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1　目標和概述

1.1　建設背景及行業面臨的挑戰

發電企業的智能制造過程即電力智能生產。隨著PLC和電腦的運用，我國大部分發電企業的自動化水平日益提高，但行業整體智能化水平偏低，巡檢、檢修等工作仍主要采用傳統人工方式開展。通過人的感官對設備進行簡單定性判斷，主要通過看、觸、聽、嗅等方法實現。但是，人工巡檢存在著很多不足。傳統人工巡檢方式具有勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、手段單一等問題，人工檢測的數據也無法準確、及時地接入管理信息系統。并且，隨著無人值守模式的推廣，巡視工作量越來越大，巡檢到位率、及時性無法保證。此外，在高原、缺氧、寒冷等地理條件或惡劣天氣條件下，人工巡檢還存在較大安全風險，缺乏有效的巡檢手段。大風、霧天、冰雪、冰雹、雷雨等惡劣天氣下，也無法及時進行巡檢。因此，傳統變電站巡檢方式急需新的“接班人”。

當前，我國發電行業已由高速增長階段轉向高質量發展階段，各發電企業都不同程度面臨勞動生產率不高、科研投入不足、創新驅動力不夠等問題，多措并舉地提質增效已成當務之急，加快智能化建設無疑是助力我國發電行業轉型、提升行業整體競爭力的重要抓手。

智能機器人是智能制造最具代表性的裝備，是實現智能制造的關鍵元素，隨著智慧電網的提出和發展，將智能巡檢運用到其中是當下建設智慧電廠的全新目標。狀態巡檢與故障診斷是實現其智能化的重要手段。國家電網公司早在1999年即開始相關研究工作，隨著近年電網規模快速增大，越來越多的智能機器人走上變電站巡檢崗位，在很大程度上實現了對人工巡檢的替代，2016年，國家電網公司發布《變電站智能機器人巡檢系統技術規范》。

而水電站場地條件和設備都較變電站復雜，水電廠設備之間關系密切，相互耦合構成有機整體，設備分析與診斷需要關聯相關設備狀態，要從全局進行考慮。為了全面準確地分析設備運行狀態、評估設備健康狀況，需要一個符合智能電廠要求的集成所有設備狀態數據的一體化巡檢與分析平臺。

1.2 主要目標

綜合智能巡檢系統的初期建設目標是在各電站建立一套基于智能巡檢機器人和攝像頭的智能巡檢系統，通過智能巡檢與人工巡檢交替進行，在一定程度上實現對人工巡檢的替代，延長人工巡檢周期，降低運行人員巡視強度和安全風險。在自然災害、新冠肺炎疫情等特殊情況下，綜合智能巡檢系統能夠臨時性地全面替代人工巡檢。解決方案的中期目標即智能巡檢系統經過成熟發展，能完全替代人工巡檢，并具備各種安全預警功能，例如安全帽檢查、違章糾正等。其遠期目標是隨著智能領域前沿科技的發展，智能巡檢系統在完全替代人工巡檢的基礎上，逐步具備故障診斷、智能分析等功能，能自主對設備健康狀態進行評估，為設備狀態檢修提供支撐。

1.3 總體概述

水電站綜合智能巡檢系統主要由智能巡檢機器人、綜合智能巡檢系統、綜合智能巡檢系統監控后臺組成。

智能巡檢機器人是智能巡檢系統的核心部分，集成可見光攝像機、紅外熱成像儀、溫濕度等多種傳感器，通過精確的導航和設備定位，以全自主或遙控方式，完成預先設定的巡檢任務，對電站進行巡檢。

巡檢機器人與電站原有工業電視系統及其他輸入源相結合構成綜合智能巡檢系統。電站工業電視系統和其他輸入源作為除巡檢機器人以外的數據采集方式，與巡檢機器人共同構成智能巡檢系統。對于巡檢機器人在巡檢過程中遇到的個別檢測盲點問題，以及移動受限導致的個別部位無法巡檢問題，采用輔助視頻和紅外監控點作為巡檢機器人的有效補充。

機器人、工業電視及其他輸入源共同構成綜合智能巡檢系統的后臺控制、監控系統。包括實時監控、機器人狀態控制、機器人巡視任務管理、數據查詢統計、系統互聯、報表統計、系統配置、告警管理等功能模塊，實現實時監控、機器人實時狀態控制、巡檢任務管理、數據查詢統計等。同時，監控后臺系統應與能源網絡智能化應用示范平臺進行聯動。

水電站綜合智能巡檢系統主要任務是通過智能巡檢機器人在一定程度上代替人工巡檢，降低運維人員設備巡視強度和安全風險，提升巡檢質量。巡檢范圍包括主廠房（發電機層、水輪機層、蝶閥層）、副廠房（廠用屏室、中控室）、主變、GIS室、大壩等。其中，主廠房發電機層、GIS室、大壩、主變區域為智能巡檢機器人巡檢范圍，其余區域結合電站工業電視系統巡檢。綜合智能巡檢系統巡檢內容包括各儀器設備外觀、儀表表計讀數識別、溫濕度識別、漏水識別、漏油識別、現場光照判斷識別、安全帽佩戴識別、開關狀態識別、指示燈狀態識別、噪聲識別、振動識別等。巡檢機器人還需具有離線數據采集功能，在未聯網的情況下完成巡檢任務時，機器人自身應能完成數據采集并存儲采集數據，在網絡恢復后，能上傳至后臺。

綜合智能巡檢系統監控后臺系統人機界面操作友好、方便，信息顯示清晰，便于人機交互。能夠對設備的可見光、紅外視頻和機器人狀態進行實時監視；通過任務管理和遙控等手段對機器人實施有效管理和控制；提供各類數據的實時查詢和分析能力；自動生成巡檢任務報告；提供巡檢報告打印、實時數據存儲、歷史數據查詢以及數據分析診斷功能。

2　方案介紹

2.1　系統架構

一套完整的綜合智能巡檢系統應當由數據采集系統、模式識別及故障判斷系統、后臺監控系統以及傳輸網絡四部分組成，如圖1所示。

圖1 典型的綜合智能巡檢系統總體架構圖

2.2　硬件設備

（1）智能巡檢機器人及其自身攜帶的各種檢測設備。智能巡檢機器人的選擇以“部署便捷、運動性強、安全性高”為原則。為此，各電站宜采用具備無軌導航、輪式結構、續航能力強、防撞防跌等能力的性能優異的智能巡檢機器人。

（2）帶云臺（或固定）的高清可見光攝像頭。在智能巡檢機器人的巡檢范圍之外，可將帶云臺（或固定）的高清可見光攝像頭作為重要的數據采集裝置采集水電站運行設備的狀態，尤其是水車室、技術供水室等重點區域。各電站應在充分利用已建工業電視系統的基礎上，以“看得清”為原則適當增配高標準的可見光攝像頭。

（3）帶云臺（或固定）的高清紅外光攝像頭。紅外測溫在設備巡檢中具有重要作用，可將帶云臺（或固定）的高清紅外光攝像頭作為數據采集裝置采集水電站運行設備的狀態，尤其是機組出口隔離刀閘、廠用變等重點區域。

（4）微型氣象站（根據天氣情況決定機器人是否進行室外巡檢）。

（5）各種固定的溫度/濕度傳感器。

（6）各類手持式的巡檢終端。

2.3　軟件平臺

服務器為智能巡檢系統提供數據存儲服務，采用的型號為Dell R540，預裝Windows Server 2012操作系統。

客戶端為智能巡檢系統提供界面展示、報告生成、機器人遠程操作等功能，主機采用型號為H PG280 MT的個人PC，配32寸顯示器及有線鍵鼠。預裝Windows 10操作系統以及智能巡檢系統配套軟件。

2.4　數據通信

各電站應建設覆蓋整個水電站的獨立局域網供綜合智能巡檢系統使用。局域網應當采用自適應速率的工業以太網，以無線網絡加有線網絡的方式進行綜合布置。傳輸網絡拓撲圖如圖2所示。

獨立局域網使用的區域交換機應采用工業級以太網交換機，主交換機應采用1000M單模光口。在智能巡檢機器人行走區域（室內和室外）應增加支持802.11 ac Wave2協議的工業級無線AP，采用千兆電口/光口上行鏈路，保證無線高速傳輸，采用PoE遠程供電，外殼滿足IP66或以上的防護等級。以上設備構成10-100-1000Mbps自適應交換式工業以太網。

圖2 傳輸網絡拓撲圖

3　代表性及推廣價值

3.1　技術亮點

（1）綜合智能巡檢：具備5R一體工作法的智能巡檢機器人結合工業電視（監控）系統形成全覆蓋無死角，更強適應能力和融合能力的綜合智能巡檢系統平臺。

（2）“5R一體化巡檢”工作法：即五個實時（5R）：實時拍照、實時識別、實時分析、實時處理（報警）、實時上傳，保證了巡檢的客觀性和實時性。一體化：即在區域內一體巡檢，無論是水平空間、垂直空間還是室內室外、樓上樓下都能實現單臺巡檢機器人全覆蓋巡檢。同時可聯運環境內已有裝置（在線監測、監控等），讀取相應數據信息，實現一體化巡檢。讓巡檢機器人的效能最大化。

（3）云邊結合系統：實現智能巡檢機器人由傳統的基于信號的控制轉變為基于信息的控制。讓巡檢機器人具有學習、感知、決策、預測等自主能力，在巡檢過程中，機器人端即可對巡檢數據進行識別分析。云服務則真正實現了大數據的優勢，一是保障了巡檢數據的安全性，二是實現數據資源多站共享。隨著機器人分布的擴展和應用數據的積累，讓整個巡檢系統變得逐漸更加客觀、實時、完整，逐步形成專家運維系統。

（4）離線巡檢

機器人本體帶有數據庫，在斷網的情況下，依舊可以按原有計劃進行例行巡檢，并將巡檢數據存儲在機器人本體中，待網絡恢復后將數據進行上傳，最大程度保證了巡檢計劃的有效性和巡檢數據的完整性。

（5）智能化超快部署

對于巡檢工作而言，巡檢點從數百到上萬不等，這對于機器人的部署而言，就變得非常復雜，公司獨創PAD部署，技術服務人員在現場可以快速完成巡檢部署，用戶也可根據自身需求，快速進行點位的增加或刪除，提高了巡檢機器人的適用性。

3.2　經濟效益

水電設備狀態智慧分析與預警系統提升了巡檢效益和巡檢質量。其自動巡檢功能投入使用之后，人工巡檢工作可以降低巡檢頻次乃至取消，節約了人力資源。水電設備狀態智慧分析與預警系統的自動巡檢可做到24小時不間斷巡檢，增加了設備巡檢的頻率。

機器人巡檢作業直接提高工效約3~5倍（按照人工巡檢3天一個周期計），加上天氣變化等因素的特殊作業，綜合工效提高約10倍左右。

水電設備狀態智慧分析與預警系統可根據巡檢數據分析設備劣化趨勢，為水電廠設備狀態檢修提供依據，合理分配設備檢修周期，節省不必要的檢修開支。

3.3　社會效益

新冠肺炎疫情期間，全面使用水電設備狀態智慧分析與預警系統的自動巡檢功能代替人工巡檢，有效地避免了巡檢過程中人與人的接觸，降低了新冠肺炎傳播的風險。

智能機器人巡檢平臺替代人工巡視、測溫、儀表數據采集等工作，可將運維人員從繁重的巡視工作中解放出來，投入到運維一體及設備診斷分析工作中去，從而提高運維工作效率。一定程度提升了轄區居民用電的可靠性和安全性。

3.4　應用情況及效果

通過智能機器人與帶云臺（或固定）的可見光（紅外）攝像頭相結合，研究開發出一套應用于水電站巡檢的綜合智能巡檢系統。相較于人工巡檢，該系統在繼承其大量經驗的同時，還具備以下優勢：

（1）增加巡檢安排的靈活性和及時性，既能按照計劃定期開展巡檢，又能根據需求隨時開展針對性巡檢。

（2）提升巡檢客觀性和可靠性，有效避免人工巡檢因人員工作能力、經驗、身體狀態、主觀意識等原因導致的誤差。

（3）擴大巡檢范圍，基本可以覆蓋電站生產區域的主要設備，不受場地條件、安全等因素的限制。

（4）提高工作效率，將分散式的人工巡檢模式（如廠房和閘壩的巡檢往往需要分開進行，紅外測溫需單獨開展等）轉變為集中式的智能巡檢模式，同時實現巡檢數據的統一存儲、管理。

（5）有效降低人身事故風險。

（6）解放勞動力，優化人員配置，培養智能巡檢領域專業人才。

（7）符合都市水電的發展趨勢，提高員工幸福指數。綜合智能巡檢系統的投運切實提高了水電站的設備健康水平和管理水平，取得良好示范效應。

摘自《自動化博覽》2021年7月刊