巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)研究

李杭　王戰(zhàn)

摘要：筆者通過實(shí)地考察浙江能源嘉華電廠，閱讀分析了大量國內(nèi)外相關(guān)案例后，研究開發(fā)了一套巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)巡檢，接收紅外、紫外線光譜，能自動(dòng)探測(cè)明火，自動(dòng)報(bào)警并完成應(yīng)急處置裝置響應(yīng)動(dòng)作，在事故初期就作出應(yīng)急處置。相較于市面上已有機(jī)器人更加智能化。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人;光譜自探測(cè);智能感知;應(yīng)急處置

一、研究背景和意義

（一）研究背景

電力能源與國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、社會(huì)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，這對(duì)能源行業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的安全性、可靠性提出了更高的要求。電廠是能源產(chǎn)業(yè)非常重要的組成部分，電廠設(shè)備的穩(wěn)定、安全運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障，因此電廠設(shè)備的運(yùn)維巡檢是非常重要的工作。

目前，電廠設(shè)備安全巡檢作業(yè)方式主要包括：人工巡檢和機(jī)器人巡檢。人工巡檢是工作人員攜帶檢測(cè)設(shè)備對(duì)高壓設(shè)備和電力輸電線進(jìn)行監(jiān)視。由于電廠電力設(shè)備或輸電線路所處地理位置十分復(fù)雜，增加了人工巡檢的難度，人工巡檢方法不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、檢測(cè)精度低、可靠性差、成本高，而且對(duì)許多高壓設(shè)備或輸電線路存在的安全隱患不易發(fā)現(xiàn)。隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，將機(jī)器人技術(shù)與電力應(yīng)用相結(jié)合，為電網(wǎng)的維護(hù)提供了新的巡檢方式，即機(jī)器人巡檢代替人工巡檢，極大地提高了工作效率。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前市面上的巡檢機(jī)器人仍存在一些不足，當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，機(jī)器人只能夠?qū)崿F(xiàn)異常報(bào)警，不能夠在事故發(fā)生初期就進(jìn)行應(yīng)急處置，若異常位置較遠(yuǎn)且過于隱蔽，等應(yīng)急人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，已經(jīng)錯(cuò)過了最佳應(yīng)急時(shí)機(jī)，事故仍會(huì)造成巨大損失。因此，研究開發(fā)一套巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)勢(shì)在必行，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有巡檢機(jī)器人的不足，更智能、更全面地實(shí)現(xiàn)電廠電力設(shè)備的無人化巡檢需求。

（二）研究意義

伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，社會(huì)用電量不斷提升，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高挑戰(zhàn)，變電、輸電、配電等電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的巡檢需求進(jìn)一步提高。目前大多數(shù)電力公司仍主要采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，即利用看、聽、聞等感知手段，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查驗(yàn)和記錄，此種方式存在著人力成本高、巡檢手段單一、巡檢數(shù)據(jù)主觀性強(qiáng)、受天氣影響大、數(shù)據(jù)管理分散等問題，逐漸無法滿足準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高頻率的電力設(shè)備巡檢需求。在電力公司日常運(yùn)行發(fā)電工程中，如果巡檢不徹底、不及時(shí)，電力設(shè)備的高負(fù)荷運(yùn)行，容易引發(fā)配電室火災(zāi)，極大的威脅了電力公司的安全生產(chǎn)和人員安全。因此，有部分電廠已經(jīng)采用機(jī)器人巡檢代替人工，使人力、物力投入大幅度減少，有效防止了電氣過載和現(xiàn)場(chǎng)跑冒滴漏等問題引發(fā)的事故。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市面上的巡檢機(jī)器人只是單一地代替人工，并不能在異常情況發(fā)生時(shí)就迅速作出應(yīng)急響應(yīng)。若緊急情況發(fā)生，等待應(yīng)急人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，事故往往已經(jīng)難以控制，仍然會(huì)造成巨大損失。所以，筆者開發(fā)設(shè)計(jì)了一套巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了目前市面上所存在巡檢機(jī)器人的日常巡檢功能，還具有應(yīng)急處置功能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況，例如設(shè)備溫度過高、電氣過載、現(xiàn)場(chǎng)跑漏等，可在第一時(shí)間作出應(yīng)急措施，極大地減少事故發(fā)生概率，降低電廠損失，本系統(tǒng)也具有很好的市場(chǎng)前景和實(shí)際意義。

（三）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電廠巡檢機(jī)器人主要應(yīng)用于高壓配電室，對(duì)配電室設(shè)備進(jìn)行非接觸式帶電監(jiān)視與巡檢，將機(jī)器人技術(shù)、行為規(guī)劃技術(shù)、巡檢技術(shù)等相結(jié)合，代替或輔助人工完成變電站設(shè)備巡檢作業(yè)。機(jī)器人通信聯(lián)動(dòng)技術(shù)使得機(jī)器人在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)異樣即可聯(lián)動(dòng)應(yīng)急處置裝置。

電廠巡檢機(jī)器人研究工作始于20世紀(jì)80年代，日本、加拿大等發(fā)達(dá)國家先后開展了電廠配電室巡檢機(jī)器人的研究工作。到了90年代，國內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和電力公司陸續(xù)開展了電廠巡檢機(jī)器人的研究工作，并研發(fā)了一種基于雙軌道式變電站巡檢機(jī)器人BIG MOUSE，該巡檢機(jī)器人適用于500kV變電站，其檢測(cè)系統(tǒng)配置云臺(tái)、輔助照明，以及可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀等信息采集設(shè)備，可自主獲取變電站設(shè)備信息，但是由于一些關(guān)鍵技術(shù)等問題，僅在少數(shù)電廠進(jìn)行了試用，并停止了后續(xù)的研發(fā)。隨后隨著科技的進(jìn)步，電廠巡檢機(jī)器人得到了快速的發(fā)展。

目前，市面上的巡檢機(jī)器人都只是代替了人工進(jìn)行單一的巡檢，是一種基于自主導(dǎo)航與定位、自主充電的全天候室外移動(dòng)平臺(tái)，攜帶可見光攝像儀、紅外熱像儀、拾音器等多種檢測(cè)設(shè)備，以非接觸方式采集變電站設(shè)備信息，通過圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備過熱、外觀異常、開關(guān)分合狀態(tài)的識(shí)別，可完成配電室儀表、油位計(jì)指針位置讀數(shù)的識(shí)別。發(fā)現(xiàn)異常，只能實(shí)現(xiàn)報(bào)警和數(shù)據(jù)上報(bào)，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處置，會(huì)錯(cuò)失防止事故發(fā)生的最佳時(shí)機(jī)。綜上所述，電廠巡檢機(jī)器人仍存在很大的發(fā)展空間，現(xiàn)研究開發(fā)一套巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但具備傳統(tǒng)機(jī)器人的巡檢功能，還集成了紅外光譜自探測(cè)處置裝置，可對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，極大地減少事故發(fā)生的概率。

二、系統(tǒng)概述

（一）功能簡(jiǎn)述

巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)應(yīng)急處置系統(tǒng)面向各大發(fā)電廠配電室、泵房等場(chǎng)所的安檢工作需求。主要功能有：

（1）實(shí)時(shí)進(jìn)行紅外線接收。

（2）自動(dòng)探測(cè)明火火焰、高溫區(qū)域。

（3）異常自動(dòng)報(bào)警。

（4）應(yīng)急處置裝置自動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位。

（5）自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)開閥門噴射。

（6）自動(dòng)閉閥復(fù)位，遠(yuǎn)程控制等。

（二）相比于普通巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1.普通巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

現(xiàn)有的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)模式單一，只是簡(jiǎn)單的代替人工進(jìn)行日常巡檢，在事故發(fā)生初期，機(jī)器人發(fā)出報(bào)警，不能夠進(jìn)行應(yīng)急處置。若異常區(qū)域較遠(yuǎn)、區(qū)域隱蔽，或人員不好進(jìn)入，則不能在第一時(shí)間進(jìn)行處置，錯(cuò)過最佳的救援時(shí)機(jī)，造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至人員傷亡。所以仍具有一定的局限性和優(yōu)化空間。073338A2-ABD6-4819-8ACD-7AE2FED2902A

2.巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)不但具有普通巡檢機(jī)器人的巡檢功能，還集成了一套光譜自探測(cè)應(yīng)急處置裝置，具有自動(dòng)控制功能，當(dāng)機(jī)器人發(fā)出報(bào)警，應(yīng)急處置裝置立即動(dòng)作，若設(shè)備溫度過高，設(shè)備出現(xiàn)明火，應(yīng)急處置裝置可實(shí)現(xiàn)智能滅火，極大地降低了事故發(fā)生概率，減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。相比較于普通巡檢機(jī)器人更加智能、更加全面，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

（三）系統(tǒng)的通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介和功能特點(diǎn)

1.網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可以滿足機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)應(yīng)急處置系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備實(shí)時(shí)、高效、安全以及應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信需求：機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)應(yīng)急處置系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收來自第三方機(jī)器人管控平臺(tái)的控制指令，包括遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的啟動(dòng)與停止，控制光學(xué)傳感器、紅外傳感器等，也能夠?qū)崟r(shí)接收來自云端機(jī)器人操作系統(tǒng)的自動(dòng)更新。機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)應(yīng)急處置系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)向第三方機(jī)器人管控平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，光譜傳感系統(tǒng)可以向巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)應(yīng)急處置系統(tǒng)和第三方機(jī)器人管控平臺(tái)發(fā)送傳感知信息數(shù)據(jù)，反饋現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)作狀態(tài)。

2.機(jī)器人平臺(tái)應(yīng)急裝置的功能特點(diǎn)

（1）自動(dòng)控制功能：應(yīng)急裝置具有完成全方位監(jiān)控、探測(cè)火情、定位判定火源、啟動(dòng)系統(tǒng)、定位噴射、持續(xù)噴射、停止或重復(fù)啟閉噴水等全過程的控制能力（當(dāng)機(jī)器人平臺(tái)處在半自動(dòng)狀態(tài)下，能自行預(yù)警定位，不噴射介質(zhì)，需要總控確認(rèn)命令進(jìn)行噴射）。該裝置由自行探測(cè)定位裝置和介質(zhì)容器以及軟件系統(tǒng)組成，應(yīng)急滅火過程不需依賴手工操作。整個(gè)系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、火災(zāi)確認(rèn)、應(yīng)急啟動(dòng)系統(tǒng)、應(yīng)急噴射至停止噴射的全過程都是主動(dòng)完成的。

（2）遠(yuǎn)程控制手動(dòng)狀態(tài)：通過機(jī)器人可見光AI視覺識(shí)別煙火預(yù)警或者熱成像高溫預(yù)警定位功能，在機(jī)器人終端軟件應(yīng)急處置窗口結(jié)合圖像定位的熱煙火區(qū)域，操作窗口可以對(duì)應(yīng)急裝置進(jìn)行左右控制旋轉(zhuǎn)、啟動(dòng)噴射、停止、視頻監(jiān)控等操作。

（3）遙控控制功能：通過應(yīng)急預(yù)警裝置專用遙控器可以對(duì)裝置進(jìn)行啟動(dòng)、停止、手動(dòng)定位等操作。

（4）工作狀態(tài)指示功能：電源指示、機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)指示、通信數(shù)據(jù)發(fā)送、火情指示等。

（5）自定位功能：應(yīng)急裝置感應(yīng)火源，啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)尋找火源時(shí)，通過程序特殊處理，遇到火點(diǎn)后運(yùn)算定位確定火源，使火點(diǎn)最終定位更加準(zhǔn)確，可增加計(jì)算機(jī)圖文管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更直觀地操作。

（6）智能感知：AI三檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)應(yīng)急處置系統(tǒng)平臺(tái)搭載多種光譜傳感器設(shè)備對(duì)電廠現(xiàn)場(chǎng)火情數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、檢測(cè)等。

（7）應(yīng)急處置：當(dāng)監(jiān)控范圍內(nèi)發(fā)生火情時(shí)，該裝置系統(tǒng)能迅速捕捉到火情信息并上傳到系統(tǒng)平臺(tái)，在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確定位并進(jìn)行應(yīng)急噴射，噴射后自動(dòng)閉合閥門，不會(huì)造成大量污染，甚至火災(zāi)后的水漬災(zāi)害。如果火勢(shì)復(fù)燃，該系統(tǒng)會(huì)重新啟動(dòng)，進(jìn)行循環(huán)滅火。

3.光譜傳感機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)介紹

當(dāng)光譜探測(cè)傳感器接收到微小火苗中的紅紫外線后，緊急預(yù)警傳輸?shù)綑C(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)置的控制處理中心，同時(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的水平電機(jī)進(jìn)行設(shè)備旋轉(zhuǎn)，通過窄縫光譜分析定位法進(jìn)行水平定位，同時(shí)在自動(dòng)狀態(tài)下自行啟動(dòng)自帶閥門和微型高壓倉，對(duì)準(zhǔn)著火點(diǎn)的火苗進(jìn)行介質(zhì)噴射，噴射過程有左右5°的角度搖擺，以確保延緩火勢(shì)的發(fā)展，同時(shí)發(fā)出聲光警報(bào)等一系列的預(yù)警措施。

該應(yīng)急救援滅火系統(tǒng)具備較高的智能性，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、紅外、紫外傳感技術(shù)、信號(hào)處理及判別技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)電控制自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，具有全方位火焰光譜監(jiān)控、探測(cè)火災(zāi)、定位火源、啟動(dòng)泡沫/干粉滅火系統(tǒng)、持續(xù)噴射、重復(fù)啟閉等全過程的控制能力。同時(shí)，該裝置由自行探測(cè)定位裝置和介質(zhì)容器以及軟件系統(tǒng)組成，應(yīng)急滅火過程不需依賴手工操作。整個(gè)系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、火災(zāi)確認(rèn)、應(yīng)急啟動(dòng)系統(tǒng)、應(yīng)急噴射至停止噴射的全過程都是自動(dòng)完成的。當(dāng)監(jiān)控范圍內(nèi)發(fā)生火情時(shí)，該裝置系統(tǒng)能迅速捕捉到火災(zāi)信息上傳到系統(tǒng)平臺(tái)，在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確定位、應(yīng)急噴射，滅火劑使用率高，噴射后自動(dòng)閉合閥門，不會(huì)造成大量污染或水漬危害。如果發(fā)生復(fù)燃，該系統(tǒng)還會(huì)重新啟動(dòng)，循環(huán)滅火。此外，該系統(tǒng)還具有安裝簡(jiǎn)單、工期短、外形美觀等特點(diǎn)。

（四）系統(tǒng)綜合管理

1.運(yùn)行模式

系統(tǒng)應(yīng)支持全自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制模式。全自動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)探測(cè)、自動(dòng)定位、自動(dòng)滅火、自動(dòng)復(fù)位。遠(yuǎn)程控制模式是可通過后臺(tái)機(jī)器人平臺(tái)軟件的控制窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急裝置的遠(yuǎn)程控制，包括：控制方向、遠(yuǎn)程噴射、復(fù)位等。

2.系統(tǒng)安全

系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)分區(qū)、訪問控制、安全審計(jì)、運(yùn)維審計(jì)等方面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，各個(gè)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案應(yīng)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)內(nèi)容，以便統(tǒng)一納入公司互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系。

三、系統(tǒng)的硬件要求

（一）工作環(huán)境

在如下工作環(huán)境中機(jī)器人能正常工作：

工作環(huán)境溫度：+1℃～+55℃;

相對(duì)濕度：≤92%。

（二）傳感裝置

傳感裝置至少包含以下類型：

1.紅紫外線光譜傳感器

AE-S708/4和AE-S708/5紅外熱釋電傳感器通過兩個(gè)工作于不同波段的紅外熱釋電傳感器將火焰燃燒參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，之后將信號(hào)輸入工業(yè)計(jì)算芯片進(jìn)行比較、運(yùn)算和處理，配合IrⅡdetecter@anysafe專用智能控制軟件，可以及時(shí)發(fā)出信號(hào)，監(jiān)視狀態(tài)≤15mA，報(bào)警狀態(tài)≤35m。采用傳感器硬件補(bǔ)償和智能軟件補(bǔ)償結(jié)合模式，可有效補(bǔ)償因溫度、環(huán)境變化和元器件長期工作產(chǎn)生的漂移，可有效抑制非火焰干擾源的影響，如陽光（直射和反射）、常用人工光源、背景輻射源、熱移動(dòng)物體、電焊等。電路部分主要包括傳感器、低噪聲放大器、工業(yè)處理單元、外圍輸出和驅(qū)動(dòng)電路、電源和EMC電路等。

2.微型可見光攝像機(jī)

支持PC linux系統(tǒng)，可集成于嵌入式設(shè)備中。支持外觸發(fā)閃光燈同步拍，一臺(tái)電腦接多個(gè)相機(jī)可穩(wěn)定工作，長時(shí)間下不掉線、不丟幀。SUA全系列支持U3VISION協(xié)議，可無縫支持HALCON、LabVIEW等視覺軟件。

四、結(jié)語

文章結(jié)合現(xiàn)有研究成果，詳細(xì)敘述了巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)的主要功能和技術(shù)參數(shù)，充分展示了機(jī)器人集成應(yīng)急處置裝置的巨大優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。利用機(jī)器人在發(fā)電廠對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行巡檢，是配電室巡檢的一種技術(shù)手段，是智能電網(wǎng)發(fā)展的方向，也是特種機(jī)器人研究的新應(yīng)用領(lǐng)域。因此，具備應(yīng)急處置功能的巡檢機(jī)器人必將迎來新的市場(chǎng)熱潮。

本系統(tǒng)仍有繼續(xù)優(yōu)化的空間，比如系統(tǒng)硬件性能的再優(yōu)化，應(yīng)急處置系統(tǒng)的響應(yīng)速度再提升，以及整個(gè)巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)集成程度的再提高，擁有更好性能的同時(shí)又具有更小的體積，以實(shí)現(xiàn)對(duì)更加惡劣、狹小環(huán)境實(shí)行巡檢保護(hù)。總之，巡檢機(jī)器人安全應(yīng)急紅外線光譜自探測(cè)處置系統(tǒng)具有很廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。

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