陳珍CHEN Zhen；劉積喜LIU Ji-xi；冼小強XIAN Xiao-qiang；甘楊成GAN Yang-cheng；徐光平XU Guang-ping；馮冰FENG Bing；楊文明YANG Wen-ming

（①廣東粵電陽江海上風電有限公司，陽江 529800；②北京中安吉泰科技有限公司，北京 100000）

0 引言

風能作為一種可再生的清潔能源，對緩解能源危機和減少碳排放總量有著重要作用，是清潔能源體系的核心組成部分，是我國實現碳中和、碳達峰目標的重要能源形式，近年來受到越來越多的重視。風電機組作為將風能轉化為電能的核心裝備，其安全高效的運行是風電能源供應的有力保障。而風電機艙作為承載風電機組的核心關鍵部件的地方，其內部設備、參數是否正常運行，對風電機組的可靠穩定運行起著至關重要的作用。

目前，針對風電機艙內巡檢作業只有采用人工方式，即按照既定的巡檢計劃，檢修人員定期爬到機艙內部，對機艙的內部情況、各項參數等做檢查。由于風電場建設的位置多在偏遠山區、海上等交通不便的地方，尤其是海上風場，做一次巡檢成本較高，當風機在保修期內時，其巡檢工作是由設備廠商承擔，但是當設備出保，巡檢工作將交給風場自己完成，將面臨成本高、頻次低、實時性差、工人安全保障等問題，因此亟需采用新型的自動化、智能化的方式，在提高巡檢實時性的同時，實現低成本、安全、高效、可靠的機艙巡檢。

機艙內巡檢內容內容包括發電機、主軸、齒輪箱等設備是否正常運轉，檢查儀表讀數，設備是否報警，是否有異響、高溫、跑冒滴漏等現象，并對設備的關鍵部位進行檢查。針對前述巡檢工作存在的問題，經我方充分調研論證，研制適合在風機機艙內運行，搭載攝像頭、云臺、升降桿、傳感器等設備的掛軌巡檢機器人，結合人工智能、大數據技術，滿足關鍵巡檢要求。

1 機器人介紹

風電機艙巡檢機器人系統是在風機機艙內部懸掛軌道，機器人運行在軌道之上，自動完成指定巡檢任務，對檢查點按照預設的檢查方式獲取檢查數據，并將結果存入軟件系統，通過軟件系統的可視化模塊展示。該系統包含機器人本體和軟件系統兩部分，具備核心能力如下：

①全方位多通道聯合檢測：除傳統的紅外測溫、可見光檢測外，有害氣體泄漏成像檢測、紅外成像檢測、振動檢測、異響分析等全方位多通道聯合檢測方式，將狀態檢（監）測的技術水平提高到了一個新的高度。

②全方位運動系統：機器人可根據現場實際條件，采用激光導航或其他導航方式，可以沿既有路徑前進、后退、轉向，具備超聲避障功能，也可以根據設備檢測角度自助升降云臺，使檢測更加靈活、更加方便、更加準確。

③全實時通信傳輸系統：機器人采用了MESH無縫漫游通信系統，將機器人檢測的各類數據實時傳回基站，并實時交由大數據處理系統進行分析處理。作為該系統的通訊備份，裝換車載工控可在無縫漫游通訊系統的情況下確保機器人穩定運行。

④可視化實時監測：基于數字孿生、大數據及三維模型等技術構建的實時可視化監測系統，能夠在三維模型中看到機器人當前的位置，檢查點數據等信息。

⑤智能識別：通過搭載的可見光攝像頭，結合智能識別模型，機器人具備多種識別分析能力，包括表計識別、跑冒滴漏識別、異響分析等。

⑥大數據分析處理系統：巡檢機器人有強大的后臺大數據平臺支持。基站大數據平臺將獲取的經模式識別后的數據及其它設備的檢測數據進行關聯分析后，生成實時檢測分析報告，同時發至上級大數據處理中心進行進一步綜合分析。

⑦全系統靈活配置：由于采用了實時數據傳輸及定位技術，云臺可以不受預置位數量限制，達到一機多點檢測，一次巡檢完成對多個檢測點的檢查。

⑧多維感知識別系統：無論是SF6氣體泄漏成像檢測、紫外成像檢測、紅外成像檢測還是可見光檢測，其視頻數據模式識別后，均可穩定地獲得相應的故障告警值和視頻以及所測設備的對應信息。

2 機器人系統設計

掛軌式智能巡檢機器人系統由機器人本體，軌道系統，供電系統和通信系統溝通。

2.1 機器人本體

根據掛軌式智能巡檢機器人的主要功能，把硬件結構劃分為如下幾部分：運動模塊、控制模塊、視頻監控模塊、實時監測模塊（如圖1、圖2所示）。

2.1.1 運動模塊

機器人安裝有滑輪，嵌入工字型軌道兩側，滑輪分為驅動輪和導向輪，前者與電機連接具有一定的摩擦力，在電機驅動下帶動機器人在軌道上運動，后者則起到轉向作用，在遇到彎軌時帶動機器人轉向。

2.1.2 控制模塊

機器人內置芯片，具有內存、cpu和磁盤等子部件以及各種接口，安裝操作系統以及下位機控制平臺程序，與機器人上的傳感器、運動系統、云臺、攝像頭等設備通信，獲取、轉發數據，接收并下發機器人控制指令。

2.1.3 視頻監控模塊

視頻監控模塊由四部分組成，包括高清可見光相機、紅外相機、云臺和升降桿。可見光相機、紅外相機安裝在云臺上，與升降桿連接，在升降桿電機的帶動下上下移動，便于監控人員查看機艙內較低位置的情況，云臺則提供攝像頭水平和垂直方向轉動的能力，從各個角度觀察機艙內。

①高清可見光相機。

用于在巡檢過程中拍攝實時視頻和巡檢點照片。高清攝像機結構大致可分為三部分：光學系統（鏡頭）、光電轉換系統（CCD或者CMOS）以及電路系統（視頻處理電路）。攝像機的工作原理是“光→電→磁→電→光”的轉換過程。另外，高清攝像機帶補光燈，用于光線不足環境下補光，拍攝清晰視頻圖像。補光燈是由紅外發光二極管矩陣組成。它的工作原理是通過外加正向偏壓向PN結注入電流激發紅外光。

②紅外熱像儀。

用于在巡檢過程中，檢測被巡檢設備的溫度。它的原理是通過紅外探測器、光學成像物鏡來接受被測物體的紅外輻射能量。由探測器將紅外輻射能量轉換成電信號，成像裝置的輸出電信號，經放大處理、轉換得到與被測物體表面熱分布相應的熱像圖。

③云臺。

安裝、固定攝像機的支撐設備，可以進行水平和垂直兩個方向轉動。它的工作原理是云臺內部裝載了兩個電動機，一個負責水平方向的轉動，另一個負責垂直方向的轉動。該云臺垂直旋轉角度為±90°，水平旋轉角度為0～360°連續旋轉。

④升降桿。

一端伸出機器人外殼與連接云臺，一端在機器人外殼內與電機相連，帶有限位開關，在升降桿運動到某個特定位置時會停止運動，防止升降桿滑落，超出運動范圍。

2.1.4 實時監測模塊

機器人內部具備擴展能力，為適應實際場景可搭載各種傳感器或者設備，目前搭載可見光相機、紅外相機、溫濕度傳感器、氣體等傳感器、拾音器等設備，實時感知機艙內的情況，并實時將數據傳至后臺服務器。

掛軌機器人本身是一個以掛軌方式運行的基礎平臺，內部具備眾多擴展接口，可以根據實際場景的需要增加擴展監測模塊，常見擴展模塊如表1所示。

表1 檢測模塊及說明

2.2 軌道系統

軌道雖然不是機器人本體的一部分，但是與運動系統緊密相關，為適應運動系統的結構和應用場景而設計。采用添加了特殊金屬的鋁合金材質，質量輕，強度高，制作成工字型結構，兩側內凹的設計便于掛載機器人，供機器人滑輪行走，軌道的四個角采用凹槽結構，可將高強度的滑塊放入其中，用于拼接軌道和懸掛。軌道的掛載采用L型連接板連接軌道和掛載點，在凹槽內放置帶孔的滑塊，連接板短的部分用螺絲與軌道內的滑塊連接，長的部分使用長螺栓固定在風機機艙內部加強筋或者吊點位置。示意圖如圖3所示。

軌道拼接時，將滑塊從軌道一端塞入，移動至連接部位，使用一字型連接板與滑塊孔位置一一對應，再用螺絲擰緊，完成拼接。如圖4所示。

2.3 供電系統

機器人的電力來自機艙電控柜的電源。考慮到機艙內空間狹窄，運行距離很短，機器人采用滑觸線方式供電，可以減輕機器人的重量，無需安裝充電裝置。整個供電模塊分為三部分，配電箱、滑觸線和機器人本體的接電裝置。

①配電箱。配電箱安裝在機艙電控柜旁邊，從電控柜空開處接電源線，與內置220V電源連接。

②滑觸線。使用納米膠貼在軌道內側，使用耐高溫的材料制作，帶正負極兩個槽，配電箱接出來的電源線與正負極相連，實現供電。

③接電裝置。接電裝置安裝在在機器人頂部，有兩個電刷卡在滑觸線正負極上，保證機器人在各種姿態下都可以與滑觸線接觸，電刷與控制模塊相連，為其他設備供電。

2.4 通信系統

通信模塊由交換機、滑觸線及載波通信板組成，通過塔基柜連入風場網絡。

①交換機。交換機安裝在配電箱內，與塔基柜的網線相連，接出一根網線連接到載波通信板上。

②滑觸線。滑觸線除了為機器人供電外，還是通信信號傳輸的主要通道。

③載波通信板。主要作用是利用電源線傳輸信號進行通信。機器人系統有兩塊載波通信板，一塊安裝在配電箱里，使用電源線與滑觸線連接，做電信號、通信信號互相轉換；另一塊安裝在機器人里。

3 機器人軟件系統

除了機器人相關硬件系統外，加入人工智能、大數據據技術。

3.1 軟件架構

機器人軟件系統整體架構如圖5所示。

①設備端。由機器人系統和智能設備組成。在機器人系統中掛載視頻傳感器、紅外傳感器、超聲監測傳感器等智能設備。

②邊緣端。可配置不同協議和通訊接口連接巡檢機器人。除實現檢修機器人的任務下達及業務監控以外，還將巡檢數據通過網關同步到云端應用中。提供強大的應用集成、測試、管理、控制和分發的能力。邊緣服務器通過與機器人接口進行連接，可在前端顯示機器人控制的環境，檢測信息等。并把機器人的測試數據、機器人環境數據、指標告警數據、導航數據、日志數據等上報給云監管應用中。

③云端。機器人云應用層又分為五層，分別為數據接入層、大數據存儲層、大數據計算層、服務層和應用功能層。

1）數據接入層：解決數據接入的問題，接收從邊緣端傳輸上來的數據，然后將數據存儲在存儲層。

2）大數據存儲層，從邊緣節點上傳上來的數據分為四種形態，分別為傳感時序數據（例如：檢測環境信息，溫濕度數據等），關系型數據（例如：設備臺賬信息），分布式文件存儲數據庫（存儲視頻、圖片等信息）。

3）數據計算層：核心層提供了離線和實時指標計算平臺，支持通過配置化方式實現指標的定義和配置，實現零代碼方式進行規則指標計算，同時支持人工智能分析平臺，提供分類、回歸、聚合、圖像識別等人工智能算法，可以為大數據的深入分析提供基礎。

4）服務層提供了大數據查詢服務、可視化分析服務等能力，為業務應用開發提供核心能力。

5）應用功能層：提供對巡檢機器人本體的控制及傳感器的監測功能，機器人的配置管理、故障預警、監控看板、管理駕駛艙等功能模塊。

3.2 軟件功能

風電機艙巡檢系統機器人軟件系統功能模塊具體包括如下內容：

①巡檢任務管理：支持手動、自動巡檢任務模式，通過編排檢查點以及檢查點執行的操作，定制、管理自動任務，同時具備對巡檢結果的多維度查詢統計分析功能；

②實時監控：基于數字孿生、三維模型、大數據技術，實現對機器人、機艙狀態實時監控，幫助用戶清晰、直觀展示風機運行情況；

③智能模型：內置表計識別、跑冒滴漏檢測等滿足機艙內部巡檢要求的人工智能模型，實現對機艙內部情況實時監控，實時報警；

④遠程遙控功能：通過系統提供的web操控界面，實現對機器人的遠程控制，包括機器人啟停、云臺位置控制等；

⑤管理駕駛艙：通過風機實時采集到的巡檢結果數據及風機自身的實時運行數據，經匯總加工，以可視化方式動態展示，便于用戶實時掌握風機運行情況。

4 結語

通過對基于數字孿生的風機可視化智能巡檢系統的研究，搭建了風機三維模型，利用數字孿生技術，將風機機艙內的傳感數據關聯到模型中，實現風機巡檢的自動化、數字化、可視化；利用機器人搭載環境監測、振動、溫度、聲音、氣體等各類傳感器、可見光及紅外相機等設備，實時獲取機艙內的設備、環境、音視頻等數據，實現風機的遠程實時監控；結合人工智能技術實現的基于視頻的智能模型，配合機器人的可見光相機，使得機器人具備了進行表計識別、人員行為分析等高級巡檢任務的能力。綜上所述，該系統能夠為風機巡檢工作提供新的思路，使得風機運維向無人化、智能化邁進了一大步。