基于隧道巡检机器人的隧道设备用电异常监测研究

2022.08.11

廖思成马生涛

摘要：在贵州省山区高速公路系统中隧道是安全隐患较高的区域。对隧道中的各种机电设备进行实时监测对于保障设备的稳定运行和交通运输安全是十分有必要的。利用隧道巡检机器人对电力线路进行远程电流测量，可以判断设备的运行正常与否。稳定、准确的电力线跟踪是一个非常关键的问题。为了准确地跟踪和进行精确地测量，电力线的摆动路径应该事先用隧道巡检机器人用数学函数拟合和预测。在此之后，隧道巡检机器人可以跟踪电源线并测量电流。本文提出了一种利用抛物线和圆拟合算法进行电力线路检测的新方法。通过模拟仿真实验，结果说明了该方法的有效性。

关键词：设备巡检；巡检机器人；智能传感；线路跟踪算法；电力检测

0 前言

高速公路具有交通流量大、行车速度快等特点[1]，贵州省的高速公路往往具有大量的隧道，这些隧道是公路上易于诱发交通意外的特殊地段，特别是气候恶劣的情况下，极易发生交通事故和交通阻塞[2]。高速公路中、长或特长隧道内会设有交通诱导、交通检测、环境检测、通风照明、火灾报警等设备，设备复杂、品种较多，对隧道内的机电设施如何进行有效管控是公路运维管理部门最关注的问题之一[3，4]。

1 电力线跟踪算法介绍

本文提出了一种基于隧道巡检机器人和智能仪表的新型移动传感电力线跟踪算法[5]。如图1所示，说明了使用隧道巡检机器人和智能仪表的电力检测系统[6]。

在该检测系统中，主电能表（MEM）和终端智能仪表（TSM）分别安装在各用电设备的启动节点和终端。MEM测量所有机电设备的总能量。同时，TSM测量每个设备的能量消耗，并通过电力线通信系统传输测量的能量值。如果供电系统发生用电异常，MEM的测量值和每个TSM测量值的总和将不相等。在这种情况下，检测系统通过切换TSM的状态开始一个过程，如图1（b）所示。TSM的开关可以通过带有高频组件的控制块的命令打开或关闭。电压暂降通过AC/AC变压器转换为正常电压，由开关频率产生。如果MEM测量到一定量的电流，即使设备的电流被TSM切断，这意味着通过该电源线使用电力异常。但是，当设备电流被TSM接通时，MEM的测量电流代表配电系统的总电流。因此，巡检机器人可以远程测量这两种电流。巡检机器人可以在传输线下爬行和移动，利用摄像机和其他传感器。图2显示了带有巡检机器人的检测系统的工作环境。

2 基于巡检机器人的直线跟踪方法仿真研究

为了实现对该算法的整体仿真，需要对电力线摆动模型进行仿真，对圆柱形机械手模型进行仿真，并对线跟踪算法进行仿真。为了描述电导体的摆动轨迹，采用抛物线函数。为了获得带噪声的测量数据，在导电体与接近传感器之间的距离数据中加入了40%的高斯白噪声。然而，在圆柱机械手仿真中，采用了上述运动学模型。本文所建立的仿真模型都是在matlab环境下进行的。

该模型的仿真结果如图3所示。它显示了直线轨迹的摆动面。这些结果需要在新的跟踪算法的仿真模型中得到。

下一个模拟结果是在电流传感器的恒定位置确定的电线摆动过程中电流传感器到电线的距离测量。然而，在确定过程中，使用线摆动模型移动电线位置。模拟结果如图4所示。此外，为了考虑实际环境距离测量数据，在确定的距离数据中加入了40%的高斯白噪声，该结果如图4所示。上述过程与近距离传感器产生的误差有关。如果使用这种有误差的测量距离数据，则线跟踪的运动将包含一点振动。该噪声由图4中的红线表示。

为了验证跟踪算法，建立了机器人机械手运动的必要模型。本文实现了机器人机械手的建模。机器人操作器可以在二维空间中移动到插入的坐标。操纵器的一个移动结果如图5所示。

最后仿真模型采用了新的跟踪算法。图6显示了最终的跟踪结果，它表示机器人操纵器上的电流传感器轨迹。结果表明，机械手运动平稳，Y向误差得到

修正。

3 结论

本文提出了一种新的巡检机器人跟踪方法，用于用电异常的检测。仿真结果表明，该算法是有效的，提高了跟踪性能。隧道巡检机器人的使用将很好地提高隧道机电系统故障发现和排查处理的效率，降低隧道机电运维成本。通过本项目研究成功的应用，可以有效地指导相关人员开展隧道机电系统运维工作，提高运维水平。

参考文献：

[1]林永贵.浅析贵州某高速公路隧道病害处理[J]. 黑龙江交通科技， 2014，（06）：83-83.

[2]陈辰.山区高速公路隧道交通安全问题分析[J]. 黑龙江交通科技， 2015， 38（10）：122-122.

[3]赵录学.终南山隧道内轮廓及衬砌结构设计[J]. 西部探矿工程，2006，18（9）：158-160.

[4]孙昕，乔丛，李继先.Phoenix Contact整體解决方案在鹤大高速隧道机电监控系统中的应用[J]. 仪器仪表标准化与计量，2012，（02）：26-31.

[5]电力线路巡检管理系统的研究[D]. 重庆大学，2004.

[6]万紫阳.智能机器人在电力电缆隧道巡检的研究与应用[J]. 中国新技术新产品，2014，（18）：14-15.