CN114636424B - 基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，包括如下步骤：1)后台服务器模块存储有历史巡检数据，同时对SCADA系统采集的一次设备的实时数据进行实时保存；2)巡检人员通过可穿戴MR设备模块，获取巡检任务清单，每到一个巡检房间，会自动识别门口信息，后台服务器模块调取Unity图像处理模块和遗传算法模块生成室内路径规划；3)根据系统规划的路径进行巡检；4)到达巡检间隔后对电气设备进行扫描确认；5)调取历史数据、历史照片以及SCADA数据；6)当巡检过程中遇到问题时，可通过专家远程协助系统得到帮助。本发明能够根据巡检任务清单，优化巡检人员的巡检路径，提高巡检效率，节约巡检时间。
Description
本发明申请是基于申请人于2019年2月21日提交的中国专利号2019101286225，专利名称“基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划装置及方法”提出的分案申请，原说明书中的至少部分内容是以引述之方式并入本文。
技术领域
本发明涉及巡检路径规划技术领域，尤其是基于可穿戴MR设备的变电站巡检系统。
背景技术
目前采用纸质作业巡检方式的变电站的巡检路径大多凭借巡检人员个人经验，一些采用手持PDA设备进行巡检的变电站通过手持设备扫描二维码来识别设备，但也没有系统的路径规划方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，能够根据巡检任务清单，优化巡检人员的巡检路径，提高巡检效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，包括如下步骤：
1)后台服务器模块存储有历史巡检数据，同时对SCADA系统采集的一次设备的实时数据进行实时保存，以便巡检时调取；
2)巡检人员通过工号登录佩戴的可穿戴MR设备模块，获取巡检任务清单，每到一个巡检房间，会自动识别门口信息，后台服务器模块调取Unity图像处理模块和遗传算法模块生成室内路径规划；
Unity图像处理模块处理方法是通过计算顶点的法向量判断像素点的位置是在地面、墙面还是天花板，法向量向上的点集为地面，法向量水平的点集为墙面，法向量向下的点集则为天花板，且图像需进行光滑处理，Unity图像处理模块在处理过程中设置一些路标，将门口以及每个电气设备的位置都标注出来，遗传算法模块对巡检路径进行规划求解方法如下：
首先，对地图中标识每个电气设备的路标进行编号，默认门口是1号；
其次，根据地图所指示的地面确定各个电气设备的连通路径，计算各个待检电气设备两两之间的最小折线距离；
接着，以折线距离为权重，生成待检设备的距离矩阵，
距离矩阵的元素lij代表设备i到设备j的最小折线距离，到其本身的距离lii则为零，清单中共有n-1个待检设备；因为在巡检时总要从门口开始，因此路标1总是在规划序列的第一个元素，要确定这样一个序列1，…，si，…，sn-1，si为2～n中的某个数，i的取值范围是[1，n-1]，且整个序列中的元素两两各不相同，使得其确定的巡检距离取值较小，即：
3)根据系统规划的路径进行巡检，巡检人员通过可穿戴MR设备模块的混合现实功能可以看到地面上生成的虚拟指示箭头，虚拟信息会指示巡检人员到达正确的巡检间隔；
4)到达巡检间隔后，对电气设备进行扫描确认，设备的待检项目会出现提示，采用手势或者语音与设备进行交互，每一个检查项目会智能展现出标准参数并读取实际参数，智能做出判断，巡检人员通过手势交互进行校核确认；
5)巡检人员调取历史数据、历史照片以及SCADA数据，在项目确认后，保存巡检数据并进行拍照，之后上传数据，当此设备的各项目巡检完之后，会自动导航下一工作间隔，若还有未完成项目，会出现相应提示；
6)当巡检过程中遇到问题时，可通过专家远程协助系统得到帮助，专家可以远程看到可穿戴MR设备所展示的混合现实信息，调取相关数据，为巡检人员提供相应指导；
7)巡检结束后，后台服务器备份巡检数据并进行标注。
可选的，采用可穿戴MR设备模块进行地图构建时通过以下几个步骤：
1)扫描巡检变电站的室内信息，将得到的深度图转化为单位是米的格式；
2)通过深度信息计算摄像机相对于初始状态的位置和角度，采用特征提取的方法检测出图像中的关键点，将连续两帧的关键点进行匹配，从而反解得到摄像头位置的变化量，与更前面的几帧进行多次比较进行位置估计，减小误差的累积；
3)根据当前摄像机的位置，实时将获取的信息融入网络模型，设备开启不断扫描，完善增量式地图，保证模型覆盖到每个角落，进行新的定位时借助增量地图以及环境理解摄像头辅助。
可选的，采用遗传算法模块对巡检路径进行求解的步骤如下：
1)编码直接以1为开头，对1～n的自然数以序列的方式进行直接编码；
2)初始群体的产生，设置种群个体数量，随机产生M个符合条件的随机序列；
3)适应度计算的目标是使L尽可能地小，L越小，适应度J越大，令适应度有如下计算公式：
4)选择运算计算每个个体的相对适应度大小
Fi代表某个个体被遗传到下一代群体中的概率，总的概率之和为1，M个序列概率确定了M个概率区间，显而易见，各区间宽度与其相对适应度大小成正比，生成K个0～1之间的随机数，依据其所属的概率区间确定序列被选择的次数，从而生成新的群体；
5)交叉运算，对群体进行随机配对，保持第一个元素不变，在其他位置随机设置交叉点，交换配对染色体之间的相应基因，染色体片段的交换可能导致整个序列某些元素的重复或者缺失，针对本问题的特点，为了保证序列元素的完整性和不重复性，对交换区域外的染色体部分进行相应调整，按照前后顺序用缺失元素逐一地替换重复元素，对于相同的两个父个体则会生成两个相同的子个体；
6)变异运算，按照较小的概率对染色体的基因进行改变，反复执行3)、4)、5)、6)，在循环一定次数后，所求解满足要求即可停止。
可选的，对一个序列进行改变的方法是在保持第一个元素不变的情况下，对其他两个元素进行交换。
可选的，可穿戴MR设备模块通过通信层模块与家远程协助系统进行信息的双向传输，通过专家远程协助系统可远程看到可穿戴MR设备所展示的混合现实信息，以及为巡检人员提供指导。
可选的，SCADA系统将所采集的电气设备的信息存储至后台服务器中。
可选的，可穿戴MR设备模块包括头盔、红外设备、MR眼镜，MR眼镜具有手势识别模块、语音识别模块、图像识别模块。
本发明采用上述技术方案，利用可穿戴MR设备模块的地图构造能力与遗传算法模块的寻优能力，实时为巡检人员导航，能够根据巡检任务清单，优化巡检人员的巡检路径，提高巡检效率，节约巡检时间。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1是本发明的基于可穿戴MR设备的可以进行路径规划的变电站巡检系统的结构示意图；
图2为可穿戴MR设备模块的结构示意图；
图中：1、可穿戴MR设备模块，2、通信层模块，3、后台服务器模块，4、Unity图像处理模块，5、遗传算法模块，6、电气设备，7、SCADA系统，8、专家远程协助系统，201、头盔，202、头盔，202、红外设备，203、MR眼镜，204、手势识别模块，205、语音识别模块，206、图像识别模块。
具体实施方式
实施例一
参考图1所示，基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划装置，包括：
可穿戴MR设备模块1，扫描巡检变电站的室内信息，获取粗糙的表面数据；后台服务器模块3，包括Unity图像处理模块4以及遗传算法模块5，Unity图像处理模块对可穿戴MR设备模块获取的粗糙表面数据进行处理，后台服务器模块根据巡检任务清单上列出的设备以及Unity图像处理模块的处理结果，调取遗传算法模块生成室内路径规划；
通信层模块2，可穿戴MR设备模块通过通信层模块与后台服务器模块进行信息的双向传输，包括巡检信息的传输和辅助巡检信息的传输。
参考图2所示，可穿戴MR设备模块1包括头盔201、红外设备202，MR眼镜203，MR眼镜203具有手势识别模块204和语音识别模块205、图像识别模块206，通过MR眼镜203，可以实现手势识别、语音识别、图像识别等功能，从而可以与用户进行信息交互。
采用可穿戴MR设备模块进行地图构建时通过以下几个步骤：
1)扫描巡检变电站的室内信息，将得到的深度图转化为单位是米的格式；
2)通过深度信息计算摄像机相对于初始状态的位置和角度，采用特征提取的方法检测出图像中的关键点，将连续两帧的关键点进行匹配，从而反解得到摄像头位置的变化量，与更前面的几帧进行多次比较进行位置估计，减小误差的累积；
3)根据当前摄像机的位置，实时将获取的信息融入网络模型，设备开启不断扫描，完善增量式地图，保证模型覆盖到每个角落，进行新的定位时借助增量地图以及环境理解摄像头辅助。
Unity图像处理模块处理方法是通过计算顶点的法向量判断像素点的位置是在地面、墙面还是天花板，法向量向上的点集为地面，法向量水平的点集为墙面，法向量向下的点集则为天花板，且图像需进行光滑处理。
Unity图像处理模块在处理过程中设置一些路标，将门口以及每个电气设备的位置都标注出来。
遗传算法模块对巡检路径进行规划求解方法如下：
首先，对地图中标识每个电气设备的路标进行编号，默认门口是1号；
其次，根据地图所指示的地面确定各个电气设备的连通路径，计算各个待检电气设备两两之间的最小折线距离；
接着，以折线距离为权重，生成待检设备的距离矩阵。
距离矩阵的元素lij代表设备i到设备j的最小折线距离，到其本身的距离lii则为零，清单中共有n-1个待检设备；因为在巡检时总要从门口开始，因此路标1总是在规划序列的第一个元素，要确定这样一个序列1，…，si，…，sn-1，si为2～n中的某个数，i的取值范围是[1，n-1]，且整个序列中的元素两两各不相同，使得其确定的巡检距离取值较小，即：
遗传算法是一种模拟生物进化的最优解搜索方法，这里找寻一种较优的巡检序列，需要计算序列的适应度，在计算适应度时需要按照相邻巡检编号从距离矩阵中获取相应距离元素。采用遗传算法模块对巡检路径进行求解的步骤如下：
采用遗传算法模块对巡检路径进行求解的步骤如下：
1)编码直接以1为开头，对1～n的自然数以序列的方式进行直接编码；
2)初始群体的产生，设置种群个体数量，随机产生M个符合条件的随机序列；
3)适应度计算的目标是使L尽可能地小，L越小，适应度J越大，令适应度有如下计算公式：
4)选择运算计算每个个体的相对适应度大小
Fi代表某个个体被遗传到下一代群体中的概率，总的概率之和为1，M个序列概率确定了M个概率区间，显而易见，各区间宽度与其相对适应度大小成正比，生成K个0～1之间的随机数，依据其所属的概率区间确定序列被选择的次数，从而生成新的群体；
5)交叉运算，对群体进行随机配对，保持第一个元素不变，在其他位置随机设置交叉点，交换配对染色体之间的相应基因，染色体片段的交换可能导致整个序列某些元素的重复或者缺失，针对本问题的特点，为了保证序列元素的完整性和不重复性，对交换区域外的染色体部分进行相应调整，按照前后顺序用缺失元素逐一地替换重复元素，对于相同的两个父个体则会生成两个相同的子个体；
6)变异运算，按照较小的概率对染色体的基因进行改变，反复执行3)、4)、5)、6)，在循环一定次数后，所求解满足要求即可停止。
对一个序列进行改变的方法是在保持第一个元素不变的情况下，对其他两个元素进行交换。
还包括专家远程协助系统8，可穿戴MR设备模块通过通信层模块与家远程协助系统进行信息的双向传输，包括现场巡检信息的传输和专家诊断信息的传输，通过专家远程协助系统可远程看到可穿戴MR设备所展示的混合现实信息，以及为巡检人员提供指导。
还包括SCADA系统7，SCADA系统将所采集的电气设备6的信息存储至后台服务器中。
实施例二
基于可穿戴设备的变电站巡检系统路径规划方法，包括如下步骤：
1)后台服务器模块存储有历史巡检数据，同时对SCADA系统采集的一次设备的实时数据进行实时保存，以便巡检时调取；
2)巡检人员通过工号登录佩戴的可穿戴MR设备模块，获取巡检任务清单，每到一个巡检房间，MR设备对门口的特殊标识进行扫描并调取Unity图像处理模块进行图像识别，通过与存储图像比对使系统确认待检房间，根据任务清单将此待检房间的待检设备编号形成序列，后台服务器模块调取遗传算法模块寻找优化序列，生成室内路径规划；
3)根据系统规划的路径进行巡检，巡检人员通过可穿戴MR设备模块的混合现实功能可以看到地面上生成的虚拟指示箭头，虚拟信息会指示巡检人员到达正确的巡检间隔；
4)到达巡检间隔后，MR设备对电气设备标识编号进行扫描，调取Unity图像处理模块进行图像识别以确认具体设备，设备的待检项目会出现提示，采用手势或者语音与设备进行交互，每一个检查项目会智能展现出提前设置的标准参数并读取实际参数，对于数字式仪表与指针式仪表通过图像识别进行读数，对于需要人工判别情况的，如设备破损程度、卫生情况等，工作人员利用MR设备的虚拟键盘将实际情况的等级输入电子表格，系统通过读取识别数据与人工输入数据，与标准参数进行对比，查看是否超过其阈值，智能做出判断，巡检人员通过手势交互进行校核确认；
5)系统将一个待检设备所有的待检项目以虚拟图标的形式进行投影，图标在视野中的位置靠近相应仪表，如温度识别图标、电压读取图标等，未检项目图标不断闪动，通过手势交互点击相应图标进行此项目的检测，巡检人员调取历史数据、历史照片以及SCADA数据获取辅助信息，项目检测完成后保存巡检数据并进行拍照，上传数据并提交巡检结果，相应图标停止闪动，若还有未完成项目，图标闪动出现相应提示。当此设备的各项目巡检完之后，会自动导航下一工作间隔；
6)当巡检过程中遇到问题时，可通过专家远程协助系统得到帮助，专家可以远程看到可穿戴MR设备所展示的混合现实信息，调取相关数据，为巡检人员提供相应指导；
7)巡检结束后，后台服务器备份巡检数据并进行标注。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (7)
1.基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，其特征在于包括如下步骤：
1)后台服务器模块存储有历史巡检数据，同时对SCADA系统采集的一次设备的实时数据进行实时保存，以便巡检时调取；
2)巡检人员通过工号登录佩戴的可穿戴MR设备模块，获取巡检任务清单，每到一个巡检房间，会自动识别门口信息，后台服务器模块调取Unity图像处理模块和遗传算法模块生成室内路径规划；
Unity图像处理模块处理方法是通过计算顶点的法向量判断像素点的位置是在地面、墙面还是天花板，法向量向上的点集为地面，法向量水平的点集为墙面，法向量向下的点集则为天花板，且图像需进行光滑处理，Unity图像处理模块在处理过程中设置一些路标，将门口以及每个电气设备的位置都标注出来，遗传算法模块对巡检路径进行规划求解方法如下：
首先，对地图中标识每个电气设备的路标进行编号，默认门口是1号；
其次，根据地图所指示的地面确定各个电气设备的连通路径，计算各个待检电气设备两两之间的最小折线距离；
接着，以折线距离为权重，生成待检设备的距离矩阵，
距离矩阵的元素lij代表设备i到设备j的最小折线距离，到其本身的距离lii则为零，清单中共有n-1个待检设备；因为在巡检时总要从门口开始，因此路标1总是在规划序列的第一个元素，要确定这样一个序列1，…，si，…，sn-1，si为2～n中的某个数，i的取值范围是[1，n-1]，且整个序列中的元素两两各不相同，使得其确定的巡检距离取值较小，即：
3)根据系统规划的路径进行巡检，巡检人员通过可穿戴MR设备模块的混合现实功能可以看到地面上生成的虚拟指示箭头，虚拟信息会指示巡检人员到达正确的巡检间隔；
4)到达巡检间隔后，对电气设备进行扫描确认，设备的待检项目会出现提示，采用手势或者语音与设备进行交互，每一个检查项目会智能展现出标准参数并读取实际参数，智能做出判断，巡检人员通过手势交互进行校核确认；
5)巡检人员调取历史数据、历史照片以及SCADA数据，在项目确认后，保存巡检数据并进行拍照，之后上传数据，当此设备的各项目巡检完之后，会自动导航下一工作间隔，若还有未完成项目，会出现相应提示；
6)当巡检过程中遇到问题时，可通过专家远程协助系统得到帮助，专家可以远程看到可穿戴MR设备所展示的混合现实信息，调取相关数据，为巡检人员提供相应指导；
7)巡检结束后，后台服务器备份巡检数据并进行标注。
2.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，其特征在于：采用可穿戴MR设备模块进行地图构建时通过以下几个步骤：
1)扫描巡检变电站的室内信息，将得到的深度图转化为单位是米的格式；
2)通过深度信息计算摄像机相对于初始状态的位置和角度，采用特征提取的方法检测出图像中的关键点，将连续两帧的关键点进行匹配，从而反解得到摄像头位置的变化量，与更前面的几帧进行多次比较进行位置估计，减小误差的累积；
3)根据当前摄像机的位置，实时将获取的信息融入网络模型，设备开启不断扫描，完善增量式地图，保证模型覆盖到每个角落，进行新的定位时借助增量地图以及环境理解摄像头辅助。
3.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，其特征在于：采用遗传算法模块对巡检路径进行求解的步骤如下：
1)编码直接以1为开头，对1～n的自然数以序列的方式进行直接编码；
2)初始群体的产生，设置种群个体数量，随机产生M个符合条件的随机序列；
3)适应度计算的目标是使L尽可能地小，L越小，适应度J越大，令适应度有如下计算公式：
4)选择运算计算每个个体的相对适应度大小
Fi代表某个个体被遗传到下一代群体中的概率，总的概率之和为1，M个序列概率确定了M个概率区间，显而易见，各区间宽度与其相对适应度大小成正比，生成K个0～1之间的随机数，依据其所属的概率区间确定序列被选择的次数，从而生成新的群体；
5)交叉运算，对群体进行随机配对，保持第一个元素不变，在其他位置随机设置交叉点，交换配对染色体之间的相应基因，为了保证序列元素的完整性和不重复性，对交换区域外的染色体部分进行相应调整，按照前后顺序用缺失元素逐一地替换重复元素，对于相同的两个父个体则会生成两个相同的子个体；
6)变异运算，按照较小的概率对染色体的基因进行改变，反复执行3)、4)、5)、6)，在循环一定次数后，所求解满足要求即可停止。
4.根据权利要求3所述的基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，其特征在于：对一个序列进行改变的方法是在保持第一个元素不变的情况下，对其他两个元素进行交换。
5.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，其特征在于：可穿戴MR设备模块通过通信层模块与家远程协助系统进行信息的双向传输，通过专家远程协助系统可远程看到可穿戴MR设备所展示的混合现实信息，以及为巡检人员提供指导。
6.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，其特征在于：SCADA系统将所采集的电气设备的信息存储至后台服务器中。
7.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的变电站巡检路径规划方法，其特征在于：可穿戴MR设备模块包括头盔、红外设备、MR眼镜，MR眼镜具有手势识别模块、语音识别模块、图像识别模块。
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