機器人聯合巡檢系統在CCPP項目中的應用

馬鞍山鋼鐵股份有限公司 李 通 晏 超

此前機器人聯合巡檢系統多應用于核領域，這是由于核領域的工作環境更需要機器人聯合巡檢系統，在一般的領域中很難找到機器人聯合巡檢系統的應用。但這并不意味著機器人聯合巡檢系統在一般領域中沒有位置，相反一般領域更需要自動化，更需要可靠的機器人聯合巡檢系統來解決檢查和監視問題。

燃氣蒸汽聯合循環發電機組（簡稱CCPP）是指在燃氣和蒸汽輪機聯合工藝中，將熱量轉化為機械能的工廠。在煤炭氣化或煤燃燒的聯合循環工藝中，將固體燃料轉化為燃氣或熱增壓氣體，然后用于燃氣和蒸汽輪機工藝，是我國節能減排戰略實施的重要部分。現階段在CCPP項目中應用機器人聯合巡檢系統有幾個障礙：缺乏廣泛的商用自主機器人。由于CCPP項目的檢查問題更多地與異常檢測和物體識別有關、而不是導航，而目前的視覺系統在一般物體識別和場景解釋任務中性能較差；CCPP項目配置和環境的多樣性。在CCPP項目中應用機器人聯合巡檢系統有一些難以到達的地點，而這往往需要特別昂貴的機械工程。此外其他的應用障礙還包括部分CCPP項目還沒有建立自動檢查的考慮等[1]。

1 CCPP中機器人聯合巡檢系統的構成

傳統機器人已建立了在各種環境中的應用，如自動化和遠程探索，專注于工業和科學設施、工業機械和移動遙控平臺等。在危險環境中傳統機器人作為單一的專業化機器人系統具有諸多優點，但其固定的機器人結構限制了它們的發展，限制了機器人的擴展能力。相比之下，機器人聯合巡檢系統有更大的應用可能性，這是因為其由不同的模塊組成，大致可分為單個基本模塊(如m-tran)和不同的基本模塊(如智能模塊)。不同模塊允許機器人配置動態地適應在環境中繼續執行諸如運動、導航和執行任務等操作[2]。

在CCPP項目中，基于燃氣蒸汽聯合循環發電機組的構成和特點，機器人聯合巡檢系統主要覆蓋主廠房區、高壓廠變壓器室（勵磁室）、升壓站區、煤氣管道區、余熱鍋爐的主要設備，起到智能化、系統化、信息化的檢測目的。系統主要構成和參數為：

紅外熱像儀：設備成像分辨率384×288，測溫范圍-20～550°C，測溫精度為±2℃或讀數的2%，響應波長8～14μm，實時顯示影像中溫度最高點位置及溫度值；可見光高清機：200萬像素逐行掃描1/2.8”CMOS，最大分辨率可達1920×1080，30倍光學變倍（室內輪式機器人為20倍），LED補光燈；云臺：水平方向0～360°，垂直方向-90°～90°。

氣體傳感器：掛軌機器人可探測氣體O2、H2S、CO、CH4、煙霧，測量范圍H2S0～100ppm、CO0～500ppm、O20～20%Vol、CH40～100%lel、煙霧0～100ppm；室內輪式機器人SF6測量范圍0～10ppm，O3測量范圍0～10ppm；防爆機器人煤氣泄漏檢測（CO氣體）。

溫濕度傳感器：測量范圍為溫度-40℃～+60℃、濕度0%～100%RH，測量精度為溫度±0.5℃、濕度±2%RH；聲音采集器：頻率響應3.15Hz～10kHz；局放傳感器：室內輪式機器人。檢測頻帶為超聲波30～500kHz、地電波3～100MHz，測量范圍為超聲波-6～70dBuV、地電波0～60dBmV，測量精度±1dB，測量分辨率0.1dB。

2 CCPP中機器人聯合巡檢系統的功能

CCPP的運行具有多種熱力循環配置，嚴格位置的熱力學循環的分類取決于可用燃料的類型及從工廠獲得的不同用途。機器人聯合巡檢系統通常由兩個獨立的實時計算機系統、或一個完全集成的系統來管理，通過連接點到點或一個現場總線到其控制回路所需的所有過程數據來操作。所有額外的數據，如金屬溫度、振動和噪音都由監控系統收集，允許操作員實時監控狀況并預測風險情況。在具體應用中，機器人聯合巡檢系統由傳感器通過測量物理量、如壓力和溫度收集信息。大多數的機器人聯合巡檢系統采用計算機人工視覺系統，通過多種算法對圖像進行采集和處理，從而提取多種任務相關信息。

CCPP中機器人聯合巡檢系統需要具備下述功能：信息交換與通信網絡功能。系統應滿足電站有關信息安全的標準或文件要求；自檢功能。自檢內容包括電源、驅動、通信和檢測設備等部件的工作狀態；巡檢功能。系統應支持全自主和遙控巡檢模式；檢測功能。包括溫度檢測、儀表讀數識別、水油泄露檢測、高溫高壓蒸汽泄漏檢測、噪聲識別、局放檢測等；系統互聯功能。遵循相關接口協議標準，提供與電站綜自系統、生產管理系統、消防系統、安防系統、視頻系統等的接口，并能與消防安防系統聯動；輔助功能。包括音視頻遠傳、報警功能、微氣象數據采集、防碰撞、防跌落、巡檢報告、自主充電、夜間照明等；控制功能。系統應能正確接收本地監控后臺的控制指令[3]。

3 CCPP中機器人聯合巡檢系統的應用問題與解決方案

3.1 巡檢功能缺失問題及解決方案

目前大多數已投入運行的機器人聯合巡檢系統基本能完成對站內一次設備的全面巡檢，但由于站內直流系統及二次設備多位于變電站獨立的小室或是主控樓內、且室內設備的門口均設置有防鼠擋板，這客觀上給巡檢機器人設置了路障，使之無法有效地對此類設備開展巡視檢查工作[4]。然而站內直流系統及二次設備對變電站的安全穩定運行同樣至關重要。因此，使巡檢機器人能夠有效發揮自主判斷，對二次設備與直流系統完成巡檢是必要的。

解決方案：先前的工作允許重復覆蓋的路徑，但忽略了訪問該區域中的點的頻率。鑒于此，基于頻率的優化巡檢算法可確保最大均勻頻率，即目標區域中的每個點都以相同的最佳頻率覆蓋。該解決方案基于找到一條訪問該區域所有點的圓形路徑，同時考慮了地形方向性和速度約束。機器人可在最短時間內均勻地沿著這條路徑定位。從至少要使一個機器人正常工作的情況下，就可實現巡檢的均勻頻率意義上說，該解決方案是可靠的，并將對系統的干擾降到最低。

3.2 抗干擾能力缺失問題及解決方案

在霧霾天氣日益頻發的地區，激光束在霧霾環境中會受到水分、塵埃等的影響發生折射現象而發散，導致激光定位及導航失效。因此，采用激光制導的機器人聯合巡檢系統可能會受到霧霾天氣的影響，從而造成巡檢質量下降，甚至不能完成指定巡檢任務等情況的發生[5]。

解決方案：視覺信息處理的有效應用可擴展移動服務機器人的自主性和可操作性，特別是機器視覺與植物信息系統的集成，對于解決機器人聯合巡檢系統抗干擾能力的缺失問題十分重要。基于視覺的定位技術可用于導航，但對于物體識別和場景解析更為關鍵。結合傳感器進行圖像處理以識別周圍環境，以實現惡劣環境中巡檢任務的精確長時間運動。針對機器人視覺系統可設計適當的圖像處理硬件和軟件集成，利用現場可編程門陣列圖像處理器件和實時設備驅動器對設備I/O進行快速、確定性時間響應的開發。定時圖像數據可用于目標識別、云臺電機控制、數據通信等應用軟件。視覺導航系統為機器人在環境中識別位置和方向提供了自動校正自定位功能，可以不偏離路線繼續自主重復巡檢。

3.3 巡檢數據偏差問題及解決方案

在實踐中，CCPP中有部分壓力表、油位計相對于地面的位置過高、夾角過大。當巡檢機器人行進到固定監測點位時，機器人云臺攝像頭對目標設備或表計亦有著相對較為固定的角度，不利于巡檢機器人的觀測，也對機器人采集數據造成了影響。例如，有些壓力表隱藏于設備表面下部或是表計指針過小而不方便機器人采集數據[6]。

解決方案：為解決巡檢數據偏差問題，在輸入最小化的情況下對機器人聯合巡檢系統進行線性二次調節器的最優控制。相比于大多數機器人只能以恒定的速率移動，基于螺桿運動的巡檢機器人其操縱角也可控制，以應對運動的俯仰率并繞過可能的障礙物。此外，由于機器人具有多于一個控制輸入的多變量，因此最小化其控制輸入非常有用。實踐證明，所設計的機器人能以可控的俯仰速度和可接受的精度運動，同時可避免障礙物并優化了能耗。

綜上，由于重復使用模塊來實現不同的形態和功能，機器人聯合巡檢系統的復雜性隨著模塊數目的增加而增加，因此，除需考慮模塊化機器人聯合巡檢系統的魯棒控制和操縱之外，還需考慮機器人聯合巡檢系統的實踐應用。只有這樣才能進一步降低機器人聯合巡檢系統發生故障的幾率，提升自動化水平。