智能巡檢機器人在大壩廊道運維中的應(yīng)用

王 波，趙 遠 ，劉 喜 泉，曹 仲，李 劍 波

(1.向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644600； 2.中國三峽集團有限公司 科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100038； 3.長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，湖北 武漢 430070； 4.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

近年來中國的水電建設(shè)事業(yè)得到了飛躍發(fā)展，金沙江水電基地的溪洛渡、向家壩水電站已經(jīng)成功投入運行，烏東德、白鶴灘水電站也即將全部投產(chǎn)[1]。向家壩水電站是金沙江下游河段四大水電梯級中的最后一級，安裝有8臺800 MW水輪發(fā)電機組。為了確保向家壩水電站大壩安全，需要對壩基廊道進行長期巡檢。但壩基廊道環(huán)境復(fù)雜、線路冗長，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，極大增加了維護人員的巡檢風(fēng)險。此外，人工巡檢費時費力，也容易導(dǎo)致漏檢，因此實時掌握大壩廊道環(huán)境狀況，及時發(fā)現(xiàn)廊道內(nèi)設(shè)備運行隱患，研發(fā)智能巡檢機器人成為首選解決方案[2-3]。本文通過探究軌道式巡檢機器人在壩基廊道的具體應(yīng)用，提出了采用智能機器人代替人工巡檢的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)簡介

向家壩水電站廊道智能診斷系統(tǒng)是多傳感器融合技術(shù)、視覺識別技術(shù)、視頻安防技術(shù)、計算機云平臺技術(shù)的有機結(jié)合，實現(xiàn)大壩廊道的日常巡檢和數(shù)據(jù)采集。通過在廊道頂部敷設(shè)軌道和引入智能巡檢機器人，對大壩廊道進行動態(tài)巡檢和在線監(jiān)測，實時診斷廊道內(nèi)的設(shè)備運行狀態(tài)。巡檢機器人以智能診斷平臺為基礎(chǔ)和核心，數(shù)據(jù)傳輸采用 TCP /IP 綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與WiFi無線信號網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測、故障報警、聯(lián)動控制和集中管理的目標(biāo)[4]。智能巡檢機器人系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計如圖 1 所示。

圖1 智能巡檢機器人系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計Fig.1 Design of inspeotion robot’s system frame

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 巡檢機器人

智能巡檢機器人采用防爆、防腐、防水車體設(shè)計，可沿高強度鋁合金軌道往返運行，實現(xiàn)大壩廊道的現(xiàn)場巡檢，完成應(yīng)急處置工作。智能巡檢機器人主要由控制中心、驅(qū)動裝置、掛載系統(tǒng)三大部分組成，巡檢機器人如圖2所示。

圖2 巡檢機器人示意Fig.2 Schematic of inspection robot

控制中心負責(zé)巡檢機器人水平行走和大角度爬坡，進行防碰撞傳感器、水平行走高精度定位條碼和各種在線傳感器的實時數(shù)據(jù)采集。定位檢測系統(tǒng)由工業(yè)條碼標(biāo)簽與高精度條碼掃描儀組成，定位精度可控制在1 cm以內(nèi)。

驅(qū)動裝置是智能巡檢機器人的動力核心，由主、從行走機構(gòu)及限位裝置構(gòu)成。驅(qū)動電機具備“S”曲線加、減速緩沖功能，克服了傳統(tǒng)電機加速突變及啟動沖擊的缺點。巡檢機器人水平方向行走采用雙步進電機驅(qū)動，最快移動速度可達20 m/min，適用于需要較長巡航路徑的工作環(huán)境。方案設(shè)計中，按每3 000 m廊道配置1臺巡檢機器人，可對廊道環(huán)境狀態(tài)實現(xiàn)連續(xù)、高效的動態(tài)數(shù)據(jù)采集。

巡檢機器人配置有垂直升降云臺機構(gòu)，垂直升降距離可達1 m，云臺支持水平360°旋轉(zhuǎn)，垂直90°～-90°動作，全面監(jiān)視巡檢區(qū)域[5]。車載傳感器采用模塊化、可擴展的設(shè)計方式，支持在線更換傳感器，實現(xiàn)視頻監(jiān)控與圖像識別、紅外成像與火災(zāi)預(yù)警、語音對話等功能[6-7]。另外，根據(jù)現(xiàn)場需求特別配置了O2、CO、H2S、CH4氣體傳感器，實現(xiàn)對廊道氣體環(huán)境的實時監(jiān)測[8]。

巡檢機器人行走速度可實時調(diào)整，具備超聲避障功能，并設(shè)計了多重安全防護。巡檢機器人自動行走過程中，在40 cm范圍內(nèi)遇到障礙物時能主動停止移動并報警，當(dāng)障礙物移除后能自動恢復(fù)行走。巡檢機器人可通過導(dǎo)航地圖設(shè)定移動范圍，并在軌道兩端安裝機械限位塊防止脫離軌道。巡檢機器人具備軟啟動行走功能，上下斜坡及轉(zhuǎn)彎時減速運行，完成后恢復(fù)設(shè)定速度直線運行。

2.2 機器人軌道系統(tǒng)

機器人沿懸掛軌道行走，采用雙步進電機驅(qū)動，爬升功能采用在軌道上敷設(shè)輔助鏈條實現(xiàn)[9]。軌道基體采用高60 mm、寬60 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋁型材，表面陽極氧化，可根據(jù)現(xiàn)場安裝要求靈活切割成0.3～3.0 m長度。軌道安裝在向家壩水電站左消力池底板排水廊道頂部，廊道斷面為城門洞型，選取兩縱一橫的典型廊道結(jié)構(gòu)，軌道總長206 m(見圖3)。A、B、C、D段為廊道直線段，在廊道E段設(shè)置有約3 m長、坡度為45°的爬坡軌道，廊道剖面尺寸1.9 m×2.4 m(寬×高)，上側(cè)布置電纜橋架，底部設(shè)置排水溝槽。

圖3 廊道結(jié)構(gòu)(單位：m)Fig.3 Corridor structure diagram

向家壩水電站大壩排水廊道通過干支結(jié)合形成系統(tǒng)管廊，存在眾多“T”字型接口和“十”字型接口，在以上路口均設(shè)置變軌裝置，當(dāng)巡檢機器人行走至分岔路口時，變軌裝置將不同方向的軌道進行連接，完成分叉路的轉(zhuǎn)換。由于廊道中存在長距離大坡度軌道，因此額外研發(fā)了輔助裝置幫助機器人提升爬坡能力。

2.2.1軌道交叉點變軌

變軌裝置采用旋轉(zhuǎn)式變軌方式，由控制箱、變軌機構(gòu)、變軌電機和傳感器組成。適用于“T”字型、“十”字型、“米”字型等多種接口的交叉變軌。當(dāng)巡檢機器人行走至變軌裝置中部時，變軌PLC接收到系統(tǒng)發(fā)送的變軌命令，變軌電機驅(qū)動攜帶巡檢機器人的導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)90°，由橫向軌道變?yōu)榭v向軌道完成變軌動作[10-11]?？刂葡到y(tǒng)采集變軌完成信號，通知巡檢機器人繼續(xù)巡檢，變軌裝置如圖4所示。

圖4 變軌裝置示意Fig.4 Schematic diagram of rail changing device

2.2.2巡檢機器人45°爬坡

在大坡度軌道兩側(cè)鋪設(shè)輔助鏈條，機器人在長距離爬坡時，采用滾動輪與鏈條輪聯(lián)合驅(qū)動的方式為行走輪提供爬坡動力，并在軌道底部及兩側(cè)各布置導(dǎo)向輪，防止機器人走偏和傾翻。在水平及小坡度行走區(qū)域，機器人僅靠滾動輪完成行走，巡檢機器人爬坡原理如圖5所示。

圖5 機器人爬坡裝置Fig.5 Climbing device of robot

2.3 廊道智能診斷系統(tǒng)

廊道智能診斷系統(tǒng)包括實時監(jiān)控、任務(wù)管理、巡檢分析、用戶設(shè)置、系統(tǒng)維護六大功能模塊。診斷系統(tǒng)具有智能巡檢和智能分析功能，對廊道環(huán)境信息、設(shè)備運行狀態(tài)、人員作業(yè)情況等進行實時監(jiān)視，完成自動巡視、定點拍照、循環(huán)錄像等智能識別，實現(xiàn)火災(zāi)探測報警、氣體濃度采集、墻體滲水監(jiān)測、排水溝水位識別等智能分析。廊道智能診斷系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)隔離后接入電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)電站運維人員和巡檢機器人的遠程信息交互；同時能通過手機、平板等移動終端APP對巡檢機器人車體、云臺、攝相機進行遠程操作，實時監(jiān)視廊道環(huán)境，獲取巡檢機器人工作狀態(tài)[12-13]。廊道智能診斷系統(tǒng)如圖6所示。

2.3.1廊道水位識別技術(shù)

排水溝水位圖像識別算法采用C++語言編程，由于巡檢機器人在行駛過程中存在位置偏差，導(dǎo)致攝像機框選位置產(chǎn)生偏差，需利用匹配技術(shù)對水位標(biāo)尺進行精準(zhǔn)定位，消除機器人位置偏差對目標(biāo)的干擾，確保識別過程中位置、角度、參數(shù)高度一致。將匹配到的結(jié)果圖截取后進行色調(diào)轉(zhuǎn)化，完成顏色(LUV、HSV)通道分離，轉(zhuǎn)化成黑白二值化圖像，再通過分析二值化圖像輪廓，形成識別模型提取水位標(biāo)尺刻度[14]。廊道排水溝水位識別結(jié)果如圖7所示。

2.3.2墻體裂縫識別技術(shù)

通過對墻體裂縫圖像進行高斯背景建模，利用背景檢測技術(shù)提取裂縫，對提取的裂縫進行輪廓分析，計算出輪廓大小并保存到歷史數(shù)據(jù)庫。采用預(yù)置點進行圖像特征匹配，實現(xiàn)對墻體裂縫檢測以及裂縫大小趨勢分析。墻體裂縫圖像識別如圖8所示。

圖8 墻體裂縫圖像識別Fig.8 Recognition of wall cracks image

2.3.3火災(zāi)事故預(yù)警技術(shù)

由于廊道內(nèi)安裝有電纜橋架，故存在電纜火災(zāi)風(fēng)險。巡檢機器人搭載了煙霧傳感器和紅外熱像儀，對所需測溫設(shè)備進行溫度掃描和熱成像圖片采集。智能診斷系統(tǒng)獲取紅外圖像特征信息，提取目標(biāo)圖像實現(xiàn)對廊道內(nèi)設(shè)備的溫度識別。當(dāng)采集的溫度超過設(shè)定閾值時，由智能診斷系統(tǒng)后臺軟件生成報警信息，實現(xiàn)火災(zāi)事故預(yù)警。

2.3.4有害氣體檢測技術(shù)

大壩壩基廊道內(nèi)存在多種氣體，特別是H2S和CH4容易局部聚集，對員工職業(yè)健康和安全生產(chǎn)危害極大，也是巡檢機器人的重要監(jiān)視對象。巡檢機器人搭載多傳感系統(tǒng)對廊道內(nèi)環(huán)境特征數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，傳感系統(tǒng)包括O2、CO、H2S、CH4等氣體傳感器。

3 附屬設(shè)備

3.1 通信系統(tǒng)設(shè)計

在廊道內(nèi)，每隔200 m布置一個支持快速切換的無線基站，巡檢廊道內(nèi)安裝2個無線AP裝置，實現(xiàn)巡檢機器人車載系統(tǒng)與智能巡視診斷系統(tǒng)全覆蓋、無間斷漫游通信[14-15]。2個無線AP裝置漫游轉(zhuǎn)換平均時間為35 ms，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互提供了大于60 Mbps的有效帶寬，每個無線AP裝置通過光纖與智能巡視診斷系統(tǒng)主交換機連接，可以保證視頻、音頻等各類數(shù)據(jù)實時可靠傳輸。巡檢機器人通信系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 巡檢機器人通信系統(tǒng)Fig.9 Communication system of inspection robot

3.2 電源系統(tǒng)配置

巡檢機器人采用內(nèi)置DC24V鋰電池供電，在軌道的巡檢起點和終點分別設(shè)置分布式無線充電裝置給巡檢機器人鋰電池充電[16]。無線充電裝置采用AC220V供電，具備浪涌保護功能。當(dāng)巡檢機器人檢測到鋰電池電壓低于額定電壓30%時，巡檢機器人自動返回最近的無線充電點進行充電，充電完成后繼續(xù)開展巡檢作業(yè)。無線充電裝置采用大功率電磁感應(yīng)快充技術(shù)，最大充電電流10 A，充電距離4～15 cm。無線充電裝置具有過充保護功能，電池充滿后自動關(guān)閉充電電源。電源系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 巡檢機器人電源系統(tǒng)Fig.10 Power system diagram of inspection robot

4 結(jié) 語

將智能巡檢機器人應(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強度。廊道智能診斷系統(tǒng)采用機器視覺算法、智能控制、大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)，對巡檢機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)信息進行有效融合，通過智能化深度學(xué)習(xí)后實現(xiàn)墻體裂縫識別、廊道水位檢測、火災(zāi)事故預(yù)警、有害氣體檢測等智能診斷功能。廊道巡檢機器人的成功研發(fā)和應(yīng)用，為無人值班(少人值守)水電站運行提供了堅實基礎(chǔ)，也為水電站開展智慧大壩建設(shè)進行了有益探索。