機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)在CCPP項目中的應(yīng)用

馬鞍山鋼鐵股份有限公司 李 通 晏 超

此前機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)多應(yīng)用于核領(lǐng)域，這是由于核領(lǐng)域的工作環(huán)境更需要機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)，在一般的領(lǐng)域中很難找到機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用。但這并不意味著機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)在一般領(lǐng)域中沒有位置，相反一般領(lǐng)域更需要自動化，更需要可靠的機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)來解決檢查和監(jiān)視問題。

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（簡稱CCPP）是指在燃?xì)夂驼羝啓C(jī)聯(lián)合工藝中，將熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的工廠。在煤炭氣化或煤燃燒的聯(lián)合循環(huán)工藝中，將固體燃料轉(zhuǎn)化為燃?xì)饣驘嵩鰤簹怏w，然后用于燃?xì)夂驼羝啓C(jī)工藝，是我國節(jié)能減排戰(zhàn)略實施的重要部分?，F(xiàn)階段在CCPP項目中應(yīng)用機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)有幾個障礙：缺乏廣泛的商用自主機(jī)器人。由于CCPP項目的檢查問題更多地與異常檢測和物體識別有關(guān)、而不是導(dǎo)航，而目前的視覺系統(tǒng)在一般物體識別和場景解釋任務(wù)中性能較差；CCPP項目配置和環(huán)境的多樣性。在CCPP項目中應(yīng)用機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)有一些難以到達(dá)的地點(diǎn)，而這往往需要特別昂貴的機(jī)械工程。此外其他的應(yīng)用障礙還包括部分CCPP項目還沒有建立自動檢查的考慮等[1]。

1 CCPP中機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的構(gòu)成

傳統(tǒng)機(jī)器人已建立了在各種環(huán)境中的應(yīng)用，如自動化和遠(yuǎn)程探索，專注于工業(yè)和科學(xué)設(shè)施、工業(yè)機(jī)械和移動遙控平臺等。在危險環(huán)境中傳統(tǒng)機(jī)器人作為單一的專業(yè)化機(jī)器人系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其固定的機(jī)器人結(jié)構(gòu)限制了它們的發(fā)展，限制了機(jī)器人的擴(kuò)展能力。相比之下，機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)有更大的應(yīng)用可能性，這是因為其由不同的模塊組成，大致可分為單個基本模塊(如m-tran)和不同的基本模塊(如智能模塊)。不同模塊允許機(jī)器人配置動態(tài)地適應(yīng)在環(huán)境中繼續(xù)執(zhí)行諸如運(yùn)動、導(dǎo)航和執(zhí)行任務(wù)等操作[2]。

在CCPP項目中，基于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成和特點(diǎn)，機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)主要覆蓋主廠房區(qū)、高壓廠變壓器室（勵磁室）、升壓站區(qū)、煤氣管道區(qū)、余熱鍋爐的主要設(shè)備，起到智能化、系統(tǒng)化、信息化的檢測目的。系統(tǒng)主要構(gòu)成和參數(shù)為：

紅外熱像儀：設(shè)備成像分辨率384×288，測溫范圍-20～550°C，測溫精度為±2℃或讀數(shù)的2%，響應(yīng)波長8～14μm，實時顯示影像中溫度最高點(diǎn)位置及溫度值；可見光高清機(jī)：200萬像素逐行掃描1/2.8”CMOS，最大分辨率可達(dá)1920×1080，30倍光學(xué)變倍（室內(nèi)輪式機(jī)器人為20倍），LED補(bǔ)光燈；云臺：水平方向0～360°，垂直方向-90°～90°。

氣體傳感器：掛軌機(jī)器人可探測氣體O2、H2S、CO、CH4、煙霧，測量范圍H2S0～100ppm、CO0～500ppm、O20～20%Vol、CH40～100%lel、煙霧0～100ppm；室內(nèi)輪式機(jī)器人SF6測量范圍0～10ppm，O3測量范圍0～10ppm；防爆機(jī)器人煤氣泄漏檢測（CO氣體）。

溫濕度傳感器：測量范圍為溫度-40℃～+60℃、濕度0%～100%RH，測量精度為溫度±0.5℃、濕度±2%RH；聲音采集器：頻率響應(yīng)3.15Hz～10kHz；局放傳感器：室內(nèi)輪式機(jī)器人。檢測頻帶為超聲波30～500kHz、地電波3～100MHz，測量范圍為超聲波-6～70dBuV、地電波0～60dBmV，測量精度±1dB，測量分辨率0.1dB。

2 CCPP中機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的功能

CCPP的運(yùn)行具有多種熱力循環(huán)配置，嚴(yán)格位置的熱力學(xué)循環(huán)的分類取決于可用燃料的類型及從工廠獲得的不同用途。機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)通常由兩個獨(dú)立的實時計算機(jī)系統(tǒng)、或一個完全集成的系統(tǒng)來管理，通過連接點(diǎn)到點(diǎn)或一個現(xiàn)場總線到其控制回路所需的所有過程數(shù)據(jù)來操作。所有額外的數(shù)據(jù)，如金屬溫度、振動和噪音都由監(jiān)控系統(tǒng)收集，允許操作員實時監(jiān)控狀況并預(yù)測風(fēng)險情況。在具體應(yīng)用中，機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)由傳感器通過測量物理量、如壓力和溫度收集信息。大多數(shù)的機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)采用計算機(jī)人工視覺系統(tǒng)，通過多種算法對圖像進(jìn)行采集和處理，從而提取多種任務(wù)相關(guān)信息。

CCPP中機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)需要具備下述功能：信息交換與通信網(wǎng)絡(luò)功能。系統(tǒng)應(yīng)滿足電站有關(guān)信息安全的標(biāo)準(zhǔn)或文件要求；自檢功能。自檢內(nèi)容包括電源、驅(qū)動、通信和檢測設(shè)備等部件的工作狀態(tài)；巡檢功能。系統(tǒng)應(yīng)支持全自主和遙控巡檢模式；檢測功能。包括溫度檢測、儀表讀數(shù)識別、水油泄露檢測、高溫高壓蒸汽泄漏檢測、噪聲識別、局放檢測等；系統(tǒng)互聯(lián)功能。遵循相關(guān)接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供與電站綜自系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等的接口，并能與消防安防系統(tǒng)聯(lián)動；輔助功能。包括音視頻遠(yuǎn)傳、報警功能、微氣象數(shù)據(jù)采集、防碰撞、防跌落、巡檢報告、自主充電、夜間照明等；控制功能。系統(tǒng)應(yīng)能正確接收本地監(jiān)控后臺的控制指令[3]。

3 CCPP中機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用問題與解決方案

3.1 巡檢功能缺失問題及解決方案

目前大多數(shù)已投入運(yùn)行的機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)基本能完成對站內(nèi)一次設(shè)備的全面巡檢，但由于站內(nèi)直流系統(tǒng)及二次設(shè)備多位于變電站獨(dú)立的小室或是主控樓內(nèi)、且室內(nèi)設(shè)備的門口均設(shè)置有防鼠擋板，這客觀上給巡檢機(jī)器人設(shè)置了路障，使之無法有效地對此類設(shè)備開展巡視檢查工作[4]。然而站內(nèi)直流系統(tǒng)及二次設(shè)備對變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行同樣至關(guān)重要。因此，使巡檢機(jī)器人能夠有效發(fā)揮自主判斷，對二次設(shè)備與直流系統(tǒng)完成巡檢是必要的。

解決方案：先前的工作允許重復(fù)覆蓋的路徑，但忽略了訪問該區(qū)域中的點(diǎn)的頻率。鑒于此，基于頻率的優(yōu)化巡檢算法可確保最大均勻頻率，即目標(biāo)區(qū)域中的每個點(diǎn)都以相同的最佳頻率覆蓋。該解決方案基于找到一條訪問該區(qū)域所有點(diǎn)的圓形路徑，同時考慮了地形方向性和速度約束。機(jī)器人可在最短時間內(nèi)均勻地沿著這條路徑定位。從至少要使一個機(jī)器人正常工作的情況下，就可實現(xiàn)巡檢的均勻頻率意義上說，該解決方案是可靠的，并將對系統(tǒng)的干擾降到最低。

3.2 抗干擾能力缺失問題及解決方案

在霧霾天氣日益頻發(fā)的地區(qū)，激光束在霧霾環(huán)境中會受到水分、塵埃等的影響發(fā)生折射現(xiàn)象而發(fā)散，導(dǎo)致激光定位及導(dǎo)航失效。因此，采用激光制導(dǎo)的機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)可能會受到霧霾天氣的影響，從而造成巡檢質(zhì)量下降，甚至不能完成指定巡檢任務(wù)等情況的發(fā)生[5]。

解決方案：視覺信息處理的有效應(yīng)用可擴(kuò)展移動服務(wù)機(jī)器人的自主性和可操作性，特別是機(jī)器視覺與植物信息系統(tǒng)的集成，對于解決機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)抗干擾能力的缺失問題十分重要。基于視覺的定位技術(shù)可用于導(dǎo)航，但對于物體識別和場景解析更為關(guān)鍵。結(jié)合傳感器進(jìn)行圖像處理以識別周圍環(huán)境，以實現(xiàn)惡劣環(huán)境中巡檢任務(wù)的精確長時間運(yùn)動。針對機(jī)器人視覺系統(tǒng)可設(shè)計適當(dāng)?shù)膱D像處理硬件和軟件集成，利用現(xiàn)場可編程門陣列圖像處理器件和實時設(shè)備驅(qū)動器對設(shè)備I/O進(jìn)行快速、確定性時間響應(yīng)的開發(fā)。定時圖像數(shù)據(jù)可用于目標(biāo)識別、云臺電機(jī)控制、數(shù)據(jù)通信等應(yīng)用軟件。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)為機(jī)器人在環(huán)境中識別位置和方向提供了自動校正自定位功能，可以不偏離路線繼續(xù)自主重復(fù)巡檢。

3.3 巡檢數(shù)據(jù)偏差問題及解決方案

在實踐中，CCPP中有部分壓力表、油位計相對于地面的位置過高、夾角過大。當(dāng)巡檢機(jī)器人行進(jìn)到固定監(jiān)測點(diǎn)位時，機(jī)器人云臺攝像頭對目標(biāo)設(shè)備或表計亦有著相對較為固定的角度，不利于巡檢機(jī)器人的觀測，也對機(jī)器人采集數(shù)據(jù)造成了影響。例如，有些壓力表隱藏于設(shè)備表面下部或是表計指針過小而不方便機(jī)器人采集數(shù)據(jù)[6]。

解決方案：為解決巡檢數(shù)據(jù)偏差問題，在輸入最小化的情況下對機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)進(jìn)行線性二次調(diào)節(jié)器的最優(yōu)控制。相比于大多數(shù)機(jī)器人只能以恒定的速率移動，基于螺桿運(yùn)動的巡檢機(jī)器人其操縱角也可控制，以應(yīng)對運(yùn)動的俯仰率并繞過可能的障礙物。此外，由于機(jī)器人具有多于一個控制輸入的多變量，因此最小化其控制輸入非常有用。實踐證明，所設(shè)計的機(jī)器人能以可控的俯仰速度和可接受的精度運(yùn)動，同時可避免障礙物并優(yōu)化了能耗。

綜上，由于重復(fù)使用模塊來實現(xiàn)不同的形態(tài)和功能，機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的復(fù)雜性隨著模塊數(shù)目的增加而增加，因此，除需考慮模塊化機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的魯棒控制和操縱之外，還需考慮機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的實踐應(yīng)用。只有這樣才能進(jìn)一步降低機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率，提升自動化水平。