無人機機載檢測技術在特種設備檢驗檢測中應用探討

王金釗 畢陳帥

摘 要：為解決傳統檢驗檢測手段在高大結構型式特種設備應用上的局限性，本文在借鑒無人機機載檢測系統在電力巡查、橋梁檢測等方面應用基礎上，介紹了無人機機載檢測系統組成及工作原理，探討了無人機機載檢測技術在起重機械、大型游樂設施檢驗檢測中的應用前景。最后比較分析了兩種檢驗檢測手段的優缺點，并針對無人機機載檢測技術在特種設備檢驗檢測上的應用提出若干建議。

關鍵詞：無人機;機載檢測系統;大型結構特種設備;應用前景;優缺點比較

近年來，國內外游樂設施朝著大型化、高參數、強刺激、新穎性等方向發展，如由荷蘭公司投資的世界第一高的208米觀覽車己在建設過程中，[1]某飛行塔類游樂設施創新性的引入電梯上的曳引驅動系統作為其動力裝置，[2]等等。隨著大量結構高大新奇及復雜運動形式的游樂設施的不斷涌現以及龐大結構型式的起重機械在生產生活中廣泛使用，傳統檢驗檢測方法、手段已無法滿足對該類新型設備安全性、可靠性及穩定性進行檢測及試驗驗證，亟需對新的檢驗檢測方法、技術和手段開展相關技術研究工作，以便彌補傳統檢驗檢測技術的不足。

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種利用無線電遙控設備和自攜帶的程序控制裝置來操縱的無人駕駛的航空器，機上安裝有自動駕駛儀、飛行程序控制裝置等軟硬件設備。[3]其中，民用無人機搭載有效任務載荷（如各類傳感器、攝像機、高清照相機等）能夠有效的實現對高處各種目標任務進行執行，這是傳統手段所無法比擬的。目前，已有研究人員對無人機有關技術展開了相關研究工作。張啟元在介紹無人機、無人機遙感以及無人機遙感系統的組成基礎上，探討了無人機遙感在高原基礎測繪更新、國土資源調查與城市管理、災害應急與救援、環境保護、農業生產、公共安全、電力巡線及電力工程等領域的應用前景。[4]彭玲麗等針對橋梁常規檢測手段檢測手段中存在的缺陷，以無人機檢測四渡河大橋為實踐案例，探討了無人機及其檢測系統在大型桁架結構橋梁檢測中的應用，對比分析了其與傳統檢測手段優缺點。[5]經文獻檢索，對無人機及其相關技術在特種設備領域應用鮮有報道，以特種設備檢驗檢測為實踐出發點開展的相關研究工作則更少，僅南京市特檢院基于無人機載視覺檢測系統對大型起重機結構開展相關研究工作。[6]有必要對無人機機載有關檢測裝置在特種設備檢驗檢測領域開展研究工作，作為傳統檢驗檢測手段的有益補充，具有很強的實際意義。

基于此，為彌補傳統檢驗檢測手段在高大結構型式特種設備上應用的不足，介紹了無人機機載檢測系統組成及工作原理，探討了無人機機載檢測系統在起重機械、大型游樂設施檢驗方面的應用前景。本文還比較分析了兩種檢測手段的優缺點，并對無人機機載檢測技術在特種設備檢驗檢測應用上的給出幾點建議。

1 無人機機載檢測系統架構及工作原理

事實上，單純的依靠無人機本身是不能完成任何任務的，它需要一套嚴密的控制系統和任務荷載系統等與之相配合。所謂的無人機機載檢測系統，是一種以無人機機身為載體，根據所執行任務的不同搭載相應的任務荷載系統（各類傳感器、圖像采集設備等）來實時的獲取被執行任務對象的相關信息（針對本文涉及的高大結構型式特種設備來說，如大型游樂設施鋼桁架結構的變形、螺栓的銹蝕及缺失、焊縫的開裂及腐蝕等）并回傳給地面站端數據處理系統，以供進一步的處理。該系統主要由無人機、任務荷載系統、數據傳輸系統、地面端站數據處理系統、遙控系統及其他輔助裝置組成，見圖1所示。無人機的作用是為任務荷載系統提供一個搭載平臺，相應的任務荷載系統能夠獲取被檢測對象的有關信息或數據，數據傳輸系統則是把所采集的數據傳輸到地面端站信息處理系統。地面端站信息處理系統、遙控設備及其他輔助裝置可以對無人機飛行姿態、懸停位置等進行實時監控和調整，對被檢測對象可能存在的病害進行識別和分析。

該系統工作原理為：利用無人機能夠在任意高處懸停的特點，借助搭載的任務荷載系統，地面端站檢測人員通過地面遙控系統操控搭載有不同任務荷載系統的無人機，飛抵被觀察對象相關區域實時采集數據，通過機載數據傳輸系統傳輸到端站信息處理系統，對采集的數據進行處理，并在處理終端顯示出來和出具檢測報告。

2 無人機機載檢測系統在特種設備上的應用舉例

2.1 在起重機械檢驗上的應用

起重機械是工業生產生活中廣泛使用的特種設備，由于它一般服役于露天的高溫、高壓、粉塵等惡劣環境，且常規性的對其關鍵受力部件進行例行檢查及維修屬于高空作業，其高危險性極易導致事故頻發。[7]針對高大型結構的起重機（如橋式、門式、塔式、門座式起重機等），由于其結構較高、跨度大等特點，存在某些結構部件（如門式起重機的主梁下蓋板和支腿上部，門座式起重機的象鼻梁和人字架頂部，塔式起重機的塔帽頂端和臂架端部等）是檢驗人員難以到達或及時到達也難以靈活的操作常規儀器開展正常的檢驗檢測工作。針對檢驗過程中存在諸如上述的檢查盲區是必須消除的，需要研究新的檢驗手段來對這些受力集中的關鍵部件進行重點檢查。

利用無人機能夠在任意位置懸停、近距離觀察等特點，搭載高清照相機、高清攝像機對檢驗人員難以檢測的結構部位進行拍照、拍攝，并把采集的圖像等數據傳輸到地面終端數據顯示平臺，供地面檢驗人員觀察、分析位于常規檢查盲區的結構部位是否存在病害。圖2（a）為利用無人機搭載高清相機對門式起重機進行全面檢查，圖2（b）、（c）、（d）分別為機載相機對支腿下部位、支腿與主梁結合的法蘭部位及主梁下蓋板采集回傳到終端的照片。

通過采集及回傳的數據，借助有關圖像處理軟件對地面端站接收的圖像等數據進行分析、處理，根據起重機械相關標準及規范對檢測部位進行評估。根據圖2分析可知，機載相機懸停在指定的關鍵部位所拍攝照片清晰度能夠達到肉眼觀察的精度（亞毫米級，圖b）所示），所拍照部位不存在嚴重銹蝕、螺栓缺失等病害現象。再結合傳統檢驗檢測方法，對其他項目進行檢驗，最終判斷該設備運行狀況是否合格。

2.2 在大型游樂設施檢驗上的應用

游樂設施是公園中常見的載人設備，是特種設備中的“特種設備”，其運行的安全性直接關乎乘客生命財產安全。但由于我國游樂設施行業發展較遲緩，在生產（含設計、制造、安裝、改造、修理及維護保養，下同）使用、監管及檢驗等環節中仍存在諸多不足，導致事故時有發生。[1]目前，我國制定并依據有關標準及規

范通過對在批量生產前的樣機進行設計文件鑒定、型式試驗和安裝后的驗收檢驗、定期檢驗及使用單位的日常檢查、維護保養等多道程序來保證游樂設施運行的安全性和可靠性。但受到設備的規模、結構的高大新穎、運動形式的多自由度耦合、關鍵零部件或子系統不可拆卸性等諸多限制，檢驗人員難以對該類設備某些難以達到區域的易磨損、銹蝕等關鍵零部件進行檢驗檢測，加之現行有關的標準及規范有待進一步修訂、完善，[2]則存在的未檢盲區會給設備運行遺留下潛在的安全隱患。通常意義上的檢驗是使設備處于停機狀態，用相關專業儀器僅能夠對易于拆卸關鍵零部件及有關子系統的靜態性能參數進行檢測，而無法實現對設備在運行中表現出某些變化的性能特征參數（如電機的溫升等）進行檢測。

筆者曾對我市某B級飛行塔類游樂設備“高空飛翔”（見圖3）在監督檢驗和定期檢驗中存在諸多問題進行深入地分析和探討，這里僅對該設備某些結構現場檢驗中存在其他問題進行論述，其主要性能參數及其他有關問題見文獻[2]。該設備主體結構為三個鋼桁架塔節次第累疊，配重側和乘人座艙側通過最頂端鋼桁架塔節四個固定的定滑輪分別吊掛在鋼絲繩的兩端，實現配重側和座艙側此升彼降的運動形式。累加起來的鋼桁架塔節是在設備安裝完成后不可拆卸的，運行高度為29.5m，設備高度高達40m，那么塔節間的結構件間（如塔身弦桿、腹桿）焊縫由于服役環境靠近水源是否易于出現脫漆、銹蝕、裂紋等現象，頂端桁架端面反繩定滑輪及其支撐軸及軸承類關鍵零件是否會出現過度磨損、潤滑不良導致異常發熱等現象（雖然該軸按無限壽命設計，但惡劣的服役環境及復雜運行工況等存在導致其失效的可能性），沿著塔節桁架布置的電氣部件（如頂端限位開關）是否存在破損，等等。常規檢驗只能通過檢驗人員采取安全保護措施攀爬到高處使用有關儀器對設備結構件進行檢查，由于活動空間的限制會導致高空作業檢驗效率低、危險性大等缺點。

針對諸如此類的問題，應該研究新的驗檢測技術手段作為解決方案。無人機通過搭載相關檢測任務荷載系統提供了一個很好的手段，通過搭載高像素專業拍照采集系統（如高清照相機、高清攝像機等）及有關熱成像設備等，利用無人機能夠在任意高空位置指定區域懸停觀測特點，對設備可能存在病害的關鍵零部件進行拍攝、探測，傳輸到地面端站數據處理顯示平臺，檢驗人員通過該平臺或者借助專業圖像數據處理軟件對該部位進行分析。

針對塔頂關鍵的軸、軸承類等零部件、液壓傳動系統、高處的電動機及有關的電氣部件等，根據它們在運行過程中出現的發熱、摩擦磨損變形、疲勞斷裂等物理特征，從而可直接或間接的導致這些部件溫度較背景溫度會發生明顯變化。利用無人機搭載紅外熱成像儀能夠接收設備運行中的紅外輻射能量，從而可以動態的獲取這些部位的表面溫度分布信息，初步判斷它們否存在異常狀態或故障點，就可以對設備的安全運行狀態進行評估。如在液壓系統的能量轉換和傳遞過程中，缸體與活塞之間的機械摩擦、壓力損失等都會產生熱量，導致油液粘度，引起液壓油溫度異常上升，通過溫度分布疏密程度可判斷可能存在病害位置。通過搭載高分辨率CCD相機或其他圖像采集器材可檢查高處塔節桁架弦桿、腹桿是否嚴重變形，桿間的焊縫是夠存在宏觀裂紋，螺栓及開口銷是否缺失，等等。

此外，利用無人機搭載攝像監控系統還可以從高空對景區客流流量、客流密度等進行實時監測和全局巡查。一旦發生緊急危險情況，可以為使用單位處置應急事故、救援、疏散客流量等工作提供及時有效信息，為事故應急救援有效實施和輔助事故調查提供有力技術支撐。

3 無人機機載檢測技術與傳統檢測手段優缺點的比較

根據《游樂設施安全技術監察規程（試行）》、[8]《DB33T 834-2011 起重機械維護保養管理規范》，[9]使用單位需要對設備進行常態化檢查和維護保養（如日、周、月、年周期性檢查和維護保養）以及法定的監督檢驗與定期檢驗。這些常規性的檢驗檢測、檢查與維修是在設備停機狀態下進行的，借助有關檢驗檢測儀器對各子系統、零部件等進行測試。在涉及項目檢驗檢測完成后再單獨進行運行試驗，顯然無法觀測到設備在運行狀態時動態性能。下表列舉比較傳統檢驗檢測手段與無人機機載檢測技術優缺點。

4 建議與前景展望

筆者通過文獻檢索與閱讀，對無人機及其有關檢測技術在特種設備領域的應用給出如下建議與展望。

1）無人機及其相關技術在特種設備檢驗檢測領域應用及研究鮮見報導，針對大型結構型式特種設備檢驗檢測過程存在的難題，應借鑒其他行業新的檢測技術手段（如本文借鑒無人機機載檢測技術在電力、橋梁等上的應用），并開展面向檢驗檢測實際的研究工作。

2）針對高大結構的特種設備，應根據隨機資料、設計審查報告等明確該類設備檢驗檢測過程存在的盲區和難題，進一步開展無人機機載任務荷載系統的研究。如通過在設備上合理的布置各種傳感器，可以實時測試設備運行過程動態性能參數（加速度、溫升、關鍵受力部件的應力應變等），彌補傳統檢測手段僅能對靜態性能進行檢查。此外，物聯網技術已在電梯[10]、起重機械[11]等特種設備領域得到廣泛應用。經檢索，卻并未發現其在游樂設施上的應用。應深入研究游樂設施運動特點，分析其關鍵受力部件，開展物聯網在游樂設施方面應用的研究工作。

3）無人機機載檢測系統存在一些難題需解決。例如，圖2（d）所示的A區域，主梁下蓋板出現彎曲變形現象。事實上，由于拍照角度的限制，才會導致“假性彎曲”的現象，應該用圖像處理、機器視覺等方面技術來進行消除。此外，游樂設施服役環境大多為戶外，光線等背景環境可能對采集數據產生影響，等等。

5 結語

針對傳統檢驗檢測手段在高大結構型式特種設備使用上存在的不足，無人機機載檢測技術可以很大程度上彌補之。本文旨在介紹了無人機機載檢測系統組成及工作原理，探討了無人機機載檢測系統在大型結構的起重機械、游樂設施檢驗方面的應用，并與傳統檢測手段比較分析了優缺點。對無人機在特種設備檢驗檢測方面做了有益的嘗試，豐富了檢驗檢測技術手段，有助于提高設備運行的安全狀況。但囿于無人機及其機載荷載系統等方面的技術發展有待進一步完善，應該結合多種檢驗檢測方法，發揮各自優勢，才能夠客觀全面評估設備安全狀況。

參考文獻：

[1]林偉明.典型游樂設施復雜工況下風險評估及故障預防研究[D].北京化工大學，2013.

[2]畢陳帥，卞敬，周蕊，等.基于曳引系統的某飛行塔類游樂設施監督檢驗和定期檢驗研究[J].中國特種設備安全，2017，33（1）：35-40.

[3]黃濤.小型無人機在公共安全領域的應用前景展望[J].第二屆今日財富論壇，2015：416.

[4]張啟元.無人機遙感在青藏高原的應用現狀及前景探討[J].青海師范大學學報（自然科學版），2015（4）：68-71.

[5]彭玲麗，黃少旭，張審審，等.淺談無人機在橋梁檢測中的應用與發展[J].交通科技，2015（6）：42-44.

[6]南京市特檢院繼續推進大型起重機結構無人機載智能視覺檢測系統研究[EB/OL].http：//www.njtjy.org.cn/art/2016/10/27/art_2851_471614.html，2016-10-27.

[7]王福綿.2006—2011年起重機械事故統計分析與防范[J].中國特種設備安全，2013，29（2）：49-51.

[8]游樂設施安全技術監察規程（試行）[S].2003.

[9]起重機械維護保養管理規范[S].2011.

[10]張吉祥.基于物聯網技術的電梯遠程實時監測系統的研究[D].南京林業大學，2013.

[11]徐凱.基于物聯網的起重機風險評估系統的研究[D].南京航空航天大學，2013.