電纜隧道運(yùn)行中巡檢機(jī)器人的有效運(yùn)用

寶鋼湛江鋼鐵有限公司 張景忠

目前我國電纜隧道中出現(xiàn)最多的故障就是電纜老化、滲水、電纜自燃以及線纜老化腐蝕破損等問題，由于隧道環(huán)境特殊，在傳統(tǒng)的隧道巡檢過程中不僅工作難度大、人工巡檢成本高，且極易因人工失誤而出現(xiàn)安全隱患。隨著電纜隧道機(jī)器人巡檢的運(yùn)用，能用極短的時間確定出現(xiàn)故障的位置，并及時對故障進(jìn)行處理，不但能降低電纜火災(zāi)的發(fā)生，還能保證電能的正常輸出，避免相關(guān)操作人員受到一定的傷害。此外，在電纜隧道運(yùn)行中運(yùn)用機(jī)器人開展巡檢工作還能使輸電安全檢測的自動化進(jìn)程得到有效提升。

1 巡檢機(jī)器人現(xiàn)狀概述

1.1 巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代坦福研究所首先開發(fā)出了一種能夠自動移動的機(jī)器人。而隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，電巡檢機(jī)器人也隨之應(yīng)運(yùn)而生。這種機(jī)器人可通過手動進(jìn)行控制，工作空間不到1米，而工作深度卻能夠達(dá)到200米以上。隧道巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)使隧道的檢查工作流程變得更為簡單，大大提高了隧道巡檢的效率。隧道巡檢機(jī)器人將超聲波傳感、攝像機(jī)等多種方式結(jié)合起來在隧道內(nèi)進(jìn)行檢測。在我國對于電纜隧道巡檢機(jī)器人的研究相對起步比較晚，主要是將改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)器人作為主要研究方向，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，或是擴(kuò)展其承載的功能。

軌道巡檢機(jī)器人可借助自身攜帶的熱紅外成像儀及高清攝像頭等對隧道內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，幫助用戶了解隧道內(nèi)有害氣體、光照度、煙霧等具體數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控云平臺控制軌道巡檢機(jī)器人，并借助監(jiān)控平臺來控制機(jī)器人，包括數(shù)據(jù)接入、統(tǒng)計(jì)、GUS 定位、儲存及立體展示等。系統(tǒng)還具有火災(zāi)報(bào)警的能力，滅火機(jī)器人可在實(shí)際巡檢的過程中第一時間到達(dá)事故位置進(jìn)行火情處理。所以，電纜隧道環(huán)境下使用軌道巡檢機(jī)器人要明顯優(yōu)于其它類型機(jī)器人，更有利于保護(hù)隧道電纜。

1.2 我國電纜隧道巡檢的現(xiàn)狀

隨著電力的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)度的不斷推進(jìn)，越來越多的電廠、城市自己工礦相關(guān)企業(yè)都開始通過地下電纜隧道的方式來滿足日常的供電需求。這不僅減輕了地面電纜的鋪設(shè)，同時也緩解了道路交通中鋪設(shè)電纜的隱患。另一方面，采取隧道電纜鋪設(shè)方式還增加了電纜使用壽命，同時使電能在傳輸過程中可能發(fā)生的電氣事故隱患也明顯降低。然而通過地下隧道的方式鋪設(shè)電纜同樣也增加了電纜巡檢的難度，由于目前對現(xiàn)有電纜隧道的管理不完善，導(dǎo)致大部分的電纜隧道存在一定的火災(zāi)和有毒氣體等安全隱患。檢測人員若在日常巡檢過程中未按照相關(guān)規(guī)定佩戴好相應(yīng)的防毒、高溫等設(shè)備，則極易受到煙氣、高溫自燃有害氣體的影響而對生命造成威脅。

2 電纜隧道巡檢機(jī)器人相關(guān)技術(shù)分析

隧道巡檢機(jī)器人在整個電纜隧道巡檢工作中具有非常重要的作用。目前較為常用的巡檢機(jī)器人包括履帶機(jī)器人、輪式機(jī)器人、多足機(jī)器人及軌道機(jī)器人等。機(jī)器人的形式不同其所展現(xiàn)出來的特點(diǎn)也不相同。輪式機(jī)器人相比運(yùn)動結(jié)構(gòu)更為簡單，但具有靈活的轉(zhuǎn)向功能，機(jī)動性極高，通常適用于經(jīng)常移動的場所，如交通隧道的維護(hù)和檢修等情況[1]；履帶式的機(jī)器人更能適應(yīng)比較復(fù)雜的地面狀況，越障能力相對較強(qiáng)，其性能明顯要比輪式機(jī)器人更為優(yōu)越；導(dǎo)軌機(jī)器人在開展巡檢工作時主要是沿著事先制定好的路線行走，一般情況下會繞道直達(dá)目的地。而電纜隧道的主要特點(diǎn)就是空間較小，機(jī)器人在接近處在地面上的電纜時，由于空間不足常會直接翻過障礙物，但這種行為會對電纜自身的穩(wěn)定性帶來一定的影響，因此，使用路徑較為穩(wěn)定導(dǎo)軌機(jī)器人能有效避免對電纜帶來的傷害。

巡檢機(jī)器人主要是針對電纜隧道的特殊環(huán)境，對出現(xiàn)的電纜老化、滲水、腐蝕以破損等情況進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并發(fā)送警報(bào)。通過軌道巡檢機(jī)器人不但能夠降低風(fēng)險(xiǎn)，同時還能夠有效的提高巡檢工作效率，確保其電能輸出的可靠和穩(wěn)定性。目前巡檢機(jī)器人的主要技術(shù)包括以下幾點(diǎn)。

2.1 控制結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)相對較為靈活，主要是由數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程主機(jī)以及控制板組成，通常是采用鎂鋁合金制作而成，重量基本在10kg 以內(nèi)，封閉的外殼設(shè)計(jì)能能夠有效的保證機(jī)器人的涉水與防水能力。巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程主機(jī)能夠提供實(shí)時交互界面，將機(jī)器人采集的所有數(shù)據(jù)信息顯示出來，同時用戶端還可通過無線通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。機(jī)器人的主控制板中包含了其運(yùn)行的各種器件，例如處理器需要完成對巡檢電機(jī)以及導(dǎo)航的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎匾蝿?wù)，數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)則需要集成煙霧、有害氣體、溫濕度、光照度等傳感器和定位裝置，借助無線通信對所獲得的信息進(jìn)行處理，并及時將處理結(jié)果反饋給主控制板[2]。

2.2 驅(qū)動結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人在設(shè)計(jì)理念上主要是選用的輕量化的方式，在制作上采用密度小、性能好的材料，以此來降低工作的重心，同時用復(fù)合越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式與之配合，使得機(jī)器人整體不但操作簡單，而且越障性能良好，搭配擺臂進(jìn)行支撐就能夠輕松的越過隧道中可能出現(xiàn)的障礙物，并能夠順著電纜線進(jìn)行運(yùn)動，可控云臺配備高清攝像頭和紅外熱成像儀器，能夠輕松的將電纜隧道內(nèi)的實(shí)際影像及時的傳遞出去，形成實(shí)時監(jiān)控。

2.3 定位系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人最主要的基本功能就是定位，通過自帶的導(dǎo)航定位系統(tǒng)對隧道內(nèi)的位置進(jìn)行確定，能夠準(zhǔn)備的將電纜線路存在的故障點(diǎn)表示出來，在整個電纜隧道巡檢中具有非常重要的意義?，F(xiàn)階段，巡檢機(jī)器人中較常用的定位系統(tǒng)包括主被動標(biāo)識定位、有測程定位以及GPS 定位系統(tǒng)等。同時，通過導(dǎo)航定位也可對巡檢機(jī)器人的運(yùn)行路線進(jìn)行合理的規(guī)劃。電纜隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，巡檢機(jī)器人在運(yùn)行過程中需要跨越多種不同類型的障礙物，因此須借助導(dǎo)航與定位系統(tǒng)規(guī)劃出最為合理的行走路線，巡檢機(jī)器人自帶視覺傳感器，能通過電纜隧道內(nèi)部的環(huán)境信息來展開定位工作，具有極強(qiáng)的分辨力，探索范圍也相對會更廣，定位也更為精準(zhǔn)，能幫助電纜隧道巡檢機(jī)器人制定出最為科學(xué)的行走路線[3]。

2.4 故障排查

電纜隧道巡檢機(jī)器人的故障排查系統(tǒng)更加智能化，主要包括紅外技術(shù)探測以及視覺檢測等內(nèi)容。例如，隧道內(nèi)的沒有溫度過高的電纜，但通過圖像分析識別發(fā)現(xiàn)大部分的電纜都處于工作狀態(tài)，且高于45°，如果保持這種情況超過24小時則軟件平臺會發(fā)出提示性預(yù)警。根據(jù)電纜隧道自身獨(dú)特的環(huán)境要求，對整個工作過程進(jìn)行詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)出更為智能化的控制體系，確定后臺與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)信息互通，利用相應(yīng)的編程軟件來實(shí)現(xiàn)用戶端與巡檢機(jī)器人之間的實(shí)時圖像傳輸和數(shù)據(jù)信息的接收等功能。

3 電纜隧道巡檢機(jī)器人的特點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 電纜隧道巡檢機(jī)器人的特點(diǎn)

由于電纜隧道的內(nèi)部環(huán)境比較復(fù)雜，因此在對巡檢機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時需要滿足其能夠有效克服環(huán)境障礙、系統(tǒng)可靠、遠(yuǎn)程控制、移動載體高以及檢測環(huán)境等方面的要求。根據(jù)電纜隧道任務(wù)的實(shí)際要求規(guī)劃，電纜的履帶設(shè)計(jì)具有極高的優(yōu)點(diǎn)：首先，能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測，工作效率也相對較高，能夠節(jié)省下來更多的勞動力；其次，巡檢機(jī)器人的體積較小，結(jié)構(gòu)也相對較為簡單，具有極強(qiáng)的可操作性，運(yùn)動也更為靈活；最后，巡檢機(jī)器人具有極強(qiáng)的越障礙能力，能夠更好的開展巡檢工作。

3.2 電纜隧道巡檢機(jī)器人的工作過程

電纜隧道通常在地下且分布較多。隧道內(nèi)部常會出現(xiàn)淤積、滲水以及積水等情況，這也在一定程度上加大了隧道敷設(shè)的難度。由于在隧道敷設(shè)的過程中，極有可能會有碎片顆粒不能及時清理干凈，嚴(yán)重的影響了巡檢機(jī)器人的正常工作[4]。由于隧道內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，巡檢機(jī)器人需要較長的時間來進(jìn)行工作。機(jī)器人在隧道中開展工作時，不但要確保機(jī)器的靈活性，同時還要通過無限通信技術(shù)對其進(jìn)行檢測，在巡檢機(jī)器人正常工作時，需要保證其能量充足。

機(jī)器人自隧道的入口進(jìn)入，為了防止通信信號受到干擾，需要在隧道入口處安裝通信單元，操作人員可借助地面控制臺對機(jī)器的行走軌跡進(jìn)行控制，然后將其檢測到的聲音、溫度、有害氣體的濃度以及圖像等數(shù)據(jù)信息傳遞送給相關(guān)地面操作人員。在地下隧道運(yùn)行期間，機(jī)器人若遇到小石子或者積水、不平整等情況，可輕松的檢測出障礙的屬性，在繞道后繼續(xù)前行。

3.3 電纜隧道運(yùn)行中巡檢機(jī)器人的應(yīng)用

電纜隧道內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，通風(fēng)效果極差，而且線路一直處在運(yùn)行的狀態(tài)，很容易出現(xiàn)自然老化、腐蝕或者是受到一些生物的啃噬而出現(xiàn)火災(zāi)等情況，再加上隧道空間狹小，維修人員很難再第一時間進(jìn)入到隧道內(nèi)部開展巡檢工作，所以一旦有火災(zāi)等險(xiǎn)情出現(xiàn)，火勢將會迅速蔓延形成難以控制的局面。若不能及時的進(jìn)入現(xiàn)場展開救援控制火情，將會導(dǎo)致停電等事故，同時也會為后續(xù)的恢復(fù)工作帶來一定的困難，會對經(jīng)濟(jì)和社會帶來嚴(yán)重的損失。

運(yùn)用電纜隧道巡檢機(jī)器人則可有效的避免這一情況的發(fā)生。能夠及時精準(zhǔn)的確定火災(zāi)發(fā)生的位置，并且其自帶干粉滅火裝置，當(dāng)所處溫度達(dá)到一定數(shù)值時，電纜隧道巡檢機(jī)器人就會通過通信系統(tǒng)與地面取得聯(lián)系，接受地面遠(yuǎn)程控制平臺的指定，然后執(zhí)行指令發(fā)射滅火干粉開展救火行動。與此同時還可對出現(xiàn)老化、腐蝕以及破損的電纜進(jìn)行及時的修復(fù)和定位，進(jìn)而提高電纜的壽命，降低電纜火災(zāi)事故的出現(xiàn)概率，極大程度的降低對電纜造成的損害[5]。

除此之外，為了保證電纜巡檢機(jī)器人能夠在較為復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定安全運(yùn)行，巡檢機(jī)器人的所有控制程序接收和發(fā)送的指令都是通過無線網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的，通過巡檢機(jī)器人內(nèi)部的無線網(wǎng)卡以及后臺控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺計(jì)算機(jī)摸網(wǎng)絡(luò)連接。而在控制系統(tǒng)相應(yīng)的要求上，則是借助編程軟件設(shè)計(jì)出服務(wù)器與用戶端之間的通信軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)信息的無線傳播、實(shí)時采集等功能。

在電纜隧道巡檢機(jī)器人中，配備了具有極強(qiáng)的抗干擾能力、高帶寬、傳輸距離足夠遠(yuǎn)的相關(guān)通訊模塊?？蓪?shí)時的將電纜線路的圖像傳送到用戶端中。在隧道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)完成以后，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能性方面的測試。確定其具備一定的可靠性和合理性。通常會進(jìn)行翻越、爬坡、無線通訊等方面的測試分析，通過測試確保其能夠翻越設(shè)置的障礙物，成功爬坡，能夠明確控制臺下達(dá)的指令，可順利進(jìn)行電纜隧道巡檢工作，為電纜隧道巡檢提供保障。

圖1 電纜隧道巡檢機(jī)器人

4 結(jié)語

電纜隧道巡檢機(jī)器人在整個電纜隧道巡檢工作中發(fā)揮著非常重要的作用，多樣化的巡檢機(jī)器人能夠有效的精準(zhǔn)確定電纜出現(xiàn)故障的位置，提高巡檢的工作效率。隧道巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)作為自動化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，一直收到廣大研究人員的青睞。在科技迅速發(fā)展的時代，隧道巡檢機(jī)器人能夠搭載的設(shè)備、傳感器種類也會越來越多，相應(yīng)的電纜故障的診斷與排查效率也會隨之提高，精準(zhǔn)度也在不斷提升，自動機(jī)器人的應(yīng)用范圍也必然會越來越廣泛。