张燕东1，田磊1，李茂清1，梁东兴2，陈建超1，胡大1，王明建3
张燕东， 田磊， 李茂清， 等. 智能巡检机器人系统在火力发电行业的应用研发及示范[J].中国电力.2017， 50(10):1-6.
ZHANG Yandong， TIAN Lei， LI Maoqing， et al. Application and development of intelligent inspection robot system in thermal power plant [J].Electric Power.2017， 50(10):1-6.
DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201706125.
摘 要
为缓解近年发电行业事故频发及一线工人日趋紧缺的局面，提出了智能巡检机器人，通过开发整合智能检测技术，使其具备视频图像识别、红外测温、激光测振及拾音、（水、酸、碱、气、汽）跑冒滴漏检测、数据采集及统计分析的专家系统、手机APP远端在线监控等满足发电厂日常巡检需求的六大功能的实施方案，并且在发电厂实现了示范应用，各项功能都达到了预期目标，为后续的规模化提供了实践经验及优化方向，证明了巡检机器人在火力发电行业应用的可行性。
智能巡检机器人系统在电网行业已投运多年，在变电站有着广泛且成功的应用，是无人值守变电站的必要巡检手段[1-2]。但是变电站使用的智能巡检机器人系统具备的红外测温及视频识别两项功能稍显单一，不能满足发电厂多旋转设备、多介质生产场合的日常巡检需求。现代化电厂需要探索一种新型巡检方式，现阶段智能巡检机器人系统技术研发的示范意义大于实际应用意义，通过功能研发以期实现机器人替代人工巡检，最终实现本质安全及提质增效的目标。
（1）智能巡检机器人的巡检质量不受主观因素影响，无论是大量的巡检工作或是电缆沟道、刮风下雨等恶劣环境，均能保证巡检的质量，不会出现漏巡、错巡等问题发生。
（2）智能巡检机器人能够替代人类进行诸如高温高压管道泄漏、地下封闭管沟等危险或事故区域的巡检工作，能够提升生产现场的本质安全水平。
（3）智能巡检机器人具备视频图像识别、红外测温、激光测振及拾音、跑冒滴漏实时检测等功能，丰富了巡检手段，增强了巡检效果。
（4）智能巡检机器人后台专家系统具备图像、声音、视频记录及设备劣化趋势分析功能，能够提前发现设备的异常状态，为设备状态检修提供依据，保障监控范围内设备的长周期安全稳定运行。
发电厂智能巡检机器人系统如图1所示，系统立足火力发电行业巡检，包含5大部分：巡检机器人本体、充电桩、微气象数据采集系统、网络通讯系统、本地监控后台和远程手机APP监控后台。
智能巡检机器人系统的具体研究内容包括：本体设计、导航与定位设计模块设计、智能充电管理技术设计、网络通讯模块设计、激光测振技术设计、系统平台软件设计及集控站设计。
2.1 本体设计
智能巡检机器人本体设计包含控制系统、双视云台、测振仪、传感器模块、电池供电和软件设计等内容。机器人集成架构如图2所示。
控制系统是发电厂智能巡检机器人的核心，整个控制系统包含了控制箱、动力系统、传感系统、通信系统和报警系统。
双视云台是高清相机和热成像的搭载体，云台安装在智能巡检机器人上方，具备360°转动能力，垂直方向具备±90°转动能力，实现水平垂直方向的旋转运动，便于实现各方位监控，同时配合相机变焦，可有效保证对智能巡检机器人30 m内各方向现场细节进行有效监控。同时云台自带减震装置，在智能巡检机器人运行过程中可减小振动，大大提高视频观测稳定度和可观测性。高清相机实现远程实时监控及图像采集。热成像实现设备红外热分析及热图采集。为改善低照度环境监控效果，云台部分自带补光设备，可与云台同步运动，保证低照度情况下高质量的现场监控。为保证云台运动性能及具有优良导散热性和抗蚀性，云台机身及外壳均选用铝合金材料定制。
该机器人最高速度达到1.3 m/s、紧急制动距离＜4 cm、导航精度＜10 mm、越障能力9 cm、爬坡能力25°、最高续航12 h、防护等级IP54、工作温度-40~+70 ℃、涉水深度可达18 cm。
2.2 导航及避障模块设计
智能巡检机器人采用激光导航方式移动导航，无需铺设轨道，其激光测距功能如图3所示。在智能巡检机器人前端和后端各安装激光传感器，能够精确检测出路面距离，将激光信号传寄给激光传感器模块，主要实现激光导航功能，并以此得到巡检机器人的姿态，与机器人控制配合，调整智能巡检机器人在巡检路径垂直方向姿态，能动态调整车体姿态保持直行，避免运行偏离巡检路径，实现巡检机器人按预先规划的路线行驶。
同时该激光器兼具探沟的功能，如图4 a)所示，当通过测距判断前方路面因井盖、沟盖板打开产生沟渠时，机器人自动触发保护停车。另外机器人前后装有超声波测距雷达，见图4 b)，通过预设障碍物的距离，当发现巡检路线前方有障碍物时启动保护停车，或者通过算法进行重新地图匹配，规划路径实现绕障。
2.3 智能充电管理技术设计
智能巡检机器人采用电池和地面充电系统接触式充电结合的供电方式。除了对巡检机器人进行充电，充电室也是巡检机器人防风、避雨及非运行状态下的停放处。
机器人采用锂离子电池供电，并使用专用的电量计芯片进行电量计算，具有自主充电功能，无需人工干预。如图5所示，在自动控制模式下，机器人执行完巡检任务后会返回充电室充电待机。任何时候可通过平台或操作手柄一键控制机器人回充电室充电。通信连接断开后，也会自动回到充电室充电。电池电量和电压电流都是实时监控的，并且采用工作充电阈值和保护充电阈值双重阈值设置。工作充电阈值可以灵活设置，如果电量低于设定的阈值，机器人会暂停巡检任务而立即返回充电室，防止掉电情况发生。
2.4 网络通讯模块
无线通讯系统见图6，在发电厂化学楼车间设立无线WIFI基站，将通信系统架设在主控楼等建筑物上，根据现场环境选择定向天线进行安装，保证发电厂内无线信号覆盖，且无盲区。
2.5 巡检路线设计
如图7所示，为了保证该系统的示范性，机器人巡检路线包含水处理车间、高温蒸汽供热区、锅炉0 m水泵区、主变区，涵盖了电厂所涉及的电、蒸汽、压缩空气、水、酸、碱、油等各类介质，其中危险气体巡检将作为优化项目后续开展研究。
结合机器人技术在电力行业的应用经验及发电厂工艺系统特点及功能需求，本系统具备满足发电厂日常巡检需求的六大功能。各方案应用情况如下。
3.1 视频图像识别技术
利用机器人搭载的高清可见光摄像机，结合视频图像识别技术，对发电生产区域的表计，包括压力表、温度表、数显表、液位计、轴承油位、避雷器泄漏电流和动作次数、电气开关和阀门状态等示值和位置的进行数据读取，对罐体、容器、管道进行外观对比判别，自动记录并生成报表，并经计算、判断后发出报警，同时实时拍照和录像至后台，满足运行人员随时调用查看及自动存档的功能。机器人搭载的高清可见光摄像机，具备 SVPattenMax 图像配准技术，用于仪表和外观对比图像智能判别分析，可以有效地应对如光照变化、阴影、遮挡、低对比度和低分辨率、视角变化与尺度缩放等产生的干扰。
为达到高水平识别率及准确率，采用算法进行优化，结合视觉伺服追踪技术，实现目标搜索、目标识别锁定、目标读数的智能分析过程，目标识别过程如图8所示，当目标不在机器人视场范围时，先启动目标搜索功能，从周围环境中找到目标，发现目标后，进入目标伺服跟踪锁定过程，将目标调整到正中，后续变焦放大、获取高质量图片，提升识别准确率。
根据对固定点仪表识别算法研究，通过指针与指针周围刻度线距离的关系分析数据时，如果细小刻度线不能被正确识别，仪表的数据识别就不可能正确，因此在检测表盘中心和指针直线之前，必须对图像进行各种预处理，预处理过程见图9，通过预处理得到细化图像，用hough变换检测指针。
通过附加中心检测参数和指针本身的参数，可以很好的过滤掉干扰直线，避免指针的错误检测。如果能够确定仪表盘的位置和大小，通过上述方法对仪表读取，当仪表分辨率达到要求时，即可得到准确的仪表读数。只要设定好需要目标大小的参数就可以通过该机器视觉锁定算法获得需要的目标图像来进行分析，进而得到准确的结果。视频图像识别效果如图10所示。
机器人具备自动巡检测温、手动遥控测温2种工作方式，通过车载红外热成像仪，可对转机轴承温度、电机外壳和接线盒温度、管道、罐体温度（可识别罐内液位）、保温蒸汽管道蒸汽泄漏、变压器各接头温度等设备进行温度测量和识别。可进行红外普测（面测温）以及设备精确测温（点测温），通过机器人的智能分析识别系统，实现人机互动。红外测温功能效果见图11。
如图12 a)所示，通过设备改型（云台、主板、电源）、兼容性开发等工作，智能巡检机器人搭载激光测振仪实现了生产区域转机轴系管道等振动测量和声音拾取功能。该激光非接触式振动测量相比传统动圈及压电式传感器具有诸多优点，如，非接触式测量、非附加质量、高抗干扰性、测量精度高、微型测量、频率范围宽、整体造价低，同时额外具备了声音拾取功能。
如图12 b）所示，激光测振仪的核心是一台高精密激光干涉仪和一台信号处理器。高精密激光干涉仪内的He-Ne激光器发出的偏振光（设频率为F0）由分光镜分成两路，一路作为测量，一路用于参考。测量光通过声光调制器具有一定频移（F），再被聚焦到被测物体表面，物体振动引起多普勒频移（f）。系统收集反射光并与参考光汇聚在传感器上，这样两束光在传感器表面产生干涉，干涉信号的频率为F+f，携带了被测物体的振动信息，信号处理器将频移信号转换为速度、位移等振动信息[3]。利用激光的多普勒效益，振动带来的速度/位移改变会带来接收激光频率上的变化，然后通过检测接收回激光的频率变化来计算速度/位移[4]。
检测流程如下：机器人到达测振点－发送测振点信息给测振仪－测振仪获取到序号、名称、修正值、聚焦参数－测振仪根据获得的参数自动进行配置－测振仪完成测量－测振仪向机器人返回结果并对比阈值产生报警－测量结束，运行人员可通过后台软件查看相关数据、报警、报表、图表、曲线。
另外，激光测振仪利用声音的产生和传播原理，具有声音高保真重现功能，可以替代传统的听针实现非接触式监听轴承等设备内部声音，且不受周边设备噪音干扰。通过后续数据库建模及二次开发，实现声音自动分析功能，由此提前预判转机设备故障的发生[5]。
本方案实现了根据不同的介质及工况采用泄漏电缆、变色涂料技术、声音拾取及分析、视频图像识别、红外测温等多种技术，综合分析，自动判断现场跑冒滴漏故障的出现。
3.4.1 高温蒸汽泄漏检测方案
高温高压蒸汽的在管路、接头、汽包等位置发生泄漏现象后，泄漏点附近的温度会快速升高并明显区别于其他位置的温度变化。智能巡检机器人利用红外测温技术，很好地识别泄漏点的温度场分布，再根据与温度场对应的红外色谱进行分析，可判断是否出现泄漏并确认泄漏点位置。相较于人工判断，智能机器人通过分析温度场异常可以进一步确定泄漏点准确位置[6]，通过远程遥控机器人可以保障运维人员避免高温灼伤等危险。
压缩空气是发电厂气动执行机构的动力源，发生漏气时容易造成气动执行机构误动或拒动。在日常巡视过程中，巡视人员通常依靠人的耳朵判断压缩空气是否存在泄漏。根据压缩空气泄漏所产生的声音的分贝和音色（频率）特点，通过在机器人身上搭载高分辨率的声压计来实现对压缩空气泄漏声音的采集[7]，首先通过滤波分析并与事先建立好的标准样本进行比较，判断是否存在漏气现象，再通过对漏气点四周漏气强度进行分析，最终判断出具体发生压缩空气泄漏的位置。
为实时检测现场设备的液体泄漏情况，按照实用性的原则，选择了可重复使用的液体传感器测量液体泄漏的方案。泄漏检测系统根据感应线是否接触液体而产生电信号，感应线沿管道敷设，可保证管道每一个部位漏液都可被检测到[8]。通过在酸、碱计量箱、制水车间部分管道上完成实施工作，可第一时间发现液体泄漏情况。
液体泄漏检测方案见图13，该检测元件通过光纤通讯的方式接入就地机器人系统的控制箱，由机器人系统完成数据的上传及报警功能。
专家系统是智能巡检机器人项目的核心所在，除自身状态检测及配置巡检任务，具备完整的数据采集、报表、报警、趋势、分析等功能外，通过后续深度的数据开发利用，将有助于提升生产人员的检修指导及缺陷分析等能力，因此对其开放了组态功能，通过后续数据库补充、建模、二次开发，不断完善设备异常的自诊断功能。
手机APP见图14，该项目相应实现了ISO和Android双版本手机APP远端监控功能，对机器人本体，巡检区域的工况信息及异常状况均可通过手机远程监控，并根据网络信息安全的要求相应的配置了硬件。
本方案涉及的跑冒滴漏检测、声音泄漏检测、激光测振及拾音、后台软件二次开发等相关功能均是首次集成入智能巡检机器人巡检系统，丰富了运维人员巡检的手段，应用情况良好。通过在深圳钰湖电力有限公司的示范应用，证明了机器人在火力发电行业的应用可行性。根据推广性需要，针对专家系统深度开发、巡检时间优化、防爆、立体巡检、巡检空间转换等方案还没有进行实质验证，后续还需要开展针对性研究，以期满足无人巡检的要求。
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END
来源：中国电力杂志
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