無人機技術在特種設備檢驗中的應用研究

李 響*

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院）

0 引言

近年來，我國特種設備數(shù)量不斷增長，特種設備檢驗往往涉及有毒、有害空間檢驗和高空檢驗，有時還需要搭建腳手架，既安全隱患，也降低了特種設備的檢驗效率。隨著工業(yè)技術不斷發(fā)展，特種設備檢驗也越來越智能化。

無人機具有成本低、靈活性高等特點，在諸多領域被廣泛應用。因此可以將無人機應用到部分特種設備檢驗工作中，用于有毒有害等危險的檢驗檢測環(huán)境。國內(nèi)部分特種設備檢驗行業(yè)研究人員已將無人機應用到特種設備檢驗試驗，無人機技術應用在起重機械檢驗和鍋爐檢驗較多。

1 無人機簡介

無人機（Unmanned Aerial Vehicle）是基于設計的飛行程序，利用無線電遙控設備或自帶控制裝置實現(xiàn)無人操縱的飛行設備[1]。根據(jù)無人機的軸數(shù)和槳數(shù)不同，可將無人機分成多旋翼無人機、單旋翼無人機、固定翼無人機、固定翼混合垂直起降無人機共4 種。多旋翼無人機可以在空中完成高精度懸停動作，所以特種設備檢驗中應用較多的是多旋翼無人機。特種設備檢驗用無人機需要進行改裝和升級，根據(jù)需求在無人機上掛載高清攝像頭和檢驗檢測裝置，需要具備自主避障和抗電磁干擾等功能，現(xiàn)場對特種設備進行檢驗時，檢驗人員需要重點關注無人機地面系統(tǒng)、飛機系統(tǒng)和負載設備。此外，根據(jù)《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，操作質(zhì)量超過7 kg 的無人機要求具備無人機駕駛資質(zhì)[2-3]。

2 無人機在鍋爐檢驗中的應用

工業(yè)生產(chǎn)離不開鍋爐設備，鍋爐通常在高壓、高溫等惡劣工況下運行。鍋爐的主要類型包括火管鍋爐、回收鍋爐、水管鍋爐、生物質(zhì)鍋爐等。鍋爐宏觀檢驗要求應檢盡檢，鍋爐內(nèi)部結構復雜，鍋爐的拉撐板管和板桿可能存在腐蝕、裂紋和斷裂等風險。采用傳統(tǒng)方法檢驗時，檢驗員需要進入鍋爐內(nèi)部，查看煙囪、外煙道是否存在腐蝕，檢查對流管道和冷凝管有沒有凹陷、裂紋或變形。如果可以采用無人機對鍋爐設備內(nèi)部進行檢驗，可以極大減輕檢驗員的工作強度，降低風險。

但是，鍋爐內(nèi)部各類部件分布雜亂、粉塵彌漫，這些復雜的條件給無人機的自主避障飛行和圖像攝制帶來了挑戰(zhàn)，具體來說，無人機在鍋爐設備爐膛內(nèi)巡檢時，導航、感知和控制等功能都需要滿足更高的技術要求。要使無人機在鍋爐設備中安全飛行，就要確定無人機在鍋爐中的實時位置，涉及到無人機激光雷達高精度定位、無人機自主避障、慣性導航、藍牙室內(nèi)定位技術、視覺導航、激光雷達導航等技術。

2.1 無人機檢驗鍋爐實踐

國內(nèi)多家鍋爐檢驗機構采用了無人機檢測機器人對鍋爐進行檢驗，陸云等[4]采用Elions 無人機對某電廠的鍋爐進行內(nèi)部檢測，用無人機檢測了該電廠鍋爐的水冷大灶殼頂部、集箱接管、末級再熱管、爐膛和換熱器片等部位，現(xiàn)場鍋爐檢測隊伍由無人機操作員和鍋爐監(jiān)檢師組成，首先由鍋爐監(jiān)檢師確定需要檢測的目標，然后手動制定無人機飛行路線，并識別爐膛內(nèi)部有可能妨礙無人機飛行的部件，最后成功在鍋爐檢測過程中采集到了清晰的照片和視頻，這說明利用無人機巡視鍋爐提高了鍋爐檢驗的效率。

邢一陽等[5]針對火力發(fā)電廠的鍋爐設備現(xiàn)場檢驗任務重且有安全風險等情況，設計了適合在爐膛密閉空間內(nèi)飛行的無人機，該無人機可以在鍋爐爐膛內(nèi)部自主飛行，并對鍋爐內(nèi)受壓元件、鍋筒、磚襯等進行拍攝，并將圖像同時傳輸?shù)藉仩t外，由檢驗員對鍋爐內(nèi)部缺陷進行實時評估。

鄭桂紅等[6]采用無人機對5 臺垃圾焚燒鍋爐進行內(nèi)部檢驗，使無人機在鍋爐上部空間沿著“S”路線掃視鍋爐內(nèi)部，通過分析采集圖片信息判斷出鍋爐存在過熱管堆積淤泥、鍋爐前墻水冷壁澆注料局部脫落、過熱管壁磨損等問題。

2.2 無人機檢驗鍋爐存在的問題

應用無人機對鍋爐進行檢驗可能碰到以下問題：（1）無人機續(xù)航時間較短，例如上文提到的Elions 無人機的續(xù)航時間僅半小時；（2）無人機檢驗的鍋爐內(nèi)部環(huán)境較為惡劣，無人機需采用耐高溫材料進行定制防護；（3）采集到的圖像可能存在畸變現(xiàn)象，成像效果會影響鍋爐檢驗結果的判定；（4）無人機在鍋爐爐膛中無法自主懸停，鍋爐爐膛和尾部煙道信號屏蔽嚴重，存在較強的電磁干擾，衛(wèi)星導航、視覺導航均無法使用，無人機需要自主進行定位；（5）無人機避障能力有待提高，鍋爐內(nèi)部空間狹窄，各種細長部件會影響無人機飛行安全，這就要求無人機在鍋爐中實現(xiàn)三維自主避障。

3 無人機在起重機檢驗中的應用

起重機是一種使用廣泛的特種設備，起重機類型包括橋式起重機、門式起重機、門座式起重機和塔式起重機。實際檢驗中類似港口門座式起重機的臂架系統(tǒng)和人字架、門式起重機的主梁下蓋板和支腿上部等，這些部位易產(chǎn)生金屬結構表面裂紋、銹蝕、塑性變形、螺栓連接缺損等，此外，在檢驗項目中目測項目約占57%，這些部位檢驗人員往往難以攀爬到達，因此可采用無人機對起重機械進行全面檢驗。這樣既減少了檢驗的人力成本投入，又提高了檢驗的有效性和安全性。

3.1 無人機檢驗鍋爐實踐

起重機械檢驗項目包括起重機受力鋼結構檢測、螺栓連接檢測、塔身垂直度檢測等。采用無人機拍攝起重機械外觀的高清影像資料，并利用圖像處理技術對缺陷進行識別，可全面掌握起重機械的安全情況。

對起重機械進行檢驗時可以采用紅外熱成像檢測技術，該技術的原理是根據(jù)缺陷區(qū)域和起重機正常表面的熱量輻射值的不同，對起重機械整體的金屬材料內(nèi)部損傷和疲勞裂紋進行檢測。甘肅特種設備檢驗研究院敬東等[7]設計了一種面向起重機檢驗的無人機智能輔助檢測系統(tǒng)，除了可以對起重機檢驗部位進行拍攝外，還具備紅外熱成像功能，可以快速識別疲勞裂紋缺陷，同時安裝了動剛度檢測儀來檢測起重機械的振動頻率，可幫助檢驗員初步準確判斷起重機有無異常。

南京特種設備檢驗研究院周前飛等[8]設計了倒置式無人機檢測平臺，其結構如圖1 所示，該無人機檢測平臺包括機體結構、飛行控制單位和視覺探測設備。視覺探測設備可以實時多角度攝制起重機圖像，并利用數(shù)字圖像處理技術提取和識別起重機的缺陷特征，利用分形閾值法進行閾值分割，基于多尺度幾何分析算法進一步識別起重機類似裂紋的區(qū)域。

3.2 無人機檢驗起重機實踐

對起重機械進行無人機檢驗時，由于可見度和風力均會影響無人機攝像的穩(wěn)定性，拍攝的影像數(shù)據(jù)可能被噪聲干擾而導致模糊和畸變。福建特種設備檢檢院楊靜[9]針對大型起重機的金屬結構表面缺陷檢測的具體要求和復雜現(xiàn)場環(huán)境，開發(fā)了無人機檢測起重機的視覺檢測裝置，利用多尺度圖像檢測算法，對起重機的不同方向和大小的圖像進行記錄，采用灰度化、二值化對多尺度圖像進行預處理操作，從而降低起重機的檢測時長。并通過實地對起重機高空行車工作的現(xiàn)場飛行檢驗，驗證了無人機檢測起重機的視覺檢測裝置可靠性與有效性。南京特種設備檢驗研究院周前飛等[8]采用無人機作為飛行平臺，搭載高分辨率視覺傳感器探測裝置，實時采集顯示被檢測區(qū)域的圖像，采用圖像處理技術對采集的圖像進行分析，探索無人機對起重機損傷模式識別技術。

最后，能否用無人機拍攝的視頻或圖片代替檢驗員直接目測并作為檢驗依據(jù)，特種設備總局認為應按照安裝檢驗規(guī)則施檢，因此，特種設備檢驗需要對相關技術和檢驗有效性制定標準，促進無人機檢驗檢測技術規(guī)范有序發(fā)展。

4 結語

（1）無人機在起重機械檢驗中應用較廣，同時在鍋爐檢驗中也得到了實踐，但仍需要優(yōu)化系統(tǒng)的避障功能，在數(shù)據(jù)分析和圖像識別處理方面有待提升，提高無人機負載設備后的續(xù)航能力。

（2）將無人機與無損檢測技術緊密結合，提高無人機在特種設備檢驗中的缺陷智能識別能力，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號實時采集和分析。

（3）制定無人機對特種設備檢驗的統(tǒng)一標準和技術規(guī)范，提供無人機特種設備檢驗的技術標準依據(jù)。