرده می‌کند و باز می‌فرستد. سیستم به طور هوشمند وضعیت عملیاتی و نوع ناهماهنگی (مانند تراش، تخلیه) تجهیزات مانند ترانسفورماتورها را با مقایسه صدای زنده با داده‌های عادی تاریخی ارزیابی می‌کند و رابط تعاملی برای کارکنان نگهداری برای پرس‌وجو و تحلیل فراهم می‌کند.
4. سیستم تشخیص و هشدار نفوذ شیء متحرک
• اصول: بر اساس الگوریتم‌های تشخیص هدف متحرک در جریان ویدئو، به طور خودکار مناطق موجود در ویدئو که شامل اشیاء متحرک نسبت به پس‌زمینه هستند را شناسایی و استخراج می‌کند.
• عملکردها: هنگامی که یک هدف متحرک ناهماهنگی مانند نفوذ غیرقانونی تشخیص داده می‌شود، سیستم فوراً هشدار می‌دهد و تصاویر محلی را ذخیره می‌کند تا شواهد برای ردیابی امنیتی فراهم کند و نظارت امنیتی بدون نظارت واقعی را ممکن سازد.

۴. عملیات میدانی و نتایج کاربردی

ارزش کاربردی اصلی: این سیستم ربات به طور نوآورانه "تشخیص موبایل بدون تماس" را با "نظارت ثابت مبتنی بر تماس" موجود در زیراستانیون‌ها یکپارچه کرده است و یک سیستم نظارتی جامع که هم فضایی و هم وضعیتی را پوشش می‌دهد، تشکیل داده است که به طور موثر کاستی‌های مدل‌های بازرسی سنتی را جبران می‌کند.

نتایج عملیاتی:

• افزایش قابل توجه امنیت و قابلیت اطمینان: قادر به تشخیص به موقع ناهماهنگی‌های بالقوه مانند نقص حرارتی، اجسام خارجی سطحی، تеч خروجی روغن و ناهماهنگی‌های صوتی تجهیزات، و رفع حوادث در مراحل اولیه است.
• افزایش کارایی عملیات و نگهداری: جایگزینی بازرسی‌های روتین و تکراری دستی و ارائه بازخورد زنده و دقیق از شرایط محلی به مدیران عملیات، ارائه داده‌های کلیدی برای تصمیم‌گیری اضطراری و کاهش قابل توجه زمان رسیدگی به خرابی.
• کاهش هزینه‌های عملیاتی: به عنوان تجهیزات فناوری کلیدی برای مدل "بدون نظارت" زیراستانیون‌ها عمل می‌کند و به شرکت‌های توزیع برق کمک می‌کند تا تخصیص منابع انسانی را بهینه کرده و هزینه‌های عملیاتی بلندمدت را کاهش دهند.