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变电站巡检机器人试验检测技术研究.pdf

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1、变电站巡检机器人试验检测技术研究徐梁国网电力科学研究院有限公司2023年6月目录ONTENTS一、变电站巡检机器人试验检测研究分析二、基于激光点云数据的定位精度测量方法三、基于多视觉标志物的速度测量方法四、机器人无线安全接入试验检测方法研究五、基于混淆矩阵的多元标签模型评价方法六、下一步工作方向PART 01一、变电站巡检机器人试验检测研究分析1.常用标准实验室常用标准：DL/T 1610-2016变电站机器人巡检系统通用技术条件 DL/T 2239-2021 变电站巡检机器人检测技术规范 DL/T 2241-2021变电站室内轨道式巡检机器人系统通用技术条件 DL/T 2465-2021

2、变电站室内轨道式巡检机器人系统检测规范 Q/GDW 11513变电站室外轮式机器人巡检系统技术规范 Q/GDW 11514变电站智能机器人巡检系统检测规范 Q/GDW 12164变电站远程智能巡视系统技术规范一、变电站巡检机器人试验检测研究分析2.常用试验检测项目分类1.外观质量试验外观结构、内部布局、硬件接口、机器人质量等2.运动性能试验自主导航定位精度、最大平均速度、制动距离、涉水、越障、爬坡、云台运动范围等3.巡检性能试验自主充电功能、表计设备巡检功能、红外测温准确度、双向语音对讲、巡检任务规划、图像识别模型验证等4.通信协议一致性模型文件、通信过程、注册心跳消息、机器人控制类

3、型消息、监视类型消息、安全文件传输等5.安全性能试验绝缘性能、介电强度、冲击电压6.环境适应性高温、低温、湿热等7.机械性能振动耐久、振动响应、运输振动等8.外壳防护等级防尘试验、防水试验等9.网络安全试验无线安全接入、机器人信息安全、监控系统信息安全等针对部分迫切需求的机器人相关性能指标检测技术开展研究，促进试验检测自动化和实验室检测能力提升。PART 02二、基于激光点云数据的定位精度测量方法机器人自主导航定位精度 DL/T 1610-2016变电站机器人巡检系统通用技术条件 DL/T 2239-2021 变电站巡检机器人检测技术规范 Q/GDW 11513变电站室外轮式机器人巡

4、检系统技术规范 Q/GDW 11514变电站智能机器人巡检系统检测规范自主导航定位精度主要性能指标重复导航定位误差不大于10mm 停车方向之间的夹角小于2050m50cme1234说明：运行轨迹；定位标志；标准停车位置；实际停车位置。二、基于激光点云数据的定位精度测量方法基于激光点云的测试方法基于激光点云的定位导航精度示意图.*cos().*sin()*cos().*sin()*sin()AAAP xrangeYawP yrangeYawPitchP zrangeYawPitch=二、基于激光点云数据的定位精度测量方法基于激光点云的测试方法关心的重点：点云重心与定位标志物的距离因此我们忽略z

5、方向的坐标，而只在x和y方向上分别求取机器人点云数据的重心坐标并组合在一起。在X和Y方向上提取点云重心的坐标(x_g,y_g)_=1=1_.x _=1=1_.x 定位导航精度测试布置图二、基于激光点云数据的定位精度测量方法基于激光点云的测试方法开机自检，构建标志物坐标机器人进入测试区一键扫描，不大于10s 按照不确定度要求，可实现多次测量进行数据统计，两维方向自动计算最大偏差、平均偏差、标准差等根据坐标系，利用机器人坐标点位，也可以便捷计算出机器人的偏移角度发明专利号：ZL 201910997872.2PART 03三、基于多视觉标志物的速度测量方法基于多视觉标志物的速度测量方法 D

6、L/T 1610-2016变电站机器人巡检系统通用技术条件 DL/T 2239-2021 变电站巡检机器人检测技术规范 Q/GDW 11513变电站室外轮式机器人巡检系统技术规范 Q/GDW 11514变电站智能机器人巡检系统检测规范速度主要性能指标在水平地面上的最大速度应不小于1.2 m/s 最大自动行驶速度应不小于1m/s50m123说明：加速区；匀速区；减速区；4 横向始端线；5 横向终端线。45机器人不规则始终端线时刻标定机器人户外工作条件气象因素日照风雨光线测量不准确基于多视觉标志物的速度测量方法本方法在测速路径上设置了四个摄像头，分别模拟构建位于0m、5m、15m、20m的位置，

7、并在摄像头的正对面距离为2m的位置摆放视觉标志物，当巡检机器人从摄像头与视觉标志物中间行驶过，摄像头会记录下视觉标志物初次被遮挡的时刻，通过记录相邻几个摄像头拍下的视觉标志物被遮挡的时间差，可以求出机器人行驶的平均速度。三、基于多视觉标志物的速度测量方法基于多视觉标志物的速度测量方法基于多视觉标志物进行图像识别，内嵌人工智能处理芯片、WIFI通信模块、持久续航电源，配备高精度广角摄像头，支持云端软件平台控制协议，该测速系统由4个视觉标志物、四个GMSL接口相机和一台高性能且可靠的测速主控仪组成。三、基于多视觉标志物的速度测量方法机器人性能测试系统基于多视觉标志物的速度测量方法相机摆放位置引起的

8、误差：理论上需要将相机中心对准机器人来时的那侧标志物的黑色边框边缘，才能使相机在巡检机器人刚刚遮挡住ArUco的时候就被检测到。若相机的摆放位置有偏差，则会产生一个时间上的误差，x的取值在0,0.1m之间。按照安装区域，h的取值在0.3,1.2m之间当机器人的行驶速度在1m/s至3m/s之间时，相机摆放位置所引起的速度测量相对误差在0.5%至0.89%，可以满足实际应用的精度要求三、基于多视觉标志物的速度测量方法基于多视觉标志物的速度测量方法相机帧率引起的误差：本方法采用的相机触发频率为25Hz，即每隔40ms曝光一次。当巡检机器人遮挡住视觉标志物的一侧时，相机可能并不会立即曝光，产生的时间上

9、的误差可能是0s到0.04s之间的任意一个时间，因此时间误差服从均匀分布U0,0.04。当机器人的行驶速度在1m/s至3m/s之间时，速度的测量相对误差在0.4%到0.95%之间，可以满足实际应用的精度要求三、基于多视觉标志物的速度测量方法PART 04四、机器人无线安全接入试验检测方法研究检测依据 GB/T 13729 远动终端设备 GB/T 25000.51-2016 系统与软件工程系统与软件质量要求与评价（SQuaRE）第51部分：就绪可用软件产品（RUSP）的质量要求和测试细则 GB/T 20271-2006 信息系统安全通用技术要求 RFC 2544-1999 网络互联设备基准测试

10、方法学 DL/T 664 带电设备红外诊断应用规范 DL/T 283.1电力视频监控系统及接口第1部分：技术要求 DL/T 1455-2015 电力系统控制类软件安全性及其测评技术要求 Q/GDW 1597-2015 国家电网公司应用软件系统通用安全要求 Q/GDW 10517.1电网视频监控系统及接口第1部分：技术要求 Q/GDW 11513 变电站智能机器人巡检系统技术规范 Q/GDW 11514 变电站智能机器人巡检系统检测规范 Q/GDW 12186 输变电设备物联网通信安全规范国网运检部关于进一步完善变电站智能巡检机器人后台监控系统功能和界面的通知（运检一2016103号）智慧

11、物联体系安全防护方案（国家电网互联202124号）国家电网有限公司关于推进变电站智能巡视建设与应用的意见（国家电网设备2022653号）变电站智能机器人本地监控系统内网物联安全接入网关（低端型）交换机无线基站变电站智能巡检变电站智能巡检机器人机器人机器人内部交换机边缘物联代理机器人内部无线组件机器人工控机无线网络测控外网机器人系统架构机器人本体内置边缘物联代理模块，与物联安全接入网关（低端型）配套实现双向身份认证和数据加密，传输数据加密时应采用SM1或SM4，用于身份认证的数字证书应由公司统一密码服务平台签发。物联安全接入网关（低端型）采用双主机设计实现变电站电力信息网络（内网）和无线网络（外

12、网）的安全隔离。四、机器人无线安全接入试验检测方法研究变电站智能机器人本地监控系统内网物联安全接入网关（低端型）交换机无线基站变电站智能巡检变电站智能巡检机器人机器人机器人内部交换机边缘物联代理机器人内部无线组件机器人工控机无线网络测控外网变电站智能巡检机器人机器人本地监控系统边缘物联代理（安全加密模块）物联安全接入网关（低端型）三、机器人无线安全接入试验检测方法研究测试项目序号检测项目1机器人物理安全2安全接入3机器人业务功能测试文件抓取/上传4可见光视频控制5红外视频控制6音频控制7控制数据传输8激光传感器数据传输9机器人巡检任务序号检测项目10机器人业务性能测试最大业务吞吐量11转发时延

13、比对可见光视频调阅时延12红外视频调阅时延13任务模式切换时延14云台控制指令时延15控制字使能时延16运动控制指令时延序号检测项目17业务稳定性测试72h连续通电18通信基站掉线业务重联19模块掉电业务重联20边缘物联代理与物联安全接入网关性能测试整机吞吐量21数据转发时延22帧丢失率23隧道建立延迟24稳定性四、机器人无线安全接入试验检测方法研究邀请三家机器人厂商和三家无线安全接入方案供应商参加了机器人无线安全接入方案评估试验验证，3家厂商机器人与后台监控系统通信正常，机器人业务功能正常，但部分端口的访问权限和业务功能开放策略不符合网络安全要求，建议整改消缺；机器人业务性能整体响应符合智能

14、巡视系统的要求，业务稳定性测试均符合现场应用需求。三、机器人无线安全接入试验检测方法研究机器人系统安全漏洞排查主要依据标准：DL/T 1455-2015 电力系统控制类软件安全性及其测评技术要求 Q/GDW 1597-2015 国家电网公司应用软件系统通用安全要求为落实国家电网有限公司关于推进变电站智能巡视建设与应用的意见（国家电网设备2022653号）文件要求，提升变电站智能巡检机器人管理数字化水平，充分发挥机器人“人工替代”成效，需全面排查机器人软件系统安全漏洞风险，保障机器人运行质量提升“专项行动有序开展。三、机器人无线安全接入试验检测方法研究机器人系统安全漏洞排查方案机器人系统安全漏洞

15、排查方案序号检验项目序号检验项目序号检验项目1身份鉴别用户标识3数据完整性数据存储完整性5渗透测试-安全漏洞明文传输XSS 跨站脚本攻击不安全的http请求方法多重鉴别数据传输完整性默认口令/弱口令后台泄露漏洞客户端功能异常漏洞重要操作重鉴别完整性算法存在与业务无关的服务和端口目录遍历服务端功能异常漏洞口令规范4数据保密性数据传输保密性敏感信息泄露CSRF（跨站请求伪造)可执行文件劫持漏洞口令有效期数据存储保密性越权访问漏洞设计缺陷/逻辑漏洞登录认证绕过漏洞登录失败安全传输协议关键会话重放漏洞XML实体注入漏洞扫描用户-客户端绑定保密性算法任意文件包含/任意文件下载登录功能及验证码漏洞逆向分析

16、2访问控制基于角色的访问控制任意文件上传漏洞不安全的Cookies角色权限管理SQL注入漏洞SSL漏洞角色权限互斥命令执行漏洞SSRF漏洞三、机器人无线安全接入试验检测方法研究PART 05五、基于混淆矩阵的多元标签模型评价方法二级评价指标目标检测模型的性能评价指标为：准确率（Accuracy）、精确率（Precision）、召回率（Recall）、Precision-Recall曲线（AP）、交并比（IoU）、平均计算时间等。五、基于混淆矩阵的多元标签模型评价方法多元标签的混淆矩阵评价方法2label1label2labellabel1label2labelnn

17、nnnnnnsumaaaAbbbByyyYABY预测分类标签真实分类标签根据二级评估指标定义，根据混淆矩阵可明显得出各单一标签场景的准确率（Acc）、精确率（Pre）和召回率（Rec）2nnnnnnyabABYyabABYyabABY=AccPreRec11221122PrnnnnabyAccabyeABY+=+=+对于多元标签的总评价：五、基于混淆矩阵的多元标签模型评价方法IoUAB（Ax1，Ay1）（Bx1，By1）（Ax2，Ay2）（Bx2，By2）22121max 0 min-max max 0 min-max-yyyyxxxxyyxxyyx

18、xDRGTABABABABDRGTAAAABBBBDRGTDRGTIoUDRGT=+=（，（，）（，）（，（，）（，）（）（）（）（）计算出A与B的交集面积和并集面积即可得出IoU，综合考虑A和B的交集是否存在的情况，并采用IoU0.5的阈值，进行AP值计算五、基于混淆矩阵的多元标签模型评价方法P-R曲线（AP）由于P（R）函数并不是个固定函数，该曲线是时刻变化着的，通过定积分分割法将AP值的面积分割成无数个精确度与召回率变化量所形成的矩形，该方法可避免盲目计算所谓的PR不规则图形面积，可实时展示变化过程。0.90.80.70.60.50.40.30.2100.00%90.00%80.00%70.00%60.00%50.00%40.00%召召回回率率精精确确率率()101()()()()(1)NiAPP R dRP iR iR iR iR i=PART 06六、下一步工作方向研究重点持续跟踪变电站机器人新型巡检技术发展方向，开展新型机器人及多维度感知的试验检测技术研究。聚焦机器人现场应用如导航自适应和点位纠偏等迫切需求，研究导航地图自主学习和预置位自主纠偏算法试验检测方法。一是二是三是支撑机器人云边协同应用，推进机器人通过智巡系统接入人工智能算法管理平台，持续扩充缺陷样本库，促进机器人智能水平提升。谢谢！

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