淺談機器人在國內火電廠的應用研究

陳家穎，章偉杰，張 強，郭 榮

（上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 201100）

0 引言

2018年中國的火電發電裝機容量位114367萬千瓦，比2017年增長了3.50%，占總發電裝機容量的60.20%[1]。火電是國內電力生產的主體，火電廠高效穩定運轉是國內經濟民生的重要保障。近年來經濟發展對電力需求不斷增大，火電規模的隨之擴大，對火電機組運行的安全性和穩定性的要求更加嚴格。從國家高技術研究發展計劃（863計劃）、國家重點研發計劃到《新一代人工智能發展規劃》等國家戰略規劃中，機器人技術始終得到充分的肯定和重視，是未來高新產業發展的重要基石。

機器人具有出色的環境感知能力和精確的控制能力，能代替人類執行危險復雜的任務，使其能在眾多的領域得到應用。火電廠機器人以移動機器人為主，根據應用場景其又可分為檢測機器人、操作機器人和維修機器人3種[2]。檢測機器人通過對開關柜、輔機設備和管道的巡查測量，收集溫度、振動及氣液泄漏數據。操作機器人主要涉及代替人開展開關柜帶電操動開關、灰庫清灰等高危作業。維修機器人的應用，包括對水冷壁管道裂紋的檢測、尾部煙道的磨損分析及灰渣鐵銹的清潔處理等。

本文針對近年來移動機器人技術的一些主要研究進展進行介紹，并分析國內火電廠機器人技術研究現狀，梳理分析火電廠機器人應用中的關鍵技術，以及未來的發展趨勢。

1 移動機器人技術的發展情況

“移動”是區分移動機器人與其他類型機器人的重要特征，它要求機器人具備移動能力，包括遙控操縱或者自主移動，具備環境感知能力和環境適應性。移動機器人可以分為輪式、履帶式、腿足式、仿人形、水下和飛行機器人等。世界第一臺移動機器人Shakey誕生于1972年，它依靠電子攝像機、三角測距儀及碰撞傳感器等進行環境感知，通過無線通信由兩臺計算機控制及規劃行動路徑[3]。1988年，由Smith、Self和Cheeseman提出SLAM[4]（Simultaneous Localization and Mapping）, 即同步定位與建圖，利用攝像頭等傳感器實時更新本體坐標和根據周圍環境特征建圖，使機器人在未知環境中實現自主定位和導航。1997年，探測機器人Sojourner Rover登錄火星，由于缺乏自我定位條件，它只能依靠科學家的遠程操縱在著陸器附近進行小范圍探索[5]。2000年，本田公司開發的人形機器人ASIMO身高1.3m，體重48kg，可以通過提前改變重心完成許多復雜靈活的動作，依靠足跡規劃器進行避障導航[6]。2012年6月，中國船舶科學研究中心自主研發的作業型深海潛水器“蛟龍號”，長、寬、高分別是8.2m、3.0m與3.4m，最大荷載是240kg，最大速度為25 n mile/h，在海試中破紀錄的下潛至7062.68m，并進行了水下的探測作業。2020年，波士頓動力公司的機器人Spot在海上油井服役[7]，它能以1.6m/s,運行90min，搭載立體攝像機，具有360°的視野，輕松完成避障，可以有效載重14kg，搭配定制傳感器或者機械臂，用于完成讀取儀表，檢測氣體泄漏等工作。

2 國內火電廠機器人技術應用現狀

一方面，火電廠的設備具有連續運轉時間長，安全可靠性要求高的特點，因此需要對大量設備的運行狀態進行定時定點檢測，需要投入大量的人員和檢測設備進行日常的點巡檢工作，而一臺搭載著多樣檢測儀器，能實現測溫、識別開關狀態、讀取儀表示數及自動充電的智能巡檢機器人，不但能代替人類完成點巡檢工作，而且還能降低巡檢風險；另一方面，由于經濟性的原因，火電廠現在實行的是定期檢修，檢修時間短，通常一個小修周期僅10～15天，這對設備檢測的準確性和快速性有很高的要求。以鍋爐水冷壁檢測為例，從停爐冷卻到環境溫度降至能夠允許人員進入就需要2～3天，還需要搭建腳手架，由檢修人員相互配合，手持檢測儀器對每根管子進行檢測標記，而利用水冷壁檢測機器人[8]不但能減少人員投入，提高檢測的準確性，還能縮短檢測時間，降低檢測人員操作安全風險。

張燕東[9]等人研制的智能巡檢機器人集成了跑冒滴漏檢測、聲音泄漏檢測、激光測振及拾音等功能，在電廠中示范應用，達到預期效果，在專家系統、立體巡檢方面還可以進一步優化，以滿足無人巡檢的要求。陳建忠[10]等人研制的輸煤廊道巡檢機器人采用分體式結構，鏈條形構型，根據編碼器和RFID定位，可以測量溫度、聲音和振動，通過圖像識別技術辨別開關柜狀態、皮帶跑偏和漏煤，能夠有效預防皮帶跑偏、廊道火災等事故發生，解決了輸煤廊道難以實時監測，監管不足的問題，提高了設備運轉的安全性。張學劍等人[11]設計的流化床鍋爐水冷壁壁厚檢測的永磁吸附式爬壁檢測機器人，優化了永磁吸附結構，提高了機器人的負重能力，能夠搭載更多檢測設備，提高檢測效率。姬鄂豫[12]等人將WSD清洗機器人用于600MW機組的凝汽器清洗，采用智能化控制，用高壓水清理凝汽器內壁和管口，相比傳統的膠球清洗和優化反沖洗方式，不僅節約了成本，而且操作簡單，耗時短，清洗效果良好，提高了凝汽器的清洗效率。吳小輝[13]研發了一種發電機在線檢測機器人系統，能夠在不抽轉子的情況下實現發電機的可視化檢測、定子槽楔松動和定子鐵心電磁缺陷檢測，完成發電機定子關鍵部件的劣化評估，降低抽轉子造成的設備損毀風險，提高檢測效率。嚴禎榮等人[14]針對螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫裂紋的產生特性，開發了一種專用微型超聲波檢測探頭和超聲波檢測儀器，在狹小的檢測面積上實現了雙面鰭片焊縫缺陷檢測，能夠方便、有效地應用到超超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁檢修環節。

3 火電廠機器人關鍵技術

3.1 移動平臺

火電廠機器人主要分為軌道式、輪式和履帶式。軌道式機器人可以搭載濕度、溫度、深度攝像頭等傳感器，在固定的軌道上運行，軌道可以貼近地面也可以安裝在吊頂，檢測范圍限于軌道周圍。機器人在軌道上運行不必擔心偏離既定路線且定位更加容易[15]，在電廠中可以用于輸煤廊道和狹長管道的監測。為實現更大的檢測范圍和實現更好的檢測效果，需要重點關注軌道的布局、機器人的供電方式[16]、爬坡和彎道處的速度控制以及在需要穿越密閉空間時應在穿越處因加裝控制門等。輪式機器人具有運行平穩，移動靈活的特點，爬坡和越障能力一般，可以搭載多種類型的傳感器和機械臂，主要用于生產區的巡邏檢測，利用自主無線充電[17]可以保障機器人的續航能力，提高設備安全性和有利于實現機器人的無人化巡檢。履帶式機器人具有較強的爬坡和越障能力，配合磁吸附技術[18]，可以輕松在豎直壁面上運動，適用于管道和豎直壁面的檢測清理，但這種結構自重較大，對其載重能力一般，搭載設備盡量輕便化，對不同的傳感器的接入方式重點研究，以實現多樣化的檢測功能。

3.2 自主導航

火電廠機器人主要用于代替人進行巡檢或者檢修，通常沒有人為引導，故需要較高的定位精度和穩定的自主導航能力。機器人的工作環境大多處于封閉昏暗，遮擋較多，無法依靠單一的GPS技術或者RFID技術進行精確定位和自主導航，需要采用多傳感器融合技術。王消為[19]提出一種雙目視覺與激光雷達信息融合的組合導航方法，充分利用來自不同傳感器的數據信息提供的冗余信息，以提高移動機器人環境特征定位的精確性和特征識別的可靠性，建立包含世界坐標系的路標數據庫，并獲得全局環境下的特征地圖進而實現移動機器人的自主導航。馮劉中[20]基于信息融合理論和機器人導航定位基本原理，將地圖構建與地圖匹配作為導航定位信息融合的一部分,將環境特征提取作為局部絕對定位的一種信息來源，融入到多傳感器融合算法中，為基于多傳感器信息融合的導航定位提供了一種新的方法和途徑。

3.3 檢測技術

檢測技術是機器人實現其功能的核心。火電廠機器人主要的檢測需求包括儀表表盤示數讀取、開關狀態識別、氣液泄漏辨別和管壁檢測等。儀表表盤數據包括對指針型[21]、刻度型和和電子示數型等儀表的讀數，利用圖像識別和深度學習算法進行讀取，需要注意消除光線干擾和指針抖動的影響，保證讀數準確。開關狀態識別類型根據開關種類可以分為顏色辨別、旋鈕角度識別和開關上下位置識別。由于開關柜內的開關分布密集、數量眾多，標識編號相似，在開關的狀態識別之前首先要保證開關位置和標識準確識別[22]。氣體泄漏檢測可以利用氣體檢測裝置，如用金屬氧化物傳感器檢測氫氣泄漏[23]和紅外成像技術等進行檢測[24]。液體泄漏可以分為滲漏、滴漏和線漏等，滴漏和線漏等較明顯的泄漏可以采用可重復利用的液體傳感器進行檢測[9]，但是當設備出現滴漏甚至線漏現象時，設備的安全性已經大大降低。滲漏表現不明顯，滲漏檢測是防患于未然的關鍵，目前還沒有有效簡便的檢測方法，應當是未來研究的重點方向。鍋爐爐膛管壁檢測可以采用超聲波和渦流等技術，對管壁進行無損檢測[25]。超聲波檢測的應用范圍廣，包括管材、焊接縫和復合材料等，適宜檢驗厚度較大的工件，容易受探頭掃查區域的平整度和粗糙度影響，需要在表面涂抹耦合劑才能獲得更精確的檢測精度，無法對嚴重腐蝕的表面進行檢測，利用超聲成像技術可以克服其缺陷顯示不直觀、難以判斷的缺點[26]。渦流檢測是根據導體在交變磁場中產生的感應電流的變化來判斷導體狀態和性質，檢測范圍大，采用多通道的探頭可以縮短檢測時間[27]。遠場渦流對管道的周向裂紋具有很好的檢測能力，軸向裂紋檢測能力一般[28]，通過采用馬鞍形的外置式探頭可以顯著提高鍋爐爐管檢測覆蓋率和效率[8]。

3.4 多機器人聯合管理平臺

隨著機器人技術在火電廠的深層應用，會有更多的功能類型的機器人參與到火電廠的各項工作中，多機器人協同作業不僅能夠應對復雜多變的應用場景，同時也能高效整合已有資源，充分發揮各類機器人的優勢，降低開發成本，縮短從研發到應用的時間。為了確保各個機器人之間能夠準確有序地完成各自分工，需要建立一個統一的多機器人聯合管理平臺。將所有機器人用一個統計的平臺進行管理和數據交互，使參與到同一任務的機器人采用完全集中的運動規劃，即由一個集中的規劃器來規劃所有機器人的運動[29]，使它們之間的運動不會相互干擾。張特[30]從無人機自身位姿估計、稠密制圖、基于地面機器人領航的協同控制和旋翼機與地面機器人間的數據通信這4個方面，對輕小型旋翼無人機與地面機器人（UGV）在無衛星導航信號條件下的自主協同運動進行研究，取得良好的實驗效果。同時，建立多機器人聯合管理平臺可以整合來自各個機器人的檢測數據、自身的運行狀態，方便對各個機器人進行實時監測和管理。統一的管理平臺需要建立規范的數據接口體系并保障機器人與平臺、機器人與機器人之間的數據通信暢通高效，確保來自不同制造廠商的機器人、不同類型的檢測設備的數據能夠被準確識別、接收和傳達。

4 結束語

對移動機器人技術的發展情況進行介紹，對國內火電廠機器人技術的現狀進行研究，并對火電站機器人的關鍵技術從移動平臺、自主導航、檢測技術和多機器人聯合管理平臺4個方面進行梳理分析。機器人已經在火電廠的智能巡點檢，機、爐、電、輔、環關鍵主輔機設備重要部件的劣化評估、預測性維護等方面得到應用，并獲得良好的效果，未來它在電廠將有更多的應用場景，對其結構設計、環境感知及檢測技術會有更高的要求，要充分掌握功能需求和應用環境，選擇合適的移動平臺和儀器儀表傳感器技術，可以在原有的機器人上擴展新的功能，采用多機器人協作的方式實現新的應用需求。