泵站行走式智能巡檢機(jī)器人研究與應(yīng)用
——以北京市東水西調(diào)工程為例

趙 柘，周繼陽，李一帆，劉鵬宇*

（1.北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處，北京；2.北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京；3.先進(jìn)信息網(wǎng)絡(luò)北京實(shí)驗(yàn)室，北京；4.北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算智能與智能系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京）

1 應(yīng)用背景

北京市東水西調(diào)工程是為緩解京西水源危機(jī)而修建的供水工程，東起頤和園團(tuán)城湖，西到門頭溝城子水，引水線路總長(zhǎng)21 km，途經(jīng)玉泉山、杏石口和麻峪三級(jí)泵站，揚(yáng)水總高程60 余m，全年運(yùn)行，是保證京西供水的重要工程。以其中杏石口泵站為例，泵站運(yùn)行主要以人力為主，泵站運(yùn)行值班人員每班次3人，共計(jì)12 人，每?jī)尚r(shí)需要進(jìn)行一次巡檢，一小時(shí)進(jìn)行一次巡檢抄錄，總共巡檢6 場(chǎng)所，對(duì)巡檢指標(biāo)27大項(xiàng)進(jìn)行人工檢查，并對(duì)機(jī)組運(yùn)行、電氣運(yùn)行、水位流量等進(jìn)行數(shù)據(jù)抄錄。當(dāng)前人工巡檢的場(chǎng)景多、項(xiàng)目多、工作量大，大量的人工巡檢和人工記錄，依賴于運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心，人員成本較高，智能化程度較低，且部分巡檢場(chǎng)所存在安全隱患。

本研究通過在泵站架設(shè)智能行走式機(jī)器人，并定義和調(diào)整行走式機(jī)器人巡檢路線，實(shí)現(xiàn)智能行走式機(jī)器人在高壓室、低壓室、自動(dòng)化室、變頻室內(nèi)自由巡檢；結(jié)合熱成像、可見光攝像頭與溫度、噪聲、嗅覺傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器機(jī)柜、變壓器等設(shè)備參數(shù)智能采集，從而代替人工巡檢、人工抄錄，實(shí)現(xiàn)24 h 自動(dòng)巡檢、故障及時(shí)反饋，達(dá)到減少人員投入、保證人員安全的建設(shè)目標(biāo)。

2 行走式智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

泵站行走式智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由輪式巡檢機(jī)器人、無線通訊系統(tǒng)、運(yùn)維管理平臺(tái)、客戶端等部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

由機(jī)器人本體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理，通過WIFI將信息上傳到運(yùn)維管理云平臺(tái)，工作人員通過客戶端進(jìn)行查看，同時(shí)工作人員也可以通過客戶端給機(jī)器人發(fā)送巡檢任務(wù)。

2.2 行走式智能巡檢機(jī)器人

本研究所采用行走式智能巡檢機(jī)器人如圖2 所示。

圖2 行走式智能巡檢機(jī)器人示意

泵站室內(nèi)巡檢點(diǎn)位多、巡檢點(diǎn)位分散、巡檢場(chǎng)景較為復(fù)雜，適合使用行走式智能巡檢機(jī)器人。機(jī)器人采用激光雷達(dá)+視覺+IMU 融合的SLAM 方案，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境[1]。前進(jìn)過程中使用激光雷達(dá)、攝像頭、避障雷達(dá)等傳感設(shè)備偵測(cè)前進(jìn)道路上的障礙物，自動(dòng)避開，實(shí)現(xiàn)后退、前左轉(zhuǎn)彎、前右轉(zhuǎn)彎等避障控制功能，能夠避免對(duì)于行人、設(shè)備等的碰撞。

機(jī)器人本體搭載熱成像儀和可見光高清雙目云臺(tái)、4 級(jí)全自動(dòng)升降桿、氣體傳感器、溫濕度傳感器、拾音器等傳感系統(tǒng)，支持自動(dòng)巡檢、遠(yuǎn)程遙控功能等多種模式，代替人工完成廠區(qū)室內(nèi)日常巡視、紅外測(cè)溫、氣體泄漏檢測(cè)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)診斷，實(shí)現(xiàn)巡檢點(diǎn)位全覆蓋巡視。

3 行走式智能巡檢機(jī)器人主要功能

3.1 巡檢功能

巡檢機(jī)器人最主要的功能，就是對(duì)泵站進(jìn)行智能巡檢，本研究機(jī)器人支持自動(dòng)巡檢、遠(yuǎn)程遙控巡檢等多種巡檢模式，具有高度自動(dòng)化和智能化的特征，從而代替人工巡檢，如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人巡檢功能示意

機(jī)器人的機(jī)身搭載熱成像儀、可見光高清雙目云臺(tái)、氣體傳感器、溫濕度傳感器等多種檢測(cè)設(shè)備，按照既定的自動(dòng)巡檢路線可以完成對(duì)機(jī)組設(shè)備的可見光拍照、紅外測(cè)溫及環(huán)境監(jiān)測(cè)等巡檢活動(dòng)，并將巡檢數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)保存，生成巡檢報(bào)告[2]。

智能巡檢機(jī)器人除自動(dòng)巡檢外，還可以通過人工遙控的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控巡檢。該模式應(yīng)用于工作人員需要對(duì)某機(jī)組設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行鎖定與監(jiān)測(cè)，可以使用管理后臺(tái)的人工遙控界面或是遙控手柄，操控機(jī)器人快速到達(dá)異常設(shè)備位置，及時(shí)對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行查看并核實(shí)報(bào)警信息，以便迅速制定響應(yīng)策略。

3.2 機(jī)器視覺識(shí)別功能

機(jī)器人攜帶視頻監(jiān)控?cái)z像頭，通過攝像頭采集圖像代替人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[3]。機(jī)器人可以現(xiàn)場(chǎng)拍攝電壓表、電流表、柜體開關(guān)位置、變壓器溫控器顯示以及指示燈等設(shè)備運(yùn)行圖像，完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

除視頻監(jiān)控?cái)z像頭外，泵站智能巡檢機(jī)器人還配備了紅外熱成像儀，紅外熱像儀是一種非接觸式的監(jiān)控測(cè)量溫度方式，不受可見光影響。通過紅外熱成像儀，機(jī)器人可以在視野中對(duì)可見設(shè)備的溫度執(zhí)行紅外掃描，形成紅外熱圖，并從紅外熱圖中提取設(shè)備的溫度信息記錄溫度數(shù)據(jù)[4]。

3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集功能

機(jī)器人搭載氣體傳感器和環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，氣體傳感器可對(duì)室內(nèi)環(huán)境中的氧氣、硫化氫、氨氣、一氧化碳、氫氣、氯氣等多種氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過搭載的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，機(jī)器人可以對(duì)泵站室內(nèi)環(huán)境溫、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回傳到后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行閾值比對(duì)。

3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能

機(jī)器人將所采集數(shù)據(jù)回傳到后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過巡檢點(diǎn)位查詢可以顯示在巡檢任務(wù)過程中各巡檢點(diǎn)巡檢數(shù)據(jù)信息，包括可見光圖像數(shù)據(jù)、熱紅外圖像數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、歷史曲線顯示、報(bào)表輸出等。

本研究機(jī)器人在執(zhí)行完每日巡檢任務(wù)之后都會(huì)自動(dòng)生成報(bào)表，并在客戶端支持巡檢報(bào)表查詢、預(yù)覽、打印及導(dǎo)出功能[5]。報(bào)表可匯總巡檢任務(wù)完成后自動(dòng)生成的巡檢數(shù)據(jù)，支持按日期查詢巡檢任務(wù)，選中某個(gè)巡檢任務(wù)，即可查看巡檢報(bào)表。

4 行走式智能巡檢機(jī)器人在泵站中的應(yīng)用

4.1 日常巡檢

本研究通過泵站行走式智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)際泵站日常巡檢需求。泵站行走式智能巡檢機(jī)器人集圖像采集、傳感器數(shù)據(jù)采集于一體，完成日常巡檢中高壓室、低壓室、變頻器室、自動(dòng)化室的設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)向控制中心傳輸巡檢數(shù)據(jù)；接收控制中心發(fā)出的巡檢指令，并判斷優(yōu)先級(jí)。泵站行走式智能巡檢機(jī)器人除能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、獲取外，可以自由在杏石口泵站高壓室、低壓室等場(chǎng)所內(nèi)行走，巡檢路線可以進(jìn)行人工定義和調(diào)整。泵站行走式機(jī)器人具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、操作靈活等特點(diǎn)，能夠滿足巡檢數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫?，從而代替杏石口人工巡檢，實(shí)現(xiàn)24 h巡檢，減少泵站人員投入、保證人員安全，具體代替人工巡檢項(xiàng)見表1。

表1 巡檢機(jī)器人代替人工項(xiàng)

4.2 孿生場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)

通過3D 仿真制圖技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫(kù)，建立1:1 虛擬機(jī)房，構(gòu)建泵站全場(chǎng)景孿生模型，并通過現(xiàn)場(chǎng)機(jī)房設(shè)備固裝傳感器、攝像頭和機(jī)器人移動(dòng)巡檢數(shù)據(jù)接入，可以實(shí)現(xiàn)孿生模型的ID 標(biāo)簽和實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)顯示，從而幫助后端信息部門工作人員、維護(hù)人員等其他人員可視化對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備和機(jī)器人信息及運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)掌握和數(shù)據(jù)共享，完成有效配置管理，以及利用3D 的形式對(duì)設(shè)備信息及運(yùn)行情況進(jìn)行展示。

結(jié)束語

泵站行走式智能巡檢機(jī)器人通過利用熱成像儀、可見光高清雙目云臺(tái)、氣體傳感器、溫濕度傳感器等多種檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行巡檢項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集，完成泵站的日常巡檢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢、人工抄錄，極大提升泵站巡檢的效率，保證人員巡檢的安全。