分析燃煤電站輸煤廊道機(jī)器人自動(dòng)巡檢系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

李旭　黃曉明　司朝輝

摘要：為降低發(fā)電站輸煤廊道內(nèi)事故發(fā)生率，相關(guān)部門及人員就應(yīng)主動(dòng)落實(shí)巡檢工作任務(wù)，傳統(tǒng)巡檢任務(wù)繁重、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件惡劣、工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度高，以致巡檢工作質(zhì)效長(zhǎng)期未見提升。為改善以上情況，提高輸煤系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程穩(wěn)定性、可靠性是有效方法之一，本課題研發(fā)了一款新的機(jī)器人自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，其能替代傳統(tǒng)人工開展巡檢活動(dòng)，利用三維立體化方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的整體化管理，最大限度地提升輸煤廊道巡檢的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：輸煤廊道;巡檢機(jī)器人;巡檢自動(dòng)化;圖像識(shí)別技術(shù)

1輸煤廊道機(jī)器人自動(dòng)巡檢優(yōu)勢(shì)與難點(diǎn)

1.1輸煤廊道巡檢現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)大部分燃煤電站現(xiàn)階段習(xí)慣應(yīng)用人工巡視模式，需要使用大量的人力資源，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境極為惡劣且存在著諸多不確定因素，以致巡檢效果存在著較大的波動(dòng)性。如果僅是簡(jiǎn)單的增設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)裝置，則廊道距離長(zhǎng)、監(jiān)控點(diǎn)位繁多等限制裝置的應(yīng)用過(guò)程，且會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作成本明顯增加。安全生產(chǎn)為發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)的核心內(nèi)容，這也是發(fā)電高度重視安全生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)情況的主要原因。輸煤系統(tǒng)作為燃煤電廠內(nèi)的重要設(shè)備類型，投用時(shí)可能會(huì)發(fā)生各種事故問(wèn)題，特別是火災(zāi)事故的發(fā)生率更高。故而，為了使輸煤系統(tǒng)運(yùn)行安全性得到保障，運(yùn)行人員一定要頻繁巡視檢查輸煤線路工作狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)與處理相關(guān)問(wèn)題。

1.2機(jī)器人自動(dòng)巡檢的優(yōu)勢(shì)

將掛軌式智能巡檢機(jī)器人用于輸煤廊道現(xiàn)場(chǎng)安全巡檢領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)主要包括[1]：（1）主觀因素不會(huì)影響機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)巡檢質(zhì)量與效率，不管是執(zhí)行大量的巡檢任務(wù)還是在電纜溝道、大風(fēng)暴雨等環(huán)境下運(yùn)作，都能確保現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作的質(zhì)效，規(guī)避漏巡、錯(cuò)巡等問(wèn)題;（2）替代工人于惡劣環(huán)境內(nèi)執(zhí)行巡檢任務(wù)，從根本上提升現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)水平;（3）機(jī)器人內(nèi)置了視頻圖像辨識(shí)、紅外線測(cè)溫、測(cè)振、跑冒滴漏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，明顯提升巡檢方法的多樣性，強(qiáng)化了機(jī)器人巡檢的效能;（4）機(jī)器人后臺(tái)安置的專家系統(tǒng)自帶圖像、聲音、視頻錄入及設(shè)備劣化趨向預(yù)測(cè)等功能，能把設(shè)備異常狀態(tài)發(fā)現(xiàn)的時(shí)間前移，為設(shè)備狀態(tài)檢修工作推進(jìn)提供可靠憑據(jù)，確保被監(jiān)控范疇中設(shè)備在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)的安穩(wěn)性。

1.3難點(diǎn)

發(fā)電站輸煤廊道自身有一定特性;（1）廊道長(zhǎng)期在濕度大、粉塵濃度高的環(huán)境下運(yùn)作;2）和綜合管廊、電力隧道相比，輸煤廊道的實(shí)際面積更加寬大，布置了多種設(shè)備，環(huán)境十分復(fù)雜，部分工況下還可能存在著航車或跨越橋;3）輸煤距離較長(zhǎng)，一般會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)站進(jìn)行中轉(zhuǎn)運(yùn)輸。整個(gè)輸煤過(guò)程由煤場(chǎng)到鍋爐煤倉(cāng)之間通常會(huì)經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站。兩個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)運(yùn)站的廊道距離大概200 m，爬坡約18°上下。一段皮帶輸送機(jī)由轉(zhuǎn)運(yùn)站被過(guò)渡至另一端輸送機(jī)過(guò)程，會(huì)形成較明顯的垂直落差。

2機(jī)器人自動(dòng)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1軌道傳動(dòng)系統(tǒng)

結(jié)合輸煤廊道環(huán)境條件的特殊性，并綜合這種廊道中構(gòu)架、生產(chǎn)設(shè)備的布設(shè)方式及廊道實(shí)際走勢(shì)，設(shè)計(jì)研發(fā)出能滿足輸煤廊道安全、穩(wěn)定運(yùn)行的巡檢機(jī)器人軌道系統(tǒng)，立足于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況勾畫出這種機(jī)器人的巡檢路線圖和軌道組裝圖。用高強(qiáng)度鋁合金作為軌道型材，技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行拼接處理，也可以參照廊道地形狀況設(shè)計(jì)適宜的彎曲度和坡度，確保其抗腐蝕、抗磨損性均處于較高水平。組裝鋼質(zhì)防火門且配置電控系統(tǒng)。在常規(guī)狀態(tài)下防火門保持閉鎖狀態(tài)，在機(jī)器人準(zhǔn)備穿越轉(zhuǎn)運(yùn)站臺(tái)時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)傳送出信號(hào)，防火門智能開啟;在確認(rèn)機(jī)器人安全穩(wěn)定穿越以后，防火門自行閉合。圖1是不同環(huán)境條件下輸煤廊道的軌道設(shè)計(jì)及主要配件安裝情況[2]。

2.2機(jī)器人平臺(tái)

因?yàn)檩斆豪鹊乐谐睗袂叶喾?，故而要求機(jī)器人外殼以及內(nèi)部電氣元件設(shè)備防護(hù)都要抵達(dá)IP65級(jí)。實(shí)時(shí)監(jiān)控主界面是平臺(tái)的主要構(gòu)成，用戶能利用該界面動(dòng)態(tài)查詢機(jī)器人系統(tǒng)的視頻、任務(wù)計(jì)劃執(zhí)行情況及部分生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線等的形成情況。平臺(tái)上的子系統(tǒng)主要有[3]：

（1）檢測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)內(nèi)主要配置視頻、溫度、粉塵濃度等傳感器。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)：為了滿足廊道中差異化爬坡度數(shù)工況對(duì)巡檢工作提出的要求，機(jī)器人平臺(tái)應(yīng)用了可配置化動(dòng)力集成。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行在緩坡廊道或者穿越轉(zhuǎn)運(yùn)站時(shí)，分別應(yīng)用單、雙電機(jī)工作模式，后者能強(qiáng)化機(jī)器人爬坡能力。動(dòng)力集成化確保了機(jī)器人在不同坡度廊道內(nèi)行進(jìn)的穩(wěn)定性，節(jié)能效果優(yōu)良。平臺(tái)利用電池供電，配置的電池單次充電后可以達(dá)到連續(xù)行走8 h。利用電池管理系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)電池電量的耗用情況。如果測(cè)得電池電量在預(yù)設(shè)值以下，機(jī)器人便會(huì)自動(dòng)折返到充電位置，并傳送出充電指令。

（3）定位系統(tǒng)：步進(jìn)電機(jī)編碼器是精準(zhǔn)定位的重要基礎(chǔ)，輔助應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）糾正位置偏差，定位精準(zhǔn)度能實(shí)現(xiàn)10mm。安裝在機(jī)器人內(nèi)的信號(hào)讀取器發(fā)出射頻信號(hào)以后，信號(hào)范疇中的無(wú)源電子標(biāo)簽捕獲信號(hào)并被激活，基于機(jī)器人內(nèi)置天線把編碼信息傳送到讀取器內(nèi)，邏輯控制模塊處理信息以后并能精準(zhǔn)獲得標(biāo)簽位置的信息，最后把解碼所得信息完整的傳動(dòng)到上位機(jī)，此時(shí)就達(dá)到了對(duì)巡檢機(jī)器人的精準(zhǔn)定位。

（4）吹掃系統(tǒng)：機(jī)器人平臺(tái)沿著軌道行進(jìn)時(shí)，吹掃系統(tǒng)運(yùn)作，利用其清除沿途軌道之上聚集的灰塵。

（5）通信系統(tǒng)：該系統(tǒng)基于無(wú)線傳輸形式運(yùn)行。機(jī)器人和本地監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向信息交互，被交互內(nèi)容以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與機(jī)器人自體狀態(tài)數(shù)據(jù)為主。將數(shù)個(gè)無(wú)線基站安裝在廊通道內(nèi)，組建無(wú)線局域網(wǎng)，監(jiān)控后臺(tái)依靠無(wú)線連接進(jìn)無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)，確保移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中不同設(shè)備之間能互動(dòng)訪問(wèn)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載狀態(tài)實(shí)現(xiàn)平衡。

3輸煤廊道智能巡檢系統(tǒng)功能及應(yīng)用

3.1常規(guī)功能

（1） 智能化巡檢

該機(jī)器人支持全自主巡檢模式的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。全自主模式主要有常規(guī)、特殊巡檢兩種形式。在第一種形式下，機(jī)器人能依照設(shè)計(jì)好的巡檢任務(wù)內(nèi)容、時(shí)間、路徑等智能開啟并執(zhí)行巡檢任務(wù)。而對(duì)于特殊巡檢任務(wù)，操作人員確定具體巡視點(diǎn)，機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)。利用以上功能，機(jī)器人能夠反復(fù)巡檢發(fā)電站設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，并且連續(xù)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)相關(guān)信息。

（2） 自主充電

機(jī)器人基本上采用如下兩種充電形式，其一是非接觸供電（CPS），其二是聯(lián)合應(yīng)用大容量鋰電池與多點(diǎn)接觸充電系統(tǒng)進(jìn)行供電。用戶可以結(jié)合主觀需求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況選擇適宜的供電方式，一定要確保機(jī)器人供電過(guò)程的穩(wěn)定性、可靠性[4]。

（3） 多種智能化監(jiān)控手段

機(jī)器人本體上組裝了諸多現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方法，比如以3600全方位云臺(tái)為基礎(chǔ)形成的可見光視頻監(jiān)控以及熱成像監(jiān)控，確保機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電設(shè)備的視頻巡檢與紅外線測(cè)溫。

（4） 自檢功能

機(jī)器人可以執(zhí)行的自檢項(xiàng)目較多，包括自檢電源、驅(qū)動(dòng)、通信裝置等部件的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。若其突發(fā)異常狀況，則機(jī)器人便會(huì)即刻傳送出報(bào)警信號(hào)，并把具體故障相關(guān)信息上傳到監(jiān)控后臺(tái)。

（5） 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信

機(jī)器人內(nèi)置的通信設(shè)備最大的作用是確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程ed安穩(wěn)性、可靠性，維持了巡檢后臺(tái)與機(jī)器人之間信息的互動(dòng)、互通性，進(jìn)而為監(jiān)控后臺(tái)創(chuàng)造良好的用戶體驗(yàn)。

（6） 防碰撞

機(jī)器人內(nèi)裝設(shè)了防碰撞接觸設(shè)施，以防機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中和部分障礙物發(fā)生激烈碰撞。如果有人員或者物件和機(jī)器人的距離突破了安全距離，那么組裝在顯眼位置的警示燈便會(huì)不斷閃動(dòng)，對(duì)人員起到警示作用。

（7） 智能補(bǔ)光

如果輸煤廊道內(nèi)環(huán)境照度不夠時(shí)，補(bǔ)光系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)補(bǔ)光，借此方式使視頻的清晰度處于較高的水平。

（8） 遠(yuǎn)程語(yǔ)音對(duì)講

搭建了交互式實(shí)時(shí)對(duì)講平臺(tái)，配合應(yīng)用動(dòng)態(tài)降噪算法與防破音手段，即便是在高噪聲環(huán)境內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)清晰識(shí)別。

3.2智能巡檢系統(tǒng)的獨(dú)有功能

（1） 監(jiān)測(cè)有害氣體和粉塵

機(jī)器人要有監(jiān)測(cè)瓦斯、CO2、CO及煤粉濃度的功能，借此方式巡檢人員創(chuàng)造健康作業(yè)環(huán)境提供可靠的數(shù)據(jù)支持，并科學(xué)推測(cè)設(shè)備異常狀態(tài)。

（2） 紅外熱成像

在機(jī)器人巡檢范圍中，利用熱成像去動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度，利用后臺(tái)自動(dòng)分析判別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與廊道火災(zāi)預(yù)警，智能診斷系統(tǒng)能及時(shí)預(yù)警異常狀況。

（3） 全面監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)行狀態(tài)

首先，雖然在皮帶運(yùn)行時(shí)輸送帶撕邊、撕裂等故障問(wèn)題的發(fā)生率較高，但以上故障可能會(huì)造成十分嚴(yán)重的損失，推行輸送帶撕裂、撕邊檢測(cè)方案主要用于提前預(yù)警撕裂、撕邊情況。機(jī)器人利用固定高速相機(jī)捕捉、識(shí)別輸送帶的形狀改變情況，提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，利用圖形服務(wù)器并配合用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)智能化比較，結(jié)合應(yīng)用無(wú)線激光掃描與圖像識(shí)別技術(shù)，快速識(shí)別預(yù)警皮帶縱向撕裂情況，協(xié)助人工作出理性決策。高速攝像機(jī)采集頻率達(dá)到30 幀/秒，需支持最高3米/秒的監(jiān)測(cè)速度[5]。

其次，就地讀取控制柜開關(guān)狀態(tài)信息，具體是機(jī)器人的可見光攝像頭自動(dòng)辨識(shí)與存儲(chǔ)廊道中控制柜上的指示燈信息;在智能辨識(shí)技術(shù)的協(xié)助下，利用適宜算法分析處理圖像數(shù)據(jù)。機(jī)器人實(shí)時(shí)收集控制柜指示燈圖像信息，并快速將其傳送到服務(wù)器系統(tǒng)，智能生成設(shè)備

狀態(tài)巡檢報(bào)表。

再者，實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫功能。機(jī)器人內(nèi)部安裝了紅外熱成像儀，其能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電設(shè)備的全面掃描式測(cè)溫?？梢允虑安贾脭?shù)個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，針對(duì)重點(diǎn)設(shè)備，機(jī)器人能夠定時(shí)進(jìn)行測(cè)溫監(jiān)視，并完整的采集、存儲(chǔ)測(cè)溫圖片，智能生成每日測(cè)溫報(bào)表。一旦檢測(cè)發(fā)現(xiàn)某處超過(guò)預(yù)警溫度值時(shí)，能快速把相應(yīng)信息反饋到操作后臺(tái)，通知技術(shù)人員盡早處理。

再次，具備圖像辨識(shí)功能。機(jī)器人軟件可以依照采集系統(tǒng)收集到的圖像信息，實(shí)現(xiàn)智能化辨識(shí)對(duì)照，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)作狀態(tài)及環(huán)境條件的整體監(jiān)控，診斷判斷皮帶機(jī)及主要輔助裝置的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)生成報(bào)警信號(hào)，以供運(yùn)維管理人員應(yīng)用。

最后，檢測(cè)設(shè)備異常聲音。機(jī)器人結(jié)合上傳到移動(dòng)平臺(tái)上的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，判斷設(shè)備運(yùn)行時(shí)是否形成異響，實(shí)時(shí)報(bào)警。通常情況下，異常聲響是由基頻658 Hz左右的信號(hào)和相應(yīng)的諧波構(gòu)成。

（4） 設(shè)備振動(dòng)檢測(cè)

機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)安裝應(yīng)用了振動(dòng)傳感器探頭，能夠采集、對(duì)接及存儲(chǔ)電機(jī)、減速機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)信息，并分析設(shè)備的振動(dòng)頻譜，分離出和故障相關(guān)的信息，精準(zhǔn)判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障問(wèn)題。振動(dòng)傳感器的速度測(cè)量量程達(dá)到70mm/s，速度頻率10～1000Hz，加速度分辨率12㎎，采樣頻率達(dá)到5Ksps。故障識(shí)別流程見圖2[6]。

4輸煤廊道智能巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1） 多模塊分體結(jié)構(gòu)

既往有大量工程實(shí)踐證實(shí)，鏈條形構(gòu)型本體的通過(guò)性較好，在隧道狹長(zhǎng)的空間內(nèi)表現(xiàn)出較高的適用性;模塊化系統(tǒng)具備靈活調(diào)配資源的功能;重量實(shí)現(xiàn)了均衡化布置，軌道承載的負(fù)荷較小;為后續(xù)檢修、管理等工作推進(jìn)創(chuàng)造便利性。

（2） 圖像識(shí)別技術(shù)

其主要作用是辨識(shí)廊道內(nèi)皮帶跑偏、漏煤等故障問(wèn)題，并實(shí)時(shí)傳送出預(yù)警信號(hào)。

（3）故障音頻提取

輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)發(fā)出的噪音與異常工況下的噪聲有很大差異。利用拾音傳感器獲得輸送機(jī)托輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的噪聲，并把噪聲信息轉(zhuǎn)型成頻譜信息，和正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的頻譜樣本做對(duì)比分析，進(jìn)而精準(zhǔn)的獲得故障信息并傳送出預(yù)警信號(hào)，滿足輸煤廊道現(xiàn)場(chǎng)安全運(yùn)行的需求。拾音傳感器支持采樣頻率100～20000Hz，最高能夠抵達(dá)48kHz，在-40～80℃溫度條件下能正常運(yùn)作。

（4）無(wú)線測(cè)振傳感器

利用這種裝置測(cè)量廊道內(nèi)重要設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中形成的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并利用搭載在機(jī)器人上的無(wú)線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)安全的傳送到監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，顯著提升了振動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的精準(zhǔn)度，減少資金投入。

（3） 軌道結(jié)構(gòu)與機(jī)器人雙驅(qū)動(dòng)模式

利用這種方法增強(qiáng)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)爬升能力，這樣在不同樓層之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)化自主巡檢，借此方式確保機(jī)器人在輸煤廊道內(nèi)實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角式巡檢[7]。

（5）智能自動(dòng)預(yù)警技術(shù)

后臺(tái)管理系統(tǒng)能提供服務(wù)自主診斷功能，提供的功能有實(shí)時(shí)、接口及應(yīng)用服務(wù)等，用于監(jiān)測(cè)服務(wù)所在服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)。并且還提供系統(tǒng)自診斷界面，能協(xié)助用戶直接觀察系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)設(shè)備及服務(wù)的實(shí)際運(yùn)行狀況，并實(shí)時(shí)上傳預(yù)警信息。本系統(tǒng)選擇歷史數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，參照實(shí)時(shí)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，利用智能預(yù)警檢測(cè)算法，一旦實(shí)測(cè)值超出設(shè)計(jì)值或者實(shí)時(shí)狀態(tài)大聲異常時(shí)，巡檢系統(tǒng)便智能化的把報(bào)警通知發(fā)送到后臺(tái)，其中本地機(jī)器人系統(tǒng)能傳送出蜂鳴報(bào)警，借此方式使告警信息精準(zhǔn)度、可信度更高，減少對(duì)工作人員的依賴性。

結(jié)語(yǔ)

本課題內(nèi)設(shè)計(jì)研發(fā)了一種適用于輸煤廊道生產(chǎn)環(huán)境的機(jī)器人自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)廊道中粉塵、溫度、重要設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、異常振動(dòng)等信息，并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廊道現(xiàn)場(chǎng)的智能化監(jiān)測(cè)，明顯降低運(yùn)維人員的作業(yè)強(qiáng)度，全面提升巡檢工作效率，降低火災(zāi)等事故的發(fā)生率，維護(hù)了輸煤系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性、可靠性。

參考文獻(xiàn)

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李旭（1992年1月），性別：男，民族：漢，籍貫：江西南昌，研究方向：火電廠智能化研究與應(yīng)用