智能巡檢機器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

(湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學院,湖南 岳陽 414000)

0 引言

生產(chǎn)制造型企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備存在類型多、數(shù)量大、大部分設(shè)備存放在露天環(huán)境且往往沒有在一個平面中布置的情況。對設(shè)備進行工況下的監(jiān)測,是保證企業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要手段,也決定了生產(chǎn)的輸出質(zhì)量和效率。

巡檢是保證設(shè)備正常運行基礎(chǔ)且重要的一項日常工作,現(xiàn)階段國內(nèi)企業(yè)巡檢以傳統(tǒng)人工巡檢為主,但人工巡檢無法客觀、方便地掌握巡檢人員巡檢到位情況,存在多種問題[1]。人工巡檢記錄信息數(shù)字化程度低的情況,存在設(shè)備運行工況和運行參數(shù)等歷史數(shù)據(jù)無法有效查詢、利用等問題,對后期設(shè)備的維護保養(yǎng)及選型升級等的實施無法提供直接幫助[2]。因此,國內(nèi)已有不少企業(yè)在研究如何利用智能巡檢機器人來替代傳統(tǒng)人工巡檢,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的升級改造[3]。

1 國外巡檢機器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

20世紀50年代,美國人Dvor和Engelberg經(jīng)過反復試驗改造后發(fā)明了世界上第一臺工業(yè)機器人,其技術(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展。自此以后,世界各國都致力于工業(yè)機器人的研究與發(fā)展。巡檢機器人作為機器人的分支,能替代人類在危險、惡劣及人所不能到達的場合開展巡檢工作[4]。

國外巡檢機器人開展較早,電力行業(yè)智能巡檢機器人的研究使用最為成熟,如2012年新西蘭電網(wǎng)公司與梅西大學合作研發(fā)了全地形變電站巡檢機器人(圖1)[2],該機器人由4個電機驅(qū)動,36 V鋰電池供電,機器人車體設(shè)置機械臂,攜帶攝像機對目標進行拍攝巡檢,該設(shè)備通過人工遙控操控工作[5]。國外巡檢機器人技術(shù)目前在安防巡檢、家庭服務、電力巡檢等方面均已進入商業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度。在石化領(lǐng)域,開發(fā)更加有效的測量傳感器和復雜環(huán)境下有效避障執(zhí)行作業(yè)技術(shù)是目前仍需要解決的問題,此外國外多套巡檢機器人組合為巡檢機群進行多區(qū)域協(xié)同巡檢作業(yè),針對生產(chǎn)設(shè)備巡檢大數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)方面,目前國外研發(fā)較少[6]。

圖1 殼牌工程師與卡耐基梅隆大學共同研發(fā)應用于爆炸環(huán)境的機器人

圖2 國內(nèi)防爆巡檢機器人

2 國內(nèi)巡檢機器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國針對巡檢機器人研究最早始于1999年山東開展的變電站巡檢機器人,于2001年首次提出了在變電站應用移動機器人技術(shù)進行設(shè)備巡檢的想法,在2005年10月研制出國內(nèi)首臺產(chǎn)品樣機并應用在長清變電站500 kV巡檢作業(yè)[7]。經(jīng)過多年研究,智能巡檢機器人逐步取得了一定的發(fā)展成果,尤其是智能巡檢機器人在電力行業(yè)變電站中的應用[8]。截止2019年底,國內(nèi)巡檢機器人行業(yè)市場規(guī)模已經(jīng)超過5 500億元,相比2018年增長25%,巡檢機器人行業(yè)市場需求旺盛,同時“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的應用,為巡檢機器人帶來了更大的發(fā)展空間[9]。2023年5月份北京舉辦的“第23屆中國國際石油石化技術(shù)裝備展覽會”上,七騰機器人有限公司(簡稱“七騰機器人”)攜防爆工業(yè)輪式巡檢機器人高性能版本、防爆工業(yè)四足機器人兩款全新產(chǎn)品亮相,新產(chǎn)品有效助力石油、工業(yè)等行業(yè)的生產(chǎn)安全[3]。國家工信部《機器人“十四五”產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》中指出“面對新形勢新要求,未來5年乃至更長一段時間,是我國機器人產(chǎn)業(yè)自立自強、換代跨越的戰(zhàn)略機遇期?！北仨殦屪C遇,直面挑戰(zhàn),加快解決技術(shù)積累不足、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、高端供給缺乏等問題,推動機器人產(chǎn)業(yè)邁向中高端[10]。

3 生產(chǎn)裝置巡檢現(xiàn)狀及巡檢機器人優(yōu)勢

3.1 巡檢現(xiàn)狀

企業(yè)的生產(chǎn)裝置流程處理設(shè)備復雜且分布較廣,裝置的大部分設(shè)備為露天環(huán)境布置。目前,各生產(chǎn)型企業(yè)通用的巡檢方式有常規(guī)人工巡檢、設(shè)定固定點實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)定固定點實現(xiàn)智能化巡檢三種[11]。

3.1.1 常規(guī)人工巡檢

以常規(guī)人工巡檢、關(guān)鍵設(shè)備定點定時巡檢為主,輔以智能化監(jiān)測手段計劃巡檢。傳統(tǒng)的人工巡檢,往往存在流于形式、重復多人檢測、巡檢記錄容易出現(xiàn)誤差,甚至錯誤,設(shè)備反復開啟、關(guān)閉等情況。對于石化企業(yè)生產(chǎn)裝置的特殊設(shè)備部位,有時人工難以進入(受空間、危險性、毒性等各方面因素影響)會導致隱患不能被及時發(fā)現(xiàn)等問題。同時石化生產(chǎn)裝置往往設(shè)備數(shù)量多,設(shè)備隱患檢查的流程較長,這樣就使得常規(guī)人工巡檢模式耗費的人力資源較大,人力成本很難得到有效控制[1]。

3.1.2 設(shè)定固定點實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控

設(shè)定固定點定期巡檢的方法,能夠定期檢測設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點的工作情況,在一定程度上解決了人工巡檢不到位和工作流于表面的情況,但是由于測定點的位置固定,采集方式單一,使得此種方式工作無法達到人工巡檢過程中“聽、摸、看、聞”的實際效果,只能通過收集設(shè)備節(jié)點的數(shù)據(jù)來判斷,有一定的技術(shù)局限。因此這種方式的實用性及應用廣泛性欠佳。

3.1.3 設(shè)定固定點實現(xiàn)智能化巡檢

設(shè)定固定點實現(xiàn)智能化巡檢,是一種建立在信息點巡檢系統(tǒng)基礎(chǔ)上的智能巡檢方式。結(jié)合各類傳感器的智能化控制優(yōu)勢,同時具備了人工巡檢和固定點定期巡檢的優(yōu)點,并且能夠解決人工巡檢和固定點采集信息存在的問題[6]。但是智能巡檢系統(tǒng)也存在一定的缺陷,當智能巡檢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障時,依然要依靠技術(shù)人員來做維修和保養(yǎng),工作人員的安全性依然很難得到有效保障。

3.2 巡檢機器人優(yōu)勢

有效降低巡檢方式危險性就成為當前智能巡檢系統(tǒng)建設(shè)需要突破的技術(shù)瓶頸。

鑒于此,目前部分企業(yè)巡檢工作已經(jīng)逐步向著智能化、一體化的檢測方向邁進,也因此催生了可移動式、智能化的巡檢檢測技術(shù)。

企業(yè)生產(chǎn)裝置往往因其內(nèi)部、外部的環(huán)境都不適于人工巡檢,具備可移動功能的智能巡檢機器人代替人工巡檢后,較好地克服了以上幾種巡檢方式存在的缺陷,其優(yōu)勢體現(xiàn)的較明顯:

1)能較大幅度地為企業(yè)減少人力資源支出。機械結(jié)構(gòu)的巡檢機器人能夠24 h連續(xù)不間斷地對各隱患處進行檢查,同時對人工不能到達的路徑,實現(xiàn)全方位、全區(qū)域的路徑規(guī)劃巡檢,能有效地減少傳統(tǒng)人工巡檢誤差率,解決人工巡檢低能低效的現(xiàn)狀,同時大大減少一線巡檢崗位所需的操作工人數(shù)。這對企業(yè)人力資源成本控制及績效產(chǎn)出有著明顯的效果。

2)巡檢機器人能夠到達人工所不能到達的位置,提高巡檢的精準性。對于企業(yè)生產(chǎn)裝置部分存儲有毒有害氣液體的設(shè)備,或溫度過高、空間過于狹小不適宜人工巡檢的位置。采用巡檢機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力,在一定程度上提高了巡檢工人的安全性,降低了環(huán)境對人身的隱患。

3)巡檢機器人檢測精度較高,響應時間少,可提高危情處置效率。機器人機身設(shè)計搭載各樣傳感器。通過聲音、光、溫度及液位能及時將隱患信號通過氣體數(shù)據(jù)采集罩、可見光圖像采集攝像機、紅外熱成像儀裝置及聲音采集裝置等采集設(shè)備檢測各項數(shù)據(jù),通過云端傳輸至后臺總控室,計算機進行分析處理,故障預判同時生成檢修預案。

4 巡檢機器人未來發(fā)展趨勢

巡檢機器人在檢測技術(shù)方面起步較晚,但隨著《機器人“十四五”產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》的發(fā)布,機器人在各行各業(yè)的投入應用及發(fā)展是迅速的,巡檢機器人在企業(yè)的應用,如自動或半自動移動能力,進一步提高對采集各項數(shù)據(jù)的敏感性、對各項數(shù)據(jù)進行自動識別,縮短數(shù)據(jù)響應時間,提高在特殊環(huán)境下的使用壽命等方向發(fā)展。

4.1 智能路徑導航

智能路徑導航模塊是巡檢機器人的重要組成部件。區(qū)別于路況復雜而難以實現(xiàn)的無人駕駛汽車技術(shù),巡檢機器人要實現(xiàn)智能路徑導航就顯得相對容易。首先將生產(chǎn)裝置平面圖放入控制中心數(shù)據(jù)庫,機器人導航控制模塊可以根據(jù)控制中心平面圖參數(shù)(設(shè)備位置、距離)來判斷方向及距離,自動形成規(guī)劃路徑。移動過程中可用激光雷達來判斷距離,通過伺服控制系統(tǒng)來實現(xiàn)加速、減速及方向的改變。路徑規(guī)劃指定位置后,如雷達探測距設(shè)備表面仍有一定距離,而巡檢機器人無法進一步靠近時,巡檢機器人還可利用機械臂的伸展來改變探測距離,從而進一步增加巡檢空間及檢測數(shù)據(jù)的精準度。機械臂可以有效解決巡檢機器人在移動過程中由機械障礙使得機器人移動距離出現(xiàn)誤差,從而影響探測精準度的問題。

4.2 數(shù)據(jù)采集多樣化

生產(chǎn)設(shè)備的溫度、壓力、氣體排放濃度及工作中的振動情況,都是設(shè)備健康狀況的重要體現(xiàn)。高性能的傳感模塊如同“聽診器”,有效將相關(guān)信號轉(zhuǎn)換成電信號傳輸至控制中心。應用于生產(chǎn)裝置的巡檢機器人,機體一般安裝紅外攝像頭、可視攝像頭、噪聲傳感器、振動傳感器、硫化氫監(jiān)測器、超聲檢測器等設(shè)備?？紤]生產(chǎn)裝置生產(chǎn)連續(xù)性,機器人機體還需安裝夜視控制系統(tǒng)。在不久的將來,隨著機器人在生產(chǎn)裝置的大量應用及普及,巡檢機器人與裝置技術(shù)員的配合將更加默契,技術(shù)員可隨時根據(jù)實際生產(chǎn)情況增加或減少巡檢機器人“佩戴”的各類檢測裝置,從而讓機器人更輕便、更精準的進行巡查和探測工作。

4.3 智能識別

正如人的大腦可以控制四肢及軀干等進行各種活動,未來巡檢機器人自動化程度也會進一步提高。四肢和軀干對外界的應激反應信號傳到大腦當中,由大腦作出預判并傳達指令。巡檢機器人的工作原理也大致如此[11],具有不同功能的各個子識別模塊,通過采集泄漏氣體以及液體的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳到智能識別模塊中,模塊將數(shù)據(jù)與預設(shè)值進行比較,從而判斷設(shè)備故障及泄漏情況。高光譜紅外識別熱像儀不但能對泄露氣體的濃度進行測量,還能夠準確定位泄漏位置。液體識別模塊則根據(jù)泄露液體的顏色、流動速度以及面積大小等情況進行綜合預判,再通過數(shù)據(jù)計算判斷出泄漏嚴重程度。未來巡檢機器人的發(fā)展方向還會向語音識別方面發(fā)展,增強人機間的互動[12]。中控室工作人員通過語音指令直接操控機器人各種行為,從而更好的提高機器人的工作適應性。

4.4 數(shù)據(jù)響應速度

通信模塊是巡檢機器人與中控室之間傳輸信息的重要載體。未來巡檢機器人的發(fā)展趨勢,中控室技術(shù)人員可以坐在后臺利用實時通信模塊,實時指揮巡檢機器人完成各類工作任務。利用GPS定位來判斷機器人的實際位置,5G網(wǎng)絡的深入應用,進一步加快了數(shù)據(jù)響應速度[13]。據(jù)此,機器人與后臺技術(shù)人員可同步實施遠程遙控在線巡檢,實時發(fā)現(xiàn)問題,且能夠第一時間進行故障預判并處理。在有些不適合人到達的場合(有毒、高溫),技術(shù)員遠程操作巡檢機器人來處理設(shè)備隱患,也可有效減少人身傷害,同時提高工作效率[14]。

4.5 機器人自我“保護”能力

生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)環(huán)境往往對巡檢機器人的機械、電氣結(jié)構(gòu)有一定的腐蝕性,設(shè)備泄漏的氣體、液體容易加快巡檢機器人精密探頭的損壞程度。從平面上分析,各類裝置的位置也容易使得巡檢機器人在移動過程中出現(xiàn)磕碰、跌倒的情況,從而導致傳感設(shè)備損壞。那么在未來巡檢機器人的升級過程中,機器人加強自我防護能力及提高使用壽命的設(shè)計是關(guān)鍵。從巡檢機器人所使用的材料上,需要研發(fā)設(shè)計出具有極強防腐蝕、防高溫、防水、防塵等能力的特殊材料。在移動過程中,控制中心要能夠智能判斷是否要急停、避讓、轉(zhuǎn)向和防跌,必要時可以及時報警來減少對本體的損傷[15]。

5 生產(chǎn)裝置巡檢機器人發(fā)展趨勢

在生產(chǎn)型企業(yè)當中,應用巡檢機器人代替人工巡檢有著顯著優(yōu)勢,但要真正將其普及,還是面臨著一些技術(shù)攻關(guān)問題。

1)巡檢機器人不能僅限于平面巡檢,要具備“爬樓”能力。生產(chǎn)裝置往往具有緊湊的結(jié)構(gòu),其設(shè)備不會在一個平面內(nèi)擺放,因此巡檢機器人還需具有“爬樓”的功能[16]。

2)生產(chǎn)設(shè)備由于其特殊性,巡檢機器人在執(zhí)行工作過程當中受到強磁干擾的情況是不可避免的,在數(shù)據(jù)采集傳輸過程當中,網(wǎng)絡信號的中斷會延遲故障信息獲取及處理的時間。

3)當前大多數(shù)巡檢機器人僅能對氣體的濃度、液體液位及密度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行信息采集,對氣體、液體性質(zhì)的判斷則較難實現(xiàn)。需要進一步的在實踐探索中實施技術(shù)攻關(guān),來突破技術(shù)瓶頸。