基于5G的电缆隧道机器人巡检系统设计_陈永涛.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|117人工智能与智能制造基于5G的电缆隧道机器人巡检系统设计陈永涛，徐涛，王维广东电网有限责任公司广州供电局，广东广州，510620摘要：随着我国智能电网的迅速发展，电缆隧道总里程数不断增加，电网电缆的巡检任务日益繁重。为了提高电网地下输电线路状态智能检测准确度，本研究设计了一种基于5G网络的电缆隧道机器人巡检系统。将5G通信技术与机器人技术相结合，利用5G的高带宽、低时延和广连接的特点，将巡检信息高速实时传送到控制终端，实现对隧道环境的高精度扫描，有效识别电网电缆故障，及时判断电缆所处环境中的潜在危险，为电网地下输电线路的运行稳定性提供有力保障。关键词：巡检机器人；5G；电缆隧道中图分类号:U172.6文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.028 0引言电缆隧道是指用于容纳大量电缆的走廊或隧道式构建物，可以对电缆进行充分的保护。中国电缆隧道技术始于20世纪80年代，经过了几十年的发展，目前国内的主要城市中均建有错综复杂的城市电缆隧道网。很多电缆隧道正面临塌方、渗水、积水、火灾、电缆阴燃、电力配套设施老化生锈、动物入侵、有毒可燃气体堆积等问题1-2。为确保隧道内电缆的安全，维持整个电网的稳定运行，需要工作人员定期对电缆隧道进行巡检。但是由于建筑年代久远，老式电缆隧道内环境恶劣，巡检人员除了需要面对高温潮湿的严酷环境，巡检过程中还时刻伴随着塌方和有毒气体的威胁，以上因素都对电缆隧道巡检人员的生命安全构成了严重的威胁。当前我国正在大力推进智能电网建设，尤其是“十四五”期间，智能电网迎来了一个快速发展期。智能电网是在常规电网的基础上，通过融入自动化和信息化技术，使电网运行水平得到整体提升，并减少对人工的依赖3。相比于传统电网，智能电网需要具备更加安全可靠的保证系统，以尽可能降低设备故障和安全事故，当遇到电网设备故障时，应能自动识别故障类型并立即做出预判，减少事故的范围，在最短的时间内恢复电网的正常运行。由于智能电网对电网的安全性和稳定性提出了更高的要求，因此耗时耗力的人工电网巡检无法满足当前智能电网的要求。同时为了提高城市电缆管网的现代化管理水平、有效地减轻巡检人员的工作强度、避免安全事故的发生，使用巡检机器人是未来电缆巡检的最优选择4-7。机器人在隧道电缆巡检过程中需要将多种传感器和摄像头采集的信息通过无线通信及时发送到主控系统的终端，从而对电缆设备的运行工况和运行环境进行监测判断8-10。目前机器人搭载的高清摄像头拍摄的都为高码率视频，这对巡检数据的实时传送网络提出了非常高的要求。5G指第代移动通信技术，与现阶段市场上其他常用的通信协议相比，具有通信速率高、海量设备接入、低时延的特点。5G的以上优势使得其非常适合用于构建搭载了高清摄像头的电缆隧基金项目：本文系中国南方电网有限责任公司重点科技项目融合 5G 的智能电网端到端关键技术研究、系统研制与示范验证项目课题十二：融合 5G 的智能电网业务切片式资源编排与管控技术研究及区域示范应用项目（项目编号：080000KK52190008）作者简介：陈永涛，男，湖南郴州，汉族，工学硕士，工程师，研究方向：电力通信系统运行管理。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术118|道机器人巡检系统的网络。目前国内关于5G通信网络和机器人电缆隧道巡检相结合的研究还处于起步阶段，本研究构建的基于5G的电缆隧道机器人巡检系统能够提升电缆隧道巡检的准确率和自动化程度，为我国智能电网的建设提供有力支撑。1材料与方法1.1智能电网智能电网是一个集发电、输电、配电、售电功能于一体，具备数字化网络，能对终端用户的各种电气设备和其他用电设施进行连接并共享信息的智能系统。智能电网具有一个完全自动化的供电网络，通过对每一个用户和节点的状况进行实时监控，实现从发电端到用电端之间的每个节点上电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛部署分布式智能通信设施，将其与自动控制系统集成，实现电网上各成员之间的无缝连接及实时互动。智能电网的建设是将传统电网进行数字化、智能化、互联网化改造的过程。对传统电网进行智能化和互联网化改造，需要依托物联网和互联网打通电网相关各方的感知、分析、决策、业务等各环节，使电网具备超强感知能力、明智决策能力和快速执行能力，让数字电网的边界从传统电网扩展至社会的方方面面，变革传统电网的管理和运维模式，构建本体安全的智能电网新体系。作为智能电网的重要组成部分，随着电缆入地及电网隧道化进程的加速，电缆隧道存在不小的安全隐患。将智能终端部署在电缆隧道，并通过无线通信技术实现电缆隧道的智能无人巡检，将成为建设智能电网的重要一环，且有着重要的现实意义和实用价值。1.25G网络通信5G通信具备高速率、高容量、高可靠性和低时延的特点。5G通信峰值速率可达到20Gbps，通信系统同时支持的总速率较4G网络可提升1000倍以上，最差5%用户的通信速率也能达到100Mbps到1Gbps之间。5G通信的高速率为电力系统中实时采集的测量数据以及监控视频等海量数据的传输提供强有力的支撑。传统4G通信能同时连接的终端数量有限，难以支撑电网系统中通信终端的大规模部署。5G通信的广连接特性能够支撑海量设备的同时接入，每平方公里可以接入多达100万个移动终端，为包括用电端的家用电器和输电线路上巡检设备的同时接入提供了巨大的操作空间。5G通信发送一个32字节的数据单元成功概率可高达99.999%，为电力系统通信的可靠性提供重要保障，极大地促进了智能电网的稳定性和安全性。电力系统存在许多协同控制的场景，传统4G通信的时延在50ms左右，无法完全满足上述场景的要求。5G通信的空口时延可降低至lms，端到端时延小于10ms，为电力系统巡检的在线控制提供有力支撑。使用机器人对电缆隧道进行自动巡检，对无线通信网络的速率、延时和安全性均具有非常高的要求，只有5G网络才能满足该业务的承载需求。1.3巡检机器人本研究的隧道巡检机器人搭载了可见光监控探头和热成像监控探头，并在监控探头和状态监测终端中内嵌了5G通信模块，该嵌入式通信模块可让巡检机器人与主站间进行数据的直采直送。隧道巡检机器人通过可见光视频监控和热成像监控，对电缆隧道的温度、有害气体含量以及电缆附件的温度等进行实时监测，并定点记录监控图像，实时发送至控制终端。隧道巡检机器人如图1所示。巡检机器人还可与隧道消防机器人共用轨道系统、通信系统、电源系统和后台系统，接收巡检机器人的火灾报警信号后，隧道消防机器人可以精确定位和定点灭火。隧道巡检机器人搭载的热成像监控探头可生成分辨率不低于640480的红外视频影像，用于对隧道环境和电缆温度的检查以及火灾监控。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|119人工智能与智能制造搭载的高清可见光摄像头能生成1080P高清视频，同时隧道巡检机器人还可对自身状态进行监控。以上各类测量数据和生成的高清视频都使用搭载的5G通信模块，通过5G无线通信网络实时传输到控制端，控制端的控制指令也通过5G网络被实时发送给巡检机器人。图 1隧道巡检机器人2结果2.1巡检系统网络情况为了检测电缆隧道机器人巡检系统的5G网络连接情况，本研究使用测试设备在巡检区域接入对应的5G网络，发起上行灌包，并在控制终端处使用路测软件实时记录上行带宽。测试完上行带宽后，让控制终端测试服务器发起下行灌包，在巡检区域使用路测软件实时测量下行带宽。经测试，巡检区域的5G网络上行平均带宽达99Mbps，下行平均带宽达888Mbps，平均时延为17ms。使用wireshark抓取巡检机器人上传回的可见光和红外视频流业务报文，分析巡检机器人与控制终端通信的流量状态，如图2所示。从抓包结果可以看出，控制终端可以与隧道巡检机器人的监控摄像头正确建立会话。巡检机器人也可以将可见光摄像头和红外摄像的视频流通过RTP（Real-timeTransportProtocol）协议向控制终端实时传输视频流数据，数据包大小为601454字节。可见光摄像头传输的视频为H.264编码的码流为2Mbps的1080P视频，wireshark统计的可见光视频流量也为2Mbps，说明可见光影像回传正常。wireshark统计的整个视频业务流量约5Mbps，表明红外摄像头回传的视频流量为3Mbps，与红外摄像头视频的3Mbps码率相匹配，表明红外影像也能够正常回传。图 2wireshark 抓取的巡检机器人回传视频流报文2.2网络异常情况下机器人巡检系统的工作情况为测试网络异常情况下电缆隧道机器人巡检系统的表现，将网络损伤仪接入系统网络，对网络进行人为限制，测试输电线路状态在线视频监测系统的网络边界值。首先使用网络损伤仪对带宽进行限制测试，测试结果显示在带宽为4Mbps时，控制终端仍然可以正常接收可见光和红外视频影像。当带宽被限制到3Mbps时，可见光和红外视频影像在一段时间后出现断流，对巡检机器人的控制也会出现卡顿。当带宽被限制到2Mbps时，可见光和红外视频影像出现花屏。测试结果显示该巡检系统在网络带宽不低于4Mbps的情况下，可以正常工作。使用网络损伤仪将带宽限制到20Mbps、10Mbps和4Mbps，并对上行方向和下行方向分别添加50ms的时延，测试结果显示在三种带宽环境中，巡检系统都可以正常工作。当时延增加到500ms时，即使在20Mbps的带宽环境中，可见光视频画面也开始出现花屏，红外监控画面开始出现延迟，机器人控制也出现延迟。当延迟增加到2.5秒，两种视频均无动态画面，但是对巡检机器人依然可以进行控制，只是控制延迟较严重。测试结果显示该电缆隧道机器人巡检系统在网dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术120|络时延不高于67ms的情况下，可以正常工作。在不对带宽和时延进行限制的情况下，使用网络损伤仪对视频流进行误码加损，测试结果显示误码率为0.05%时，可见光和红外视频影像接收一切正常，对巡检机器人的控制也一切正常。当误码率提升到0.08%时，控制终端掉线。测试结果显示该巡检系统在误码率不高于0.05%的情况下，可以正常工作。在对网络进行限制环境下的测试结果显示，本项目的5G通信网络的网络带宽、网络时延和误码率均满足该巡检系统的网络需求。2.3电缆隧道机器人巡检系统测试通过控制终端对隧道巡检机器人进行实时操控。巡检机器人接收到控制信号后，根据操控指令改变自己的行进参数，并根据RTP协议通过5G网络将监控摄像头拍摄的高清巡检影像实时传送回控制终端。巡检机器人传回的巡检画面如图3所示。控制终端可以与巡检机器人配备的可见光摄像头和红外摄像头建立会话并进行实时互动。通过5G网络，隧道巡检机器人可以将自身配备的各种摄像头和探测器探测到的电缆和环境的各种实时参数自动发送到控制终端，供值班人员和终端数据中心分析。机器人在巡检过程中也会对自身状态进行实时监测，对于机器人自身出现的故障和报警也可以通过5G网络快速传送回控制终端，避免机器人的损伤。同时工作人员还可以远距离操控巡检机器人，对机器人的巡检过程进行人工干预，可有效提高要害部位和重点区域的检测效率，在提升巡检效率的同时，减少故障的漏检概率。图 3巡检机器人传回的可见光和红外巡检画面3结论本研究构建了一个基于5G通信网络的电缆隧道机器人巡检系统。该系统配备了高清可见光摄像头、高清红外摄像头以及其他各类传感器，可以在巡检的过程中通过5G网络将巡检的高清视频以及电缆环境和机器人自身状况等测量数据实时传送到控制终端。通过机器人搭载的设备，该系统可以对电缆隧道的环境进行实时监测，并对电缆的故障进行自动识别，可以有效排除电缆隧道中的电网故障，同时也可以降低机器人的损耗。该系统通过5G网络，解决了电缆隧道人工巡检的困难、巡检机器人在电缆隧道中无线通信信号不强的问题。经测试，该系统可以出色地完成电缆隧道自动巡检任务。参考文献1 徐伟,郑志源.隧道内电缆蛇形敷设特性J.广东电力,201