CN114668995A - 一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变电站环境下基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统及方法，所述系统包括机器人执行单元、泵组单元、红外摄像机、感温电缆以及消防控制平台；红外摄像机架设在主变安全区域外、感温电缆架设在主变套管及本体上，红外摄像机与感温电缆持续进行火灾监测与高温点的定位，并将采集到的温度信号传输到消防控制平台，消防控制平台接受到采集到的温度信号后，计算出机器人执行单元遍历这些最高温度点的最佳路径轨迹，并将该路径发送至机器人执行单元，同时将控制信号发送至泵组单元，机器人执行单元与泵组单元相连接，泵组单元将高压水流输送至机器人执行单元，协同进行消防作业。

Description

一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统及方法
技术领域
本发明涉及在变电站消防领域，具体涉及一种使用高压细水雾与智能机器人进行变电站消防降温灭火系统，是基于高压细水雾良好的灭火性能以及由人工智能技术控制的六自由度机器人的快速部署性能，实现变电站火情提前预警，快速决策，及时降温灭火等工作。
背景技术
变电站消防问题一直以来都是一个重要的研究课题，关于变电站的消防问题对于世界各国都是一个极大的挑战。变电站中，主变的局部温度异常升高与失火严重危害到变电站中工作人员和设备的安全。大型主变一般在110kv以上，目前尚无良好的方法对其局部温度趋势进行预测，且大多数主变的降温方式是通过循环风冷对油枕及扇叶中流动的油液进行降温，在环境温度较高时难以起到有效的降温效果。
高压细水雾灭火是采用符合中国国家生活用水标准的淡水作为灭火介质，使用高强度耐压喷头在特定的压力下(一般为10-15MPa)将水流分解形成为粒径10-100μm的水滴进行灭火的一种消防方式。高压细水雾灭火具有快速冷却、局部窒息的双作用灭火机理；高压细水雾比表面积小，遇火后迅速气化，体积可迅速膨胀1700-5800倍，使火源、火点的表面温度迅速降低，同时产生大量具有电绝缘性的水蒸气，将燃烧区域整体包裹覆盖，隔绝空气，达到局部窒息的作用。
目前现有的变压器消防灭火系统，大多采用固定式喷淋技术。其安装复杂，喷头数量多，维护成本高，运维难度和成本大，且与其他系统协同能力较差，无法预警降温，容易误触发，对设备的损害大，综合灭火能力不强，灭火效果较差。并且各个子系统都属于独立系统，存在不能够本地和远程交互、无法形成统一集中管理监控平台、不具备对现场信息及温度趋势的智能分析能力等问题。
发明内容
针对目前固定式喷淋消防技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统及方法，解决当前变压器灭火系统的安装复杂、运维量大、无法实时监测预防、智能水平较低等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，包括消防控制平台5，与消防控制平台5连接的机器人执行单元1、泵组单元2、红外摄像机3和感温电缆4；红外摄像机3与感温电缆4持续进行火灾监测与高温点的定位，并将采集到的温度信号和红外热成像视频信号传输到消防控制平台5，消防控制平台5接受到采集到的温度信号和红外热成像视频信号后，计算出机器人执行单元1遍历这些最高温度点的最佳路径轨迹，并将该路径发送至机器人执行单元1，同时将控制信号发送至泵组单元2，机器人执行单元1与泵组单元2相连接，泵组单元2将高压细水雾输送至机器人执行单元1，防控制平台4需要发送控制信号协同控制机器人执行单元1和泵组单元2进行消防作业。
机器人执行单元1与消防控制平台5连接，进行实时通信，判断机器人与变压器的相对位置，并按预定轨迹进行动作。
采用红外红外摄像机3和感温电缆4作为传感单元，采用夹持着细水雾喷枪的立柱机器人作为机器人执行单元1。
红外摄像机3、消防控制平台5和泵组单元2均架设在主变安全区域外，感温电缆4架设在主变套管及本体上，机器人执行单元1架设在主变3米外。
消防系统通过红外摄像机3和感温电缆4对主变实时温度进行监测。其中，感温电缆4通过高强度磁吸子固定缠绕在主变套管及本体上，红外摄像头3采用立杆的方式固定在距离主变安全区域以外的区域。
感温电缆4分为两种，为一级高温预警阈值感温电缆和二级高温预警阈值感温电缆，分别监测主变设备两个不同的一级高温预警阈值h1和二级高温预警阈值h2，当变压器温度高于一级高温预警阈值h1时，一级高温预警阈值感温电缆将产生闭合信号，发送至消防控制平台5进行处理；当变压器温度进一步升高并高于二级高温预警阈值h2时，二级高温预警阈值感温电缆也将产生闭合信号发送至消防控制平台5；消防控制平台5根据接所收到的信号不同的信号源并结合红外摄像机3所记录的红外视觉信息进行综合诊断，做出决策。
在出现高温点时，消防控制平台5接受来自红外摄像机3的红外热成像视频信号，从红外热成像视频信号中获取主变各区域的温度信息；为了使机器人执行单元1的末端指向高温点，根据逆运动学与高温点位置信息求解出机器人执行单元1的期望位姿，令高温点和机器人基坐标系原点的连线方向作为末端的指向，由于末端关节不用转动，仅根据z轴的位姿便可求得机器人末端的期望位姿；求得期望位姿后，基于六次多项式与遗传算法的结合，完成机器人执行单元1的路径规划；六次多项式中有七个参数，设置其中的一个参数为可调参数，在轨迹规划前确定该参数便可根据边界条件解得唯一的六次多项式，得到确定轨迹。在得到各关节角运动状态的基础上，即可通过遗传算法构建基于六次多项式的适应度函数，淘汰会产生碰撞的路径，达到避开障碍物、优化轨迹的目的。
所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统的工作方法，包括如下步骤：
步骤1：在消防控制平台5设定一级高温预警阈值h1、二级高温预警阈值h2和安全温度h3；当变压器套管温度升高至一级高温预警阈值h1时，连接在套管上的一级高温预警阈值感温电缆熔断，将温度信号发送至消防控制平台5，当变压器本体温度升高至二级高温预警阈值h2时，连接在变压器本体的二级高温预警阈值感温电缆熔断，将温度信号发送至消防控制平台5；同时红外摄像机3实时采集数据，并将温度信号和红外热成像视频信号发送至消防控制平台5；
步骤2：消防控制平台5对主变温度进行实时监测，当温度超过阈值，消防控制平台对高温点进行定位，计算出最佳灭火点位，进行机器人执行单元1的路径规划，并将路径与控制信号发送至机器人执行单元1与泵组单元2；
步骤3：泵组单元2将高压水流输送至机器人执行单元1；当收到来自消防控制平台5的控制信号时，泵组单元2与机器人执行单元1协同工作，对高温点进行降温处理；
步骤4：消防控制平台5实时接收红外摄像机3的红外热成像视频信号，当温度降低至安全温度h3以下，将向机器人执行单元1与泵组单元2发送复位信号，机器人执行单元1复位，泵组单元2停止供水。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明采用变电站内高压细水雾和智能机器人的机械臂相配合，具有高度的灵活性，智能化的控制模式，响应速度快、全天候待命、近距离灭火、灭速度快、保障人员安全、降低设备财产损害等特点。同传统喷淋灭火系统相比，变电站智能机器人高压细水雾消防系统的机器人体积更小，且大部分设备架设在主变的安全区域以外，不影响主变等高压设备日常维护检修，对起火点和起火原因更有针对性，同样的灭火效果更加的节约用水。
该系统采用红外摄像机和感温电缆作为传感单元，采用夹持着细水雾喷枪的立柱机器人作为机器人执行单元，使用红外摄像机与感温电缆对主变温度进行全维度全时段检测，当发现局部高温异常时，消防控制平台迅速进行异常点的空间定位，并同时启动消防执行机构，实现自动定点的高效消防。对于变电站内工作运维人员提供一定的帮助；工作人员可根据系统的温度反馈和预警进行对主变的安全运营的实时监控，同时在产生突发性消防事件时及时反应，联动协同进行灭火，确保变电站的安全运营和主变的日常清洁维护。
附图说明
图1为本发明的信号传输链路图。
图2为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对系统在变站环境中运行场景做更为详细的描述说明。
如图1所示，本发明一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，包括消防控制平台5，与消防控制平台5连接的机器人执行单元1、泵组单元2、红外摄像机3和感温电缆4；红外摄像机3与感温电缆4持续进行火灾监测与高温点的定位，并将采集到的温度信号和红外热成像视频信号传输到消防控制平台5，消防控制平台5接受到采集到的温度信号和红外热成像视频信号后，计算出机器人执行单元1遍历这些最高温度点的最佳路径轨迹，并将该路径发送至机器人执行单元1，同时将控制信号发送至泵组单元2，机器人执行单元1与泵组单元2相连接，泵组单元2将高压细水雾输送至机器人执行单元1，防控制平台4需要发送控制信号协同控制机器人执行单元1和泵组单元2进行消防作业。
本发明机器人执行单元1与消防控制平台5连接，进行实时通信，判断机器人与变压器的相对位置，并按预定轨迹进行动作。
作为本发明的优选实施方式，采用红外摄像机3和感温电缆4作为传感单元，红外摄像机采集每个画面分区中所有像素点的最高温度值，感温电缆在温度超过阈值后将熔断产生闭合信号，采用夹持着细水雾喷枪的立柱机器人作为机器人执行单元1。
作为本发明的优选实施方式，红外摄像机3、消防控制平台5和泵组单元2均架设在主变安全区域外，感温电缆4架设在主变套管及本体上，机器人执行单元1架设在主变3米外。
消防系统通过红外摄像机3和感温电缆4对主变实时温度进行监测。作为本发明的优选实施方式，感温电缆4通过高强度磁吸子固定缠绕在主变套管及本体上，红外摄像头3采用立杆的方式固定在距离主变安全区域以外的区域。
作为本发明的优选实施方式，感温电缆4分为两种，为一级高温预警阈值感温电缆和二级高温预警阈值感温电缆，分别监测主变设备两个不同的一级高温预警阈值h1和二级高温预警阈值h2，当变压器温度高于一级高温预警阈值h1时，一级高温预警阈值感温电缆将产生闭合信号，发送至消防控制平台5进行处理；当变压器温度进一步升高并高于二级高温预警阈值h2时，二级高温预警阈值感温电缆也将产生闭合信号发送至消防控制平台5；消防控制平台5根据接所收到的信号不同的信号源并结合红外摄像机3所记录的红外视觉信息进行综合诊断，做出决策。当一级高温预警阈值感温电缆产生闭合信号或红外摄像机监视区域内最高温度超过h1时，消防控制平台向机器人执行单元与泵组单元发送控制信号，机器人按照固定路线对变压器进行整体降温；当二级高温预警阈值感温电缆将产生闭合信号或红外摄像机监视区域内最高温度超过h2时，消防控制平台向机器人执行单元与泵组单元发送控制信号，机器人以最大速度运动至高温点位置，对高温点进行定点灭火或降温。
在出现高温点时，消防控制平台5接受来自红外摄像机3的红外热成像视频信号，从红外热成像视频信号中获取主变各区域的温度信息；为了使机器人执行单元1的末端指向高温点，根据逆运动学与高温点位置信息求解出机器人执行单元1的期望位姿，定义高温点和机器人基坐标系原点的连线方向为末端的指向，由于末端关节不用转动，仅根据z轴的位姿便可求得机器人末端的期望位姿。
求得期望位姿后，基于六次多项式与遗传算法的结合，完成机器人执行单元1的路径规划。设置六次多项式其中的一个参数为可调参数，在轨迹规划前确定该参数便可根据边界条件解得唯一的六次多项式，得到确定轨迹。通过遗传算法对可调参数进行调整，从而改变轨迹形状，淘汰会产生碰撞的路径，达到避开障碍物、优化轨迹的目的。以下为路径规划的具体方法：
设可调参数为k，且为最高次项系数，则代表关节转角轨迹的六次多项式的函数表达式为：θt＝c0+c1t+c2t2+c3t3+c4t4+c5t5+kt6。机器人执行单元采用的是六自由度的机器人，所以会建立6个六次多项式关节轨迹曲线方程，令K＝[k1,k2,k3,k4,k5,k6]，K中的各元素分别对应六个轨迹方程的六次项系数，即调整系数。假设某一关节的初始角度、角速度和角加速度为θ0、ω0、α0，在终止时刻t＝tf时的状态为
Figure BDA0003622945270000071
则可根据边界条件列出以下方程组：
Figure BDA0003622945270000081
当给定参数k时，便可根据上式求得六次多项式的其余系数c0～c5，进而可得到各个时刻各关节角的运动状态。
已知机器人的运动轨迹，即可通过遗传算法构建基于六次多项式的适应度函数，具体优化目标是运动路径尽可能地短、运动出力尽可能地小，所以综合机器人末端的运动轨迹长度fL、各关节角度变化量之和fQ与碰撞检测结果fco来建立适应度函数，fco则可由碰撞检测结果得到，当判断会发生碰撞时，置fco为0；否则，置fco为1。为了求解fQ和fL，可将全段运动轨迹进行插值得到多段运动轨迹，将每一小段的变化量进行叠加便可近似求得整个运动过程中的变化量。假设将全段运动轨迹插值分成n小段，则可得fQ和fL表达式如下：
Figure BDA0003622945270000082
式中：θ(j,i)表示第j个关节在i时刻的转动角；
Figure BDA0003622945270000083
表示在i时刻时末端执行器在机器人基坐标系下的位置坐标。
综上，将适应度函数设置为：
Figure BDA0003622945270000084
式中：η1和η2为分别对应于fQ和fL的权重因子。
由于碰撞因子的作用，若没有碰撞，则FK>0；否则，FK＝0。所以没有碰撞情况下的适应度一定比有碰撞时的适应度高，进而可在进化的过程中将会导致碰撞发生的K值淘汰掉。
本发明所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统的工作方法，包括如下步骤：
步骤1：在消防控制平台5设定一级高温预警阈值h1、二级高温预警阈值h2和安全温度h3；当变压器套管温度升高至一级高温预警阈值h1时，连接在套管上的一级高温预警阈值感温电缆熔断，将温度信号发送至消防控制平台5，当变压器本体温度升高至二级高温预警阈值h2时，连接在变压器本体的二级高温预警阈值感温电缆熔断，将温度信号发送至消防控制平台5；同时红外摄像机3实时采集数据，并将温度信号和红外热成像视频信号发送至消防控制平台5；
步骤2：消防控制平台5对主变温度进行实时监测，当温度超过阈值，消防控制平台对高温点进行定位，计算出最佳灭火点位，进行机器人执行单元1的路径规划，并将路径与控制信号发送至机器人执行单元1与泵组单元2；
步骤3：泵组单元2将高压水流输送至机器人执行单元1；当收到来自消防控制平台5的控制信号时，泵组单元2与机器人执行单元1协同工作，对高温点进行降温处理；
步骤4：消防控制平台5实时接收红外摄像机3的红外热成像视频信号，当温度降低至安全温度h3以下，将向机器人执行单元1与泵组单元2发送复位信号，机器人执行单元1复位，泵组单元2停止供水。

Claims (8)

1.一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，其特征在于：包括消防控制平台(5)，与消防控制平台(5)连接的机器人执行单元(1)、泵组单元(2)、红外摄像机(3)和感温电缆(4)；红外摄像机(3)与感温电缆(4)持续进行火灾监测与高温点的定位，并将采集到的温度信号和红外热成像视频信号传输到消防控制平台(5)，消防控制平台(5)接受到采集到的温度信号和红外热成像视频信号后，计算出机器人执行单元(1)遍历这些最高温度点的最佳路径轨迹，并将该路径发送至机器人执行单元(1)，同时将控制信号发送至泵组单元(2)，机器人执行单元(1)与泵组单元(2)相连接，泵组单元(2)将高压细水雾输送至机器人执行单元(1)，防控制平台(4)需要发送控制信号协同控制机器人执行单元(1)和泵组单元(2)进行消防作业。
2.根据权利要求1所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，其特征在于：机器人执行单元(1)与消防控制平台(5)连接，进行实时通信，判断机器人与变压器的相对位置，并按预定轨迹进行动作。
3.根据权利要求1所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，其特征在于：采用红外红外摄像机(3)和感温电缆(4)作为传感单元，采用夹持着细水雾喷枪的立柱机器人作为机器人执行单元(1)。
4.根据权利要求1所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，其特征在于：红外摄像机(3)、消防控制平台(5)和泵组单元(2)均架设在主变安全区域外，感温电缆(4)架设在主变套管及本体上，机器人执行单元(1)架设在主变3米外。
5.根据权利要求1所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，其特征在于：消防系统通过红外摄像机(3)和感温电缆(4)对主变实时温度进行监测；其中，感温电缆(4)通过高强度磁吸子固定缠绕在主变套管及本体上，红外摄像头(3)采用立杆的方式固定在距离主变安全区域以外的区域。
6.根据权利要求1所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，其特征在于：感温电缆(4)分为两种，为一级高温预警阈值感温电缆和二级高温预警阈值感温电缆，分别监测主变设备两个不同的一级高温预警阈值h1和二级高温预警阈值h2，当变压器温度高于一级高温预警阈值h1时，一级高温预警阈值感温电缆将产生闭合信号，发送至消防控制平台(5)进行处理；当变压器温度进一步升高并高于二级高温预警阈值h2时，二级高温预警阈值感温电缆也将产生闭合信号发送至消防控制平台(5)；消防控制平台(5)根据接所收到的信号不同的信号源并结合红外摄像机(3)所记录的红外视觉信息进行综合诊断，做出决策。
7.根据权利要求1所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统，其特征在于：在出现高温点时，消防控制平台(5)接受来自红外摄像机(3)的红外热成像视频信号，从红外热成像视频信号中获取主变各区域的温度信息；为了使机器人执行单元(1)的末端指向高温点，根据逆运动学与高温点位置信息求解出机器人执行单元1的期望位姿，令高温点和机器人基坐标系原点的连线方向作为末端的指向，由于末端关节不用转动，仅根据z轴的位姿便可求得机器人末端的期望位姿；求得期望位姿后，基于六次多项式与遗传算法的结合，完成机器人执行单元1的路径规划；六次多项式中有七个参数，设置其中的一个参数为可调参数，在轨迹规划前确定该参数便能根据边界条件解得唯一的六次多项式，得到确定轨迹；在得到各关节角运动状态的基础上，即能通过遗传算法构建基于六次多项式的适应度函数，淘汰会产生碰撞的路径，达到避开障碍物、优化轨迹的目的。
8.权利要求1至7任一项所述的一种基于高压细水雾的变电站智能机器人消防系统的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在消防控制平台(5)设定一级高温预警阈值h1、二级高温预警阈值h2和安全温度h3；当变压器套管温度升高至一级高温预警阈值h1时，连接在套管上的一级高温预警阈值感温电缆熔断，将温度信号发送至消防控制平台(5)，当变压器本体温度升高至二级高温预警阈值h2时，连接在变压器本体的二级高温预警阈值感温电缆熔断，将温度信号发送至消防控制平台(5)；同时红外摄像机(3)实时采集数据，并将温度信号和红外热成像视频信号发送至消防控制平台(5)；
步骤2：消防控制平台(5)对主变温度进行实时监测，当温度超过阈值，消防控制平台对高温点进行定位，计算出最佳灭火点位，进行机器人执行单元(1)的路径规划，并将路径与控制信号发送至机器人执行单元(1)与泵组单元(2)；
步骤3：泵组单元(2)将高压水流输送至机器人执行单元(1)；当收到来自消防控制平台(5)的控制信号时，泵组单元(2)与机器人执行单元(1)协同工作，对高温点进行降温处理；
步骤4：消防控制平台(5)实时接收红外摄像机(3)的红外热成像视频信号，当温度降低至安全温度h3以下，将向机器人执行单元(1)与泵组单元(2)发送复位信号，机器人执行单元(1)复位，泵组单元(2)停止供水。
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