智能巡檢機(jī)器人在大壩廊道運(yùn)維中的應(yīng)用研究

張德會(huì)，賈青龍，盧金波，胡曉連，梁國(guó)清，羅金霞

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000）

為確保大壩安全，需要對(duì)壩基廊道進(jìn)行長(zhǎng)期巡檢。但壩基廊道環(huán)境復(fù)雜、線路冗長(zhǎng)，且廊道內(nèi)存在墻體滲漏、地面積水、有害氣體聚集等多種不確定因素，極大地增加了維護(hù)人員的巡檢風(fēng)險(xiǎn)。此外，人工巡檢費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也容易導(dǎo)致漏檢，因此，實(shí)時(shí)掌握大壩廊道環(huán)境狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)廊道內(nèi)設(shè)備運(yùn)行隱患，研發(fā)智能巡檢機(jī)器人成為首選解決方案。本文通過(guò)探究軌道式巡檢機(jī)器人在壩基廊道的具體應(yīng)用，提出了采用智能機(jī)器人代替人工巡檢的設(shè)計(jì)方案。

1 智能巡檢機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 人臉識(shí)別

近年來(lái)，人臉識(shí)別技術(shù)逐漸成熟，且在各類圖像識(shí)別中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于在進(jìn)行人臉識(shí)別時(shí)，需要將人臉與攝像頭對(duì)齊，因此需要對(duì)采集的人臉進(jìn)行高度的計(jì)算和建模，同時(shí)還要對(duì)人臉進(jìn)行檢測(cè)，這就給人臉識(shí)別系統(tǒng)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。然而，在實(shí)際運(yùn)用中，人臉識(shí)別不僅要與攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，還需要對(duì)人臉進(jìn)行特征提取并識(shí)別出人臉中特定位置、角度和方向等特征，這使得識(shí)別速度變得很慢。同時(shí)，在智能手機(jī)的支持下，如果需要與手機(jī)進(jìn)行交互時(shí)，只能通過(guò)移動(dòng)設(shè)備完成。目前，市場(chǎng)上主流人臉識(shí)別產(chǎn)品為基于攝像頭的 NFC 識(shí)別器和基于手機(jī)屏幕的 NFC 識(shí)別器。在水庫(kù)廊道運(yùn)維過(guò)程中，如果能成功實(shí)現(xiàn)由人臉識(shí)別功能取代人工輔助功能時(shí)，就能極大地提高智能機(jī)器手臂日常運(yùn)維工作的有效性。

1.2 人體手勢(shì)識(shí)別

在智能巡檢機(jī)器人研發(fā)過(guò)程中，需要通過(guò)攝像頭識(shí)別出不同的人體手勢(shì)，然后再將識(shí)別結(jié)果與攝像頭進(jìn)行對(duì)比，以判斷手勢(shì)和人臉是否一致，以便于后續(xù)對(duì)人體手勢(shì)進(jìn)行針對(duì)性操作。但由于智能巡檢機(jī)器人無(wú)法配備攝像頭和傳感器等關(guān)鍵部件，因此無(wú)法做到“人形”化或者是“人形”化后的識(shí)別精度較低。同時(shí)，為了防止機(jī)器出現(xiàn)誤判，同時(shí)也為了減少人工巡檢成本和時(shí)間，目前絕大多數(shù)智能巡檢機(jī)器人都是通過(guò)人工操作或遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)巡檢工作。

1.3 三維空間定位與導(dǎo)航

傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中往往需要采用慣性導(dǎo)航以及GPS 等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)空間定位，這些方法不僅耗時(shí)較長(zhǎng)，而且精度不高，所以很難滿足智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用的需求。另外，由于傳統(tǒng)GPS 具有較強(qiáng)的不可預(yù)知性，因此其準(zhǔn)確性受到了限制，通常只能通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行決策，從而給整個(gè)巡檢過(guò)程帶來(lái)很大不便。三維空間定位與導(dǎo)航是智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，其不僅能實(shí)現(xiàn)巡檢地點(diǎn)的精確定位、人員位置信息等數(shù)據(jù)收集、安全狀態(tài)檢測(cè)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等工作，而且還能進(jìn)行多種交互方式和數(shù)據(jù)集成共享應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人更好地運(yùn)行。例如，在大壩廊道運(yùn)維中，巡檢機(jī)器人需要準(zhǔn)確定位到某一地點(diǎn)并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定軌跡路徑到達(dá)相應(yīng)地點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)器人對(duì)地理信息環(huán)境具有很強(qiáng)的依賴性，如果巡檢機(jī)器人沒(méi)有相應(yīng)導(dǎo)航信息就無(wú)法進(jìn)行精確定位導(dǎo)航?；诖?，目前國(guó)內(nèi)研發(fā)出來(lái)一種基于三維坐標(biāo)原點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行智能機(jī)器人三維定位和導(dǎo)航的技術(shù)。

2 大壩廊道運(yùn)維中存在的問(wèn)題

目前，在大壩廊道運(yùn)維過(guò)程中，大多數(shù)技術(shù)人員仍然使用人工進(jìn)行管道設(shè)備的日常巡檢維護(hù)工作，如閥門及管道的檢查、檢測(cè)等。這種人工巡檢往往難以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和規(guī)律，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于施工條件及技術(shù)水平等方面的限制，有些區(qū)域需要人工進(jìn)行管道巡視才能發(fā)現(xiàn)管段故障。這些情況在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)得比較多，而且巡檢機(jī)器人技術(shù)門檻較高，在維護(hù)過(guò)程中，如果有突發(fā)事件出現(xiàn)會(huì)給其帶來(lái)嚴(yán)重的后果。因此，在未來(lái)對(duì)大壩廊道的智能運(yùn)維中要重視人員巡檢和設(shè)備保養(yǎng)，嚴(yán)格按照規(guī)范的要求來(lái)執(zhí)行。只有這樣，才能真正發(fā)揮出機(jī)器人技術(shù)自身優(yōu)勢(shì)，使其成為今后對(duì)大壩廊道進(jìn)行定期巡查維護(hù)的必備工具，也可以降低相關(guān)人員巡檢維護(hù)工作所造成的安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

2.1 人力巡檢工作效率不高

由于人力巡檢工作效率低，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)造成人員的工作強(qiáng)度過(guò)大，容易出現(xiàn)工作能力下降等問(wèn)題，對(duì)后續(xù)工作造成一定影響。另外，也會(huì)降低工作效率，出現(xiàn)管道損壞情況。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于人員數(shù)量不足，要想對(duì)管道運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，仍需使用巡視機(jī)器人來(lái)進(jìn)行，而這種巡視機(jī)器人有一定的局限性，只能對(duì)管道設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單檢測(cè)、巡查。此外，如果使用人工巡檢，則需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)檢測(cè)管道相關(guān)情況，如果發(fā)現(xiàn)異?；虺霈F(xiàn)異常的管道，需要通過(guò)人工來(lái)維修處理，這樣會(huì)導(dǎo)致工作效率降低并且難以將問(wèn)題解決。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不能僅僅使用人員巡檢，而是應(yīng)該注重巡檢機(jī)器人自身工作效率高的優(yōu)勢(shì)。

2.2 運(yùn)維范圍較窄

目前，大部分大壩廊道智能巡檢機(jī)器人都是以靜態(tài)檢測(cè)為主，并沒(méi)有在動(dòng)態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行管道檢測(cè)。在這種情況下，就需要巡檢人員使用更加先進(jìn)的技術(shù)手段，結(jié)合當(dāng)前的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。如果巡檢機(jī)器人是由多個(gè)傳感器組合而成、無(wú)法完全覆蓋壩區(qū)所有管道，就不能有效發(fā)現(xiàn)管道存在的隱患。這也意味著，即使擁有大量機(jī)器人，也無(wú)法解決大壩廊道運(yùn)維存在的問(wèn)題，反而使大壩廊道的運(yùn)維范圍更窄。所以，未來(lái)巡檢機(jī)器人在庫(kù)區(qū)巡檢及管道維護(hù)過(guò)程中，將會(huì)更加適合需要巡檢以及維護(hù)的區(qū)域之間的聯(lián)系以及相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩廊道進(jìn)行智能化巡檢運(yùn)維。

2.3 人員巡檢質(zhì)量有待提高

在實(shí)際工作中，由于人員巡檢范圍較大，巡檢效率不高，所以人員巡檢質(zhì)量的好壞將直接影響智能巡檢機(jī)器人對(duì)各種管段及其他設(shè)備的運(yùn)行情況。此外，由于部分檢修人員缺乏巡檢員這一崗位經(jīng)驗(yàn)，這會(huì)影響機(jī)器人運(yùn)行效率。例如，對(duì)管道閥門進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，會(huì)對(duì)管道閥門上、下各部位進(jìn)行仔細(xì)檢查；對(duì)管道閥門上、下兩邊連接點(diǎn)進(jìn)行檢查；還有對(duì)管道閥門進(jìn)行定期檢測(cè)等工作。這些都嚴(yán)重破壞了巡檢工作的準(zhǔn)確性和完整性，使機(jī)器人檢測(cè)工作變得更加困難。

2.4 突發(fā)事件發(fā)生時(shí)應(yīng)急處理機(jī)制不完善

應(yīng)急處理機(jī)制是指當(dāng)應(yīng)急人員處理突發(fā)事件時(shí)所采取的措施。當(dāng)前，很多應(yīng)急機(jī)器人對(duì)于突發(fā)事件的處理并沒(méi)有制定詳細(xì)的應(yīng)急處理預(yù)案，這在一定程度上導(dǎo)致了突發(fā)事件在智能巡檢機(jī)器人的處置過(guò)程中可能出現(xiàn)各種各樣的情況。當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，對(duì)于人員及設(shè)備都會(huì)造成不同程度的傷害。尤其是如果機(jī)器人內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，如果不能第一時(shí)間采取措施進(jìn)行處理，將會(huì)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重缺陷和影響。由于其無(wú)法在緊急情況下采取有效的防護(hù)措施，所以一旦出現(xiàn)事故后沒(méi)有及時(shí)地對(duì)其進(jìn)行應(yīng)急處理，會(huì)造成設(shè)備、人員及財(cái)產(chǎn)損失等。所以只有將應(yīng)急處置機(jī)制健全起來(lái)做好相應(yīng)的預(yù)防措施，才能使其得到更好地發(fā)展。

3 智能巡檢機(jī)器人的設(shè)想

基于智能巡檢機(jī)器人在水利水電工程中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將其應(yīng)用于水工建筑物的檢修維護(hù)，既能夠提高檢修維護(hù)效率，又能夠避免人員作業(yè)時(shí)的安全隱患。因此，通過(guò)研究智能化巡檢機(jī)器人技術(shù)特性及市場(chǎng)前景，通過(guò)對(duì)水工建筑物檢修維護(hù)中常見(jiàn)問(wèn)題的檢測(cè)和分析以及基于視頻、圖像、聲音等多種信息實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)信息分析應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)。同時(shí)，利用水工建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際作業(yè)環(huán)境等因素，通過(guò)對(duì)機(jī)器人巡檢過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集與分析。在實(shí)際使用過(guò)程中，能實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器人監(jiān)測(cè)視頻的自動(dòng)巡檢功能及設(shè)備故障自動(dòng)報(bào)警功能。

3.1 機(jī)器人巡檢過(guò)程中的視覺(jué)與語(yǔ)音信息采集及分析

視覺(jué)與語(yǔ)音信息的采集是通過(guò)運(yùn)用攝像頭和語(yǔ)音系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備檢修維護(hù)，因此，在機(jī)器人巡檢過(guò)程中，視覺(jué)和語(yǔ)音系統(tǒng)能采集到人行走時(shí)所拍攝的圖像和語(yǔ)音。其中，通過(guò)運(yùn)用紅外成像技術(shù)對(duì)機(jī)器人身上的紅外燈進(jìn)行成像檢測(cè)，將檢測(cè)到的紅外燈信號(hào)與機(jī)器人巡檢線路中安裝在機(jī)器人上的紅外探測(cè)器（如紅外攝像機(jī)、紅外測(cè)溫儀、紅外測(cè)距儀等）進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)，若檢測(cè)到物體位于人行走過(guò)程中，可通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警（如紅外探傷傳感器、紅外測(cè)溫儀）進(jìn)行報(bào)警提醒。同時(shí)，將圖像和語(yǔ)音數(shù)據(jù)輸入語(yǔ)音處理系統(tǒng)后進(jìn)行分析，出現(xiàn)異常信息和特殊現(xiàn)象，為機(jī)器人巡檢作業(yè)提供輔助依據(jù)。同時(shí)，在機(jī)器人巡檢過(guò)程中，利用高清攝像頭對(duì)機(jī)器人行走過(guò)程中出現(xiàn)的障礙進(jìn)行識(shí)別，并可以及時(shí)報(bào)警，提高管理效率水平。

3.2 機(jī)器人故障報(bào)警的智能處理

對(duì)于機(jī)器人發(fā)生故障的報(bào)警，需要根據(jù)事件發(fā)生的原因進(jìn)行及時(shí)處理。如果故障發(fā)生在運(yùn)行的過(guò)程中，則需要及時(shí)更換故障設(shè)備，若故障設(shè)備處于運(yùn)行中，則需要將檢測(cè)到的設(shè)備信息進(jìn)行登記，并上傳至系統(tǒng)中進(jìn)行故障處理。例如，當(dāng)機(jī)器人由于信號(hào)干擾或其他原因出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)狀態(tài)記錄、視頻監(jiān)控記錄等信息對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行分類處理。通過(guò)信息記錄可以對(duì)機(jī)器人故障現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確定位。當(dāng)監(jiān)測(cè)到機(jī)器人檢測(cè)到環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，則需要根據(jù)環(huán)境參數(shù)設(shè)定不同條件下不同情況下傳感器信號(hào)是否發(fā)出變化是否嚴(yán)重等狀態(tài)信息。而一旦發(fā)現(xiàn)環(huán)境條件不符合要求時(shí)，則需要及時(shí)采取相應(yīng)的措施保障其安全運(yùn)行。

3.3 基于機(jī)器人的綜合監(jiān)控信息管理平臺(tái)

綜合監(jiān)控信息管理平臺(tái)以PC 為服務(wù)器，利用云計(jì)算技術(shù)，對(duì)智能巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并與調(diào)度系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)機(jī)器人的工作狀態(tài)、故障信息、安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并提供自動(dòng)化運(yùn)維服務(wù)。根據(jù)運(yùn)行實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)以調(diào)度系統(tǒng)為核心、以手機(jī) APP 為支撐的綜合管理平臺(tái)。其中，調(diào)度系統(tǒng)提供智能巡檢機(jī)器人管理平臺(tái)、應(yīng)急管理系統(tǒng)；智能巡檢機(jī)器人可根據(jù)實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡視路徑、重點(diǎn)區(qū)域、安全狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；手機(jī)APP 可提供包括巡檢范圍、問(wèn)題定位、故障報(bào)警等內(nèi)容的數(shù)據(jù)管理服務(wù)；機(jī)器人可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)信息智能推送。

3.4 機(jī)器人智能化運(yùn)維控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究

通過(guò)機(jī)器人智能化運(yùn)維控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備故障，通過(guò)對(duì)故障檢測(cè)到的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，保證系統(tǒng)的可靠性，并且實(shí)現(xiàn)故障隱患自動(dòng)預(yù)警。通過(guò)對(duì)水工建筑物缺陷的檢測(cè)分析，能夠確定故障部位，并對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析并將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷、報(bào)警和控制功能，并對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化、預(yù)測(cè)和預(yù)警。

將智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用在大壩廊道巡檢中，不僅具有傳統(tǒng)人工巡檢的靈活性，而且能夠有效降低巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。廊道智能診斷系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)算法、智能控制、大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)，對(duì)巡檢機(jī)器人攜帶的高清攝像頭、紅外熱像儀采集的圖像信息與多種傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效融合，通過(guò)智能化深度學(xué)習(xí)后實(shí)現(xiàn)墻體裂縫識(shí)別、廊道水位檢測(cè)、火災(zāi)事故預(yù)警、有害氣體檢測(cè)等智能診斷功能。廊道巡檢機(jī)器人的成功研發(fā)和應(yīng)用，為無(wú)人值班（少人值守）水電站運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為水電站開(kāi)展智慧大壩建設(shè)進(jìn)行了有益的探索。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化巡檢機(jī)器人可以解決傳統(tǒng)大壩廊道運(yùn)維中人工巡檢的不足，通過(guò)安裝在壩體內(nèi)部的紅外攝像頭采集廊道內(nèi)的實(shí)時(shí)圖像，對(duì)廊道進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。同時(shí)通過(guò)人工智能算法進(jìn)行視頻的分析計(jì)算，識(shí)別廊道內(nèi)可能存在的故障部位及相關(guān)問(wèn)題隱患，可將檢測(cè)到的問(wèn)題隱患反饋給相關(guān)人員，保證廊道內(nèi)工作人員作業(yè)安全，減少人員工作強(qiáng)度。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了智能化設(shè)備與人工巡檢設(shè)備之間的無(wú)縫對(duì)接，避免了人工巡檢的不足。同時(shí)運(yùn)用人工智能算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)廊道內(nèi)設(shè)備狀態(tài)分析、視頻圖像識(shí)別、故障報(bào)警等功能，確保廊道內(nèi)設(shè)備健康穩(wěn)定運(yùn)行。