變電站巡檢機器人試驗檢測技術研究.pdf

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1、變電站巡檢機器人試驗檢測技術研究徐 梁國網電力科學研究院有限公司2023年6月目 錄ONTENTS一、變電站巡檢機器人試驗檢測研究分析二、基于激光點云數據的定位精度測量方法三、基于多視覺標志物的速度測量方法四、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究五、基于混淆矩陣的多元標簽模型評價方法六、下一步工作方向PART 01一、變電站巡檢機器人試驗檢測研究分析1.常用標準實驗室常用標準：DL/T 1610-2016變電站機器人巡檢系統通用技術條件 DL/T 2239-2021 變電站巡檢機器人檢測技術規范 DL/T 2241-2021變電站室內軌道式巡檢機器人系統通用技術條件 DL/T 2465-2021

2、 變電站室內軌道式巡檢機器人系統檢測規范 Q/GDW 11513變電站室外輪式機器人巡檢系統技術規范 Q/GDW 11514變電站智能機器人巡檢系統檢測規范 Q/GDW 12164變電站遠程智能巡視系統技術規范一、變電站巡檢機器人試驗檢測研究分析2.常用試驗檢測項目分類1.外觀質量試驗 外觀結構、內部布局、硬件接口、機器人質量等2.運動性能試驗 自主導航定位精度、最大平均速度、制動距離、涉水、越障、爬坡、云臺運動范圍等3.巡檢性能試驗 自主充電功能、表計設備巡檢功能、紅外測溫準確度、雙向語音對講、巡檢任務規劃、圖像識別模型驗證等4.通信協議一致性 模型文件、通信過程、注冊心跳消息、機器人控制類

3、型消息、監視類型消息、安全文件傳輸等5.安全性能試驗 絕緣性能、介電強度、沖擊電壓6.環境適應性 高溫、低溫、濕熱等7.機械性能 振動耐久、振動響應、運輸振動等8.外殼防護等級 防塵試驗、防水試驗等9.網絡安全試驗 無線安全接入、機器人信息安全、監控系統信息安全等針對部分迫切需求的機器人相關性能指標檢測技術開展研究，促進試驗檢測自動化和實驗室檢測能力提升。PART 02二、基于激光點云數據的定位精度測量方法機器人自主導航定位精度 DL/T 1610-2016變電站機器人巡檢系統通用技術條件 DL/T 2239-2021 變電站巡檢機器人檢測技術規范 Q/GDW 11513變電站室外輪式機器人巡

4、檢系統技術規范 Q/GDW 11514變電站智能機器人巡檢系統檢測規范自主導航定位精度主要性能指標 重復導航定位誤差不大于10mm 停車方向之間的夾角小于2050m50cme1234說明：運行軌跡；定位標志；標準停車位置；實際停車位置。二、基于激光點云數據的定位精度測量方法基于激光點云的測試方法基于激光點云的定位導航精度示意圖.*cos().*sin()*cos().*sin()*sin()AAAP xrangeYawP yrangeYawPitchP zrangeYawPitch=二、基于激光點云數據的定位精度測量方法基于激光點云的測試方法關心的重點：點云重心與定位標志物的距離因此我們忽略z

5、方向的坐標，而只在x和y方向上分別求取機器人點云數據的重心坐標并組合在一起。在X和Y方向上提取點云重心的坐標(x_g,y_g)_=1=1_.x _=1=1_.x 定位導航精度測試布置圖二、基于激光點云數據的定位精度測量方法基于激光點云的測試方法 開機自檢，構建標志物坐標 機器人進入測試區 一鍵掃描，不大于10s 按照不確定度要求，可實現多次測量進行數據統計，兩維方向自動計算最大偏差、平均偏差、標準差等 根據坐標系，利用機器人坐標點位，也可以便捷計算出機器人的偏移角度 發明專利號：ZL 201910997872.2PART 03三、基于多視覺標志物的速度測量方法基于多視覺標志物的速度測量方法 D

6、L/T 1610-2016變電站機器人巡檢系統通用技術條件 DL/T 2239-2021 變電站巡檢機器人檢測技術規范 Q/GDW 11513變電站室外輪式機器人巡檢系統技術規范 Q/GDW 11514變電站智能機器人巡檢系統檢測規范速度主要性能指標 在水平地面上的最大速度應不小于1.2 m/s 最大自動行駛速度應不小于1m/s50m123說明：加速區；勻速區；減速區；4 橫向始端線；5 橫向終端線。45機器人不規則始終端線時刻標定機器人戶外工作條件氣象因素日照風雨光線測量不準確基于多視覺標志物的速度測量方法本方法在測速路徑上設置了四個攝像頭，分別模擬構建位于0m、5m、15m、20m的位置，

7、并在攝像頭的正對面距離為2m的位置擺放視覺標志物，當巡檢機器人從攝像頭與視覺標志物中間行駛過，攝像頭會記錄下視覺標志物初次被遮擋的時刻，通過記錄相鄰幾個攝像頭拍下的視覺標志物被遮擋的時間差，可以求出機器人行駛的平均速度。三、基于多視覺標志物的速度測量方法基于多視覺標志物的速度測量方法基于多視覺標志物進行圖像識別，內嵌人工智能處理芯片、WIFI通信模塊、持久續航電源，配備高精度廣角攝像頭，支持云端軟件平臺控制協議，該測速系統由4個視覺標志物、四個GMSL接口相機和一臺高性能且可靠的測速主控儀組成。三、基于多視覺標志物的速度測量方法機器人性能測試系統基于多視覺標志物的速度測量方法相機擺放位置引起的

8、誤差：理論上需要將相機中心對準機器人來時的那側標志物的黑色邊框邊緣，才能使相機在巡檢機器人剛剛遮擋住ArUco的時候就被檢測到。若相機的擺放位置有偏差，則會產生一個時間上的誤差，x的取值在0,0.1m之間。按照安裝區域，h的取值在0.3,1.2m之間當機器人的行駛速度在1m/s至3m/s之間時，相機擺放位置所引起的速度測量相對誤差在0.5%至0.89%，可以滿足實際應用的精度要求三、基于多視覺標志物的速度測量方法基于多視覺標志物的速度測量方法相機幀率引起的誤差：本方法采用的相機觸發頻率為25Hz，即每隔40ms曝光一次。當巡檢機器人遮擋住視覺標志物的一側時，相機可能并不會立即曝光，產生的時間上

9、的誤差可能是0s到0.04s之間的任意一個時間，因此時間誤差服從均勻分布U0,0.04。當機器人的行駛速度在1m/s至3m/s之間時，速度的測量相對誤差在0.4%到0.95%之間，可以滿足實際應用的精度要求三、基于多視覺標志物的速度測量方法PART 04四、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究檢測依據 GB/T 13729 遠動終端設備 GB/T 25000.51-2016 系統與軟件工程 系統與軟件質量要求與評價（SQuaRE）第51部分：就緒可用軟件產品（RUSP）的質量要求和測試細則 GB/T 20271-2006 信息系統安全通用技術要求 RFC 2544-1999 網絡互聯設備基準測試

10、方法學 DL/T 664 帶電設備紅外診斷應用規范 DL/T 283.1電力視頻監控系統及接口 第1部分：技術要求 DL/T 1455-2015 電力系統控制類軟件安全性及其測評技術要求 Q/GDW 1597-2015 國家電網公司應用軟件系統通用安全要求 Q/GDW 10517.1電網視頻監控系統及接口 第1部分：技術要求 Q/GDW 11513 變電站智能機器人巡檢系統技術規范 Q/GDW 11514 變電站智能機器人巡檢系統檢測規范 Q/GDW 12186 輸變電設備物聯網通信安全規范 國網運檢部關于進一步完善變電站智能巡檢機器人后臺監控系統功能和界面的通知（運檢一2016103號）智慧

11、物聯體系安全防護方案（國家電網互聯202124號）國家電網有限公司關于推進變電站智能巡視建設與應用的意見（國家電網設備2022653號）變電站智能機器人本地監控系統內網物聯安全接入網關（低端型）交換機無線基站變電站智能巡檢變電站智能巡檢機器人機器人機器人內部交換機邊緣物聯代理機器人內部無線組件機器人工控機無線網絡測控外網機器人系統架構機器人本體內置邊緣物聯代理模塊，與物聯安全接入網關（低端型）配套實現雙向身份認證和數據加密，傳輸數據加密時應采用SM1或SM4，用于身份認證的數字證書應由公司統一密碼服務平臺簽發。物聯安全接入網關（低端型）采用雙主機設計實現變電站電力信息網絡（內網）和無線網絡（外

12、網）的安全隔離。四、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究變電站智能機器人本地監控系統內網物聯安全接入網關（低端型）交換機無線基站變電站智能巡檢變電站智能巡檢機器人機器人機器人內部交換機邊緣物聯代理機器人內部無線組件機器人工控機無線網絡測控外網變電站智能巡檢機器人機器人本地監控系統邊緣物聯代理（安全加密模塊）物聯安全接入網關（低端型）三、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究測試項目序號檢測項目1機器人物理安全2安全接入3機器人業務功能測試文件抓取/上傳4可見光視頻控制5紅外視頻控制6音頻控制7控制數據傳輸8激光傳感器數據傳輸9機器人巡檢任務序號檢測項目10機器人業務性能測試最大業務吞吐量11轉發時延

13、比對可見光視頻調閱時延12紅外視頻調閱時延13任務模式切換時延14云臺控制指令時延15控制字使能時延16運動控制指令時延序號檢測項目17業務穩定性測試72h連續通電18通信基站掉線業務重聯19模塊掉電業務重聯20邊緣物聯代理與物聯安全接入網關性能測試整機吞吐量21數據轉發時延22幀丟失率23隧道建立延遲24穩定性四、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究邀請三家機器人廠商和三家無線安全接入方案供應商參加了機器人無線安全接入方案評估試驗驗證，3家廠商機器人與后臺監控系統通信正常，機器人業務功能正常，但部分端口的訪問權限和業務功能開放策略不符合網絡安全要求，建議整改消缺；機器人業務性能整體響應符合智能

14、巡視系統的要求，業務穩定性測試均符合現場應用需求。三、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究機器人系統安全漏洞排查主要依據標準：DL/T 1455-2015 電力系統控制類軟件安全性及其測評技術要求 Q/GDW 1597-2015 國家電網公司應用軟件系統通用安全要求為落實國家電網有限公司關于推進變電站智能巡視建設與應用的意見（國家電網設備2022653號）文件要求，提升變電站智能巡檢機器人管理數字化水平，充分發揮機器人“人工替代”成效，需全面排查機器人軟件系統安全漏洞風險，保障機器人運行質量提升“專項行動有序開展。三、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究機器人系統安全漏洞排查方案機器人系統安全漏洞

15、排查方案序號檢驗項目序號檢驗項目序號檢驗項目1身份鑒別用戶標識3數據完整性數據存儲完整性5滲透測試-安全漏洞明文傳輸XSS 跨站腳本攻擊不安全的http請求方法多重鑒別數據傳輸完整性默認口令/弱口令后臺泄露漏洞客戶端功能異常漏洞重要操作重鑒別完整性算法存在與業務無關的服務和端口目錄遍歷服務端功能異常漏洞口令規范4數據保密性數據傳輸保密性敏感信息泄露CSRF（跨站請求偽造)可執行文件劫持漏洞口令有效期數據存儲保密性越權訪問漏洞設計缺陷/邏輯漏洞登錄認證繞過漏洞登錄失敗安全傳輸協議關鍵會話重放漏洞XML實體注入漏洞掃描用戶-客戶端綁定保密性算法任意文件包含/任意文件下載登錄功能及驗證碼漏洞逆向分析

16、2訪問控制基于角色的訪問控制任意文件上傳漏洞不安全的Cookies角色權限管理SQL注入漏洞SSL漏洞角色權限互斥命令執行漏洞SSRF漏洞三、機器人無線安全接入試驗檢測方法研究PART 05五、基于混淆矩陣的多元標簽模型評價方法二級評價指標目標檢測模型的性能評價指標為：準 確 率（Accuracy）、精 確 率（Precision）、召回率（Recall）、Precision-Recall曲線（AP）、交并比（IoU）、平均計算時間等。五、基于混淆矩陣的多元標簽模型評價方法多元標簽的混淆矩陣評價方法111212122212label1label2labellabel1label2labelnn

17、nnnnnnsumaaaAbbbByyyYABY預測分類標簽真實分類標簽根據二級評估指標定義，根據混淆矩陣可明顯得出各單一標簽場景的準確率（Acc）、精確率（Pre）和召回率（Rec）112211221122nnnnnnyabABYyabABYyabABY=AccPreRec11221122PrnnnnabyAccabyeABY+=+=+對于多元標簽的總評價：五、基于混淆矩陣的多元標簽模型評價方法IoUAB（Ax1，Ay1）（Bx1，By1）（Ax2，Ay2）（Bx2，By2）2211221121212121max 0 min-max max 0 min-max-yyyyxxxxyyxxyyx

18、xDRGTABABABABDRGTAAAABBBBDRGTDRGTIoUDRGT=+=（，（，）（，）（，（，）（，）（）（）（）（）計算出A與B的交集面積和并集面積即可得出IoU，綜合考慮A和B的交集是否存在的情況，并采用IoU0.5的閾值，進行AP值計算五、基于混淆矩陣的多元標簽模型評價方法P-R曲線（AP）由于P（R）函數并不是個固定函數，該曲線是時刻變化著的，通過定積分分割法將AP值的面積分割成無數個精確度與召回率變化量所形成的矩形，該方法可避免盲目計算所謂的PR不規則圖形面積，可實時展示變化過程。0.90.80.70.60.50.40.30.2100.00%90.00%80.00%70.00%60.00%50.00%40.00%召召回回率率精精確確率率()101()()()()(1)NiAPP R dRP iR iR iR iR i=PART 06六、下一步工作方向研究重點持續跟蹤變電站機器人新型巡檢技術發展方向，開展新型機器人及多維度感知的試驗檢測技術研究。聚焦機器人現場應用如導航自適應和點位糾偏等迫切需求，研究導航地圖自主學習和預置位自主糾偏算法試驗檢測方法。一是二是三是支撐機器人云邊協同應用，推進機器人通過智巡系統接入人工智能算法管理平臺，持續擴充缺陷樣本庫，促進機器人智能水平提升。謝謝！