1　目标和概述

1.1　建设背景及行业面临的挑战

发电企业的智能制造过程即电力智能生产。随着PLC和电脑的运用，我国大部分发电企业的自动化水平日益提高，但行业整体智能化水平偏低，巡检、检修等工作仍主要采用传统人工方式开展。通过人的感官对设备进行简单定性判断，主要通过看、触、听、嗅等方法实现。但是，人工巡检存在着很多不足。传统人工巡检方式具有劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一等问题，人工检测的数据也无法准确、及时地接入管理信息系统。并且，随着无人值守模式的推广，巡视工作量越来越大，巡检到位率、及时性无法保证。此外，在高原、缺氧、寒冷等地理条件或恶劣天气条件下，人工巡检还存在较大安全风险，缺乏有效的巡检手段。大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨等恶劣天气下，也无法及时进行巡检。因此，传统变电站巡检方式急需新的“接班人”。

当前，我国发电行业已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，各发电企业都不同程度面临劳动生产率不高、科研投入不足、创新驱动力不够等问题，多措并举地提质增效已成当务之急，加快智能化建设无疑是助力我国发电行业转型、提升行业整体竞争力的重要抓手。

智能机器人是智能制造最具代表性的装备，是实现智能制造的关键元素，随着智慧电网的提出和发展，将智能巡检运用到其中是当下建设智慧电厂的全新目标。状态巡检与故障诊断是实现其智能化的重要手段。国家电网公司早在1999年即开始相关研究工作，随着近年电网规模快速增大，越来越多的智能机器人走上变电站巡检岗位，在很大程度上实现了对人工巡检的替代，2016年，国家电网公司发布《变电站智能机器人巡检系统技术规范》。

而水电站场地条件和设备都较变电站复杂，水电厂设备之间关系密切，相互耦合构成有机整体，设备分析与诊断需要关联相关设备状态，要从全局进行考虑。为了全面准确地分析设备运行状态、评估设备健康状况，需要一个符合智能电厂要求的集成所有设备状态数据的一体化巡检与分析平台。

1.2 主要目标

综合智能巡检系统的初期建设目标是在各电站建立一套基于智能巡检机器人和摄像头的智能巡检系统，通过智能巡检与人工巡检交替进行，在一定程度上实现对人工巡检的替代，延长人工巡检周期，降低运行人员巡视强度和安全风险。在自然灾害、新冠肺炎疫情等特殊情况下，综合智能巡检系统能够临时性地全面替代人工巡检。解决方案的中期目标即智能巡检系统经过成熟发展，能完全替代人工巡检，并具备各种安全预警功能，例如安全帽检查、违章纠正等。其远期目标是随着智能领域前沿科技的发展，智能巡检系统在完全替代人工巡检的基础上，逐步具备故障诊断、智能分析等功能，能自主对设备健康状态进行评估，为设备状态检修提供支撑。

1.3 总体概述

水电站综合智能巡检系统主要由智能巡检机器人、综合智能巡检系统、综合智能巡检系统监控后台组成。

智能巡检机器人是智能巡检系统的核心部分，集成可见光摄像机、红外热成像仪、温湿度等多种传感器，通过精确的导航和设备定位，以全自主或遥控方式，完成预先设定的巡检任务，对电站进行巡检。

巡检机器人与电站原有工业电视系统及其他输入源相结合构成综合智能巡检系统。电站工业电视系统和其他输入源作为除巡检机器人以外的数据采集方式，与巡检机器人共同构成智能巡检系统。对于巡检机器人在巡检过程中遇到的个别检测盲点问题，以及移动受限导致的个别部位无法巡检问题，采用辅助视频和红外监控点作为巡检机器人的有效补充。

机器人、工业电视及其他输入源共同构成综合智能巡检系统的后台控制、监控系统。包括实时监控、机器人状态控制、机器人巡视任务管理、数据查询统计、系统互联、报表统计、系统配置、告警管理等功能模块，实现实时监控、机器人实时状态控制、巡检任务管理、数据查询统计等。同时，监控后台系统应与能源网络智能化应用示范平台进行联动。

水电站综合智能巡检系统主要任务是通过智能巡检机器人在一定程度上代替人工巡检，降低运维人员设备巡视强度和安全风险，提升巡检质量。巡检范围包括主厂房（发电机层、水轮机层、蝶阀层）、副厂房（厂用屏室、中控室）、主变、GIS室、大坝等。其中，主厂房发电机层、GIS室、大坝、主变区域为智能巡检机器人巡检范围，其余区域结合电站工业电视系统巡检。综合智能巡检系统巡检内容包括各仪器设备外观、仪表表计读数识别、温湿度识别、漏水识别、漏油识别、现场光照判断识别、安全帽佩戴识别、开关状态识别、指示灯状态识别、噪声识别、振动识别等。巡检机器人还需具有离线数据采集功能，在未联网的情况下完成巡检任务时，机器人自身应能完成数据采集并存储采集数据，在网络恢复后，能上传至后台。

综合智能巡检系统监控后台系统人机界面操作友好、方便，信息显示清晰，便于人机交互。能够对设备的可见光、红外视频和机器人状态进行实时监视；通过任务管理和遥控等手段对机器人实施有效管理和控制；提供各类数据的实时查询和分析能力；自动生成巡检任务报告；提供巡检报告打印、实时数据存储、历史数据查询以及数据分析诊断功能。

2　方案介绍

2.1　系统架构

一套完整的综合智能巡检系统应当由数据采集系统、模式识别及故障判断系统、后台监控系统以及传输网络四部分组成，如图1所示。

图1 典型的综合智能巡检系统总体架构图

2.2　硬件设备

（1）智能巡检机器人及其自身携带的各种检测设备。智能巡检机器人的选择以“部署便捷、运动性强、安全性高”为原则。为此，各电站宜采用具备无轨导航、轮式结构、续航能力强、防撞防跌等能力的性能优异的智能巡检机器人。

（2）带云台（或固定）的高清可见光摄像头。在智能巡检机器人的巡检范围之外，可将带云台（或固定）的高清可见光摄像头作为重要的数据采集装置采集水电站运行设备的状态，尤其是水车室、技术供水室等重点区域。各电站应在充分利用已建工业电视系统的基础上，以“看得清”为原则适当增配高标准的可见光摄像头。

（3）带云台（或固定）的高清红外光摄像头。红外测温在设备巡检中具有重要作用，可将带云台（或固定）的高清红外光摄像头作为数据采集装置采集水电站运行设备的状态，尤其是机组出口隔离刀闸、厂用变等重点区域。

（4）微型气象站（根据天气情况决定机器人是否进行室外巡检）。

（5）各种固定的温度/湿度传感器。

（6）各类手持式的巡检终端。

2.3　软件平台

服务器为智能巡检系统提供数据存储服务，采用的型号为Dell R540，预装Windows Server 2012操作系统。

客户端为智能巡检系统提供界面展示、报告生成、机器人远程操作等功能，主机采用型号为H PG280 MT的个人PC，配32寸显示器及有线键鼠。预装Windows 10操作系统以及智能巡检系统配套软件。

2.4　数据通信

各电站应建设覆盖整个水电站的独立局域网供综合智能巡检系统使用。局域网应当采用自适应速率的工业以太网，以无线网络加有线网络的方式进行综合布置。传输网络拓扑图如图2所示。

独立局域网使用的区域交换机应采用工业级以太网交换机，主交换机应采用1000M单模光口。在智能巡检机器人行走区域（室内和室外）应增加支持802.11 ac Wave2协议的工业级无线AP，采用千兆电口/光口上行链路，保证无线高速传输，采用PoE远程供电，外壳满足IP66或以上的防护等级。以上设备构成10-100-1000Mbps自适应交换式工业以太网。

图2 传输网络拓扑图

3　代表性及推广价值

3.1　技术亮点

（1）综合智能巡检：具备5R一体工作法的智能巡检机器人结合工业电视（监控）系统形成全覆盖无死角，更强适应能力和融合能力的综合智能巡检系统平台。

（2）“5R一体化巡检”工作法：即五个实时（5R）：实时拍照、实时识别、实时分析、实时处理（报警）、实时上传，保证了巡检的客观性和实时性。一体化：即在区域内一体巡检，无论是水平空间、垂直空间还是室内室外、楼上楼下都能实现单台巡检机器人全覆盖巡检。同时可联运环境内已有装置（在线监测、监控等），读取相应数据信息，实现一体化巡检。让巡检机器人的效能最大化。

（3）云边结合系统：实现智能巡检机器人由传统的基于信号的控制转变为基于信息的控制。让巡检机器人具有学习、感知、决策、预测等自主能力，在巡检过程中，机器人端即可对巡检数据进行识别分析。云服务则真正实现了大数据的优势，一是保障了巡检数据的安全性，二是实现数据资源多站共享。随着机器人分布的扩展和应用数据的积累，让整个巡检系统变得逐渐更加客观、实时、完整，逐步形成专家运维系统。

（4）离线巡检

机器人本体带有数据库，在断网的情况下，依旧可以按原有计划进行例行巡检，并将巡检数据存储在机器人本体中，待网络恢复后将数据进行上传，最大程度保证了巡检计划的有效性和巡检数据的完整性。

（5）智能化超快部署

对于巡检工作而言，巡检点从数百到上万不等，这对于机器人的部署而言，就变得非常复杂，公司独创PAD部署，技术服务人员在现场可以快速完成巡检部署，用户也可根据自身需求，快速进行点位的增加或删除，提高了巡检机器人的适用性。

3.2　经济效益

水电设备状态智慧分析与预警系统提升了巡检效益和巡检质量。其自动巡检功能投入使用之后，人工巡检工作可以降低巡检频次乃至取消，节约了人力资源。水电设备状态智慧分析与预警系统的自动巡检可做到24小时不间断巡检，增加了设备巡检的频率。

机器人巡检作业直接提高工效约3~5倍（按照人工巡检3天一个周期计），加上天气变化等因素的特殊作业，综合工效提高约10倍左右。

水电设备状态智慧分析与预警系统可根据巡检数据分析设备劣化趋势，为水电厂设备状态检修提供依据，合理分配设备检修周期，节省不必要的检修开支。

3.3　社会效益

新冠肺炎疫情期间，全面使用水电设备状态智慧分析与预警系统的自动巡检功能代替人工巡检，有效地避免了巡检过程中人与人的接触，降低了新冠肺炎传播的风险。

智能机器人巡检平台替代人工巡视、测温、仪表数据采集等工作，可将运维人员从繁重的巡视工作中解放出来，投入到运维一体及设备诊断分析工作中去，从而提高运维工作效率。一定程度提升了辖区居民用电的可靠性和安全性。

3.4　应用情况及效果

通过智能机器人与带云台（或固定）的可见光（红外）摄像头相结合，研究开发出一套应用于水电站巡检的综合智能巡检系统。相较于人工巡检，该系统在继承其大量经验的同时，还具备以下优势：

（1）增加巡检安排的灵活性和及时性，既能按照计划定期开展巡检，又能根据需求随时开展针对性巡检。

（2）提升巡检客观性和可靠性，有效避免人工巡检因人员工作能力、经验、身体状态、主观意识等原因导致的误差。

（3）扩大巡检范围，基本可以覆盖电站生产区域的主要设备，不受场地条件、安全等因素的限制。

（4）提高工作效率，将分散式的人工巡检模式（如厂房和闸坝的巡检往往需要分开进行，红外测温需单独开展等）转变为集中式的智能巡检模式，同时实现巡检数据的统一存储、管理。

（5）有效降低人身事故风险。

（6）解放劳动力，优化人员配置，培养智能巡检领域专业人才。

（7）符合都市水电的发展趋势，提高员工幸福指数。综合智能巡检系统的投运切实提高了水电站的设备健康水平和管理水平，取得良好示范效应。

摘自《自动化博览》2021年7月刊