掛軌巡檢機器人在風機機艙內(nèi)的應(yīng)用

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(xiàn)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(zhuǎn)化為電能的核心裝備，其安全高效的運行是風電能源供應(yīng)的有力保障。而風電機艙作為承載風電機組的核心關(guān)鍵部件的地方，其內(nèi)部設(shè)備、參數(shù)是否正常運行，對風電機組的可靠穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。

目前，針對風電機艙內(nèi)巡檢作業(yè)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(nèi)部，對機艙的內(nèi)部情況、各項參數(shù)等做檢查。由于風電場建設(shè)的位置多在偏遠山區(qū)、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(nèi)時，其巡檢工作是由設(shè)備廠商承擔，但是當設(shè)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(xiàn)低成本、安全、高效、可靠的機艙巡檢。

機艙內(nèi)巡檢內(nèi)容內(nèi)容包括發(fā)電機、主軸、齒輪箱等設(shè)備是否正常運轉(zhuǎn)，檢查儀表讀數(shù)，設(shè)備是否報警，是否有異響、高溫、跑冒滴漏等現(xiàn)象，并對設(shè)備的關(guān)鍵部位進行檢查。針對前述巡檢工作存在的問題，經(jīng)我方充分調(diào)研論證，研制適合在風機機艙內(nèi)運行，搭載攝像頭、云臺、升降桿、傳感器等設(shè)備的掛軌巡檢機器人，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)，滿足關(guān)鍵巡檢要求。

1 機器人介紹

風電機艙巡檢機器人系統(tǒng)是在風機機艙內(nèi)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(wù)，對檢查點按照預(yù)設(shè)的檢查方式獲取檢查數(shù)據(jù)，并將結(jié)果存入軟件系統(tǒng)，通過軟件系統(tǒng)的可視化模塊展示。該系統(tǒng)包含機器人本體和軟件系統(tǒng)兩部分，具備核心能力如下：

①全方位多通道聯(lián)合檢測：除傳統(tǒng)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(lián)合檢測方式，將狀態(tài)檢（監(jiān)）測的技術(shù)水平提高到了一個新的高度。

②全方位運動系統(tǒng)：機器人可根據(jù)現(xiàn)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(zhuǎn)向，具備超聲避障功能，也可以根據(jù)設(shè)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(tǒng)：機器人采用了MESH無縫漫游通信系統(tǒng)，將機器人檢測的各類數(shù)據(jù)實時傳回基站，并實時交由大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行分析處理。作為該系統(tǒng)的通訊備份，裝換車載工控可在無縫漫游通訊系統(tǒng)的情況下確保機器人穩(wěn)定運行。

④可視化實時監(jiān)測：基于數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)及三維模型等技術(shù)構(gòu)建的實時可視化監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在三維模型中看到機器人當前的位置，檢查點數(shù)據(jù)等信息。

⑤智能識別：通過搭載的可見光攝像頭，結(jié)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(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)：巡檢機器人有強大的后臺大數(shù)據(jù)平臺支持。基站大數(shù)據(jù)平臺將獲取的經(jīng)模式識別后的數(shù)據(jù)及其它設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析后，生成實時檢測分析報告，同時發(fā)至上級大數(shù)據(jù)處理中心進行進一步綜合分析。

⑦全系統(tǒng)靈活配置：由于采用了實時數(shù)據(jù)傳輸及定位技術(shù)，云臺可以不受預(yù)置位數(shù)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(tǒng)：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(shù)據(jù)模式識別后，均可穩(wěn)定地獲得相應(yīng)的故障告警值和視頻以及所測設(shè)備的對應(yīng)信息。

2 機器人系統(tǒng)設(shè)計

掛軌式智能巡檢機器人系統(tǒng)由機器人本體，軌道系統(tǒng)，供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)溝通。

2.1 機器人本體

根據(jù)掛軌式智能巡檢機器人的主要功能，把硬件結(jié)構(gòu)劃分為如下幾部分：運動模塊、控制模塊、視頻監(jiān)控模塊、實時監(jiān)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(cè)，滑輪分為驅(qū)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(qū)動下帶動機器人在軌道上運動，后者則起到轉(zhuǎn)向作用，在遇到彎軌時帶動機器人轉(zhuǎn)向。

2.1.2 控制模塊

機器人內(nèi)置芯片，具有內(nèi)存、cpu和磁盤等子部件以及各種接口，安裝操作系統(tǒng)以及下位機控制平臺程序，與機器人上的傳感器、運動系統(tǒng)、云臺、攝像頭等設(shè)備通信，獲取、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，接收并下發(fā)機器人控制指令。

2.1.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)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(jiān)控人員查看機艙內(nèi)較低位置的情況，云臺則提供攝像頭水平和垂直方向轉(zhuǎn)動的能力，從各個角度觀察機艙內(nèi)。

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(jié)構(gòu)大致可分為三部分：光學系統(tǒng)（鏡頭）、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（CCD或者CMOS）以及電路系統(tǒng)（視頻處理電路）。攝像機的工作原理是“光→電→磁→電→光”的轉(zhuǎn)換過程。另外，高清攝像機帶補光燈，用于光線不足環(huán)境下補光，拍攝清晰視頻圖像。補光燈是由紅外發(fā)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(jié)注入電流激發(fā)紅外光。

②紅外熱像儀。

用于在巡檢過程中，檢測被巡檢設(shè)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(zhuǎn)換成電信號，成像裝置的輸出電信號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換得到與被測物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。

③云臺。

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

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(nèi)與電機相連，帶有限位開關(guān)，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(jiān)測模塊

機器人內(nèi)部具備擴展能力，為適應(yīng)實際場景可搭載各種傳感器或者設(shè)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(shè)備，實時感知機艙內(nèi)的情況，并實時將數(shù)據(jù)傳至后臺服務(wù)器。

掛軌機器人本身是一個以掛軌方式運行的基礎(chǔ)平臺，內(nèi)部具備眾多擴展接口，可以根據(jù)實際場景的需要增加擴展監(jiān)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(tǒng)

軌道雖然不是機器人本體的一部分，但是與運動系統(tǒng)緊密相關(guān)，為適應(yīng)運動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景而設(shè)計。采用添加了特殊金屬的鋁合金材質(zhì)，質(zhì)量輕，強度高，制作成工字型結(jié)構(gòu)，兩側(cè)內(nèi)凹的設(shè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)放置帶孔的滑塊，連接板短的部分用螺絲與軌道內(nèi)的滑塊連接，長的部分使用長螺栓固定在風機機艙內(nèi)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(yīng)，再用螺絲擰緊，完成拼接。如圖4所示。

2.3 供電系統(tǒng)

機器人的電力來自機艙電控柜的電源。考慮到機艙內(nèi)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(nèi)置220V電源連接。

②滑觸線。使用納米膠貼在軌道內(nèi)側(cè)，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(xiàn)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(tài)下都可以與滑觸線接觸，電刷與控制模塊相連，為其他設(shè)備供電。

2.4 通信系統(tǒng)

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(wǎng)絡(luò)。

①交換機。交換機安裝在配電箱內(nèi)，與塔基柜的網(wǎng)線相連，接出一根網(wǎng)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?shù)闹饕ǖ馈?/p>

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(tǒng)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(zhuǎn)換；另一塊安裝在機器人里。

3 機器人軟件系統(tǒng)

除了機器人相關(guān)硬件系統(tǒng)外，加入人工智能、大數(shù)據(jù)據(jù)技術(shù)。

3.1 軟件架構(gòu)

機器人軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。

①設(shè)備端。由機器人系統(tǒng)和智能設(shè)備組成。在機器人系統(tǒng)中掛載視頻傳感器、紅外傳感器、超聲監(jiān)測傳感器等智能設(shè)備。

②邊緣端。可配置不同協(xié)議和通訊接口連接巡檢機器人。除實現(xiàn)檢修機器人的任務(wù)下達及業(yè)務(wù)監(jiān)控以外，還將巡檢數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)同步到云端應(yīng)用中。提供強大的應(yīng)用集成、測試、管理、控制和分發(fā)的能力。邊緣服務(wù)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(huán)境，檢測信息等。并把機器人的測試數(shù)據(jù)、機器人環(huán)境數(shù)據(jù)、指標告警數(shù)據(jù)、導航數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等上報給云監(jiān)管應(yīng)用中。

③云端。機器人云應(yīng)用層又分為五層，分別為數(shù)據(jù)接入層、大數(shù)據(jù)存儲層、大數(shù)據(jù)計算層、服務(wù)層和應(yīng)用功能層。

1）數(shù)據(jù)接入層：解決數(shù)據(jù)接入的問題，接收從邊緣端傳輸上來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲在存儲層。

2）大數(shù)據(jù)存儲層，從邊緣節(jié)點上傳上來的數(shù)據(jù)分為四種形態(tài)，分別為傳感時序數(shù)據(jù)（例如：檢測環(huán)境信息，溫濕度數(shù)據(jù)等），關(guān)系型數(shù)據(jù)（例如：設(shè)備臺賬信息），分布式文件存儲數(shù)據(jù)庫（存儲視頻、圖片等信息）。

3）數(shù)據(jù)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(xiàn)指標的定義和配置，實現(xiàn)零代碼方式進行規(guī)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(shù)據(jù)的深入分析提供基礎(chǔ)。

4）服務(wù)層提供了大數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、可視化分析服務(wù)等能力，為業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)提供核心能力。

5）應(yīng)用功能層：提供對巡檢機器人本體的控制及傳感器的監(jiān)測功能，機器人的配置管理、故障預(yù)警、監(jiān)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(tǒng)機器人軟件系統(tǒng)功能模塊具體包括如下內(nèi)容：

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

②實時監(jiān)控：基于數(shù)字孿生、三維模型、大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)對機器人、機艙狀態(tài)實時監(jiān)控，幫助用戶清晰、直觀展示風機運行情況；

③智能模型：內(nèi)置表計識別、跑冒滴漏檢測等滿足機艙內(nèi)部巡檢要求的人工智能模型，實現(xiàn)對機艙內(nèi)部情況實時監(jiān)控，實時報警；

④遠程遙控功能：通過系統(tǒng)提供的web操控界面，實現(xiàn)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(jié)果數(shù)據(jù)及風機自身的實時運行數(shù)據(jù)，經(jīng)匯總加工，以可視化方式動態(tài)展示，便于用戶實時掌握風機運行情況。

4 結(jié)語

通過對基于數(shù)字孿生的風機可視化智能巡檢系統(tǒng)的研究，搭建了風機三維模型，利用數(shù)字孿生技術(shù)，將風機機艙內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到模型中，實現(xiàn)風機巡檢的自動化、數(shù)字化、可視化；利用機器人搭載環(huán)境監(jiān)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(shè)備，實時獲取機艙內(nèi)的設(shè)備、環(huán)境、音視頻等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)風機的遠程實時監(jiān)控；結(jié)合人工智能技術(shù)實現(xiàn)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(wù)的能力。綜上所述，該系統(tǒng)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。