智能安全巡檢機器人在設備運維中的應用

馬愛民

（天津海晶物流有限公司，天津 300450）

0 引言

安全生產(chǎn)檢查是指在生產(chǎn)活動中，本部門、上級、其他主管部門在安全生產(chǎn)方面的檢查，包括設備安全、現(xiàn)場不安全因素、操作人員安保意識、操作情況、培訓、考核等全方面的檢查。其中對于現(xiàn)場的安全巡回檢查（安全巡檢）是重點，現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)檢查是非常重要的因素之一。加強安全巡檢，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，將事故消除在萌芽狀態(tài)，是保證設備長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。這要求設備管理工作中必須切實落實巡查質(zhì)量，不能只注重檢查形式，而忽視安全巡檢質(zhì)量要求和實際效果。

傳統(tǒng)的安全巡檢主要包括人工巡查、定期巡檢、部門抽查等方式，存在明顯的缺點和弊端：①人力、物力消耗大，對相關(guān)工作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高，且工作效率低、費用成本高；②人工檢查不到位，檢測不全面；③不能實時監(jiān)測設備狀態(tài)，隱患發(fā)現(xiàn)不及時；④對隱蔽線路缺乏檢測手段，存在檢測的盲區(qū)；⑤對于高處（大于2 m）或低處（小于0.5 m）等位置，巡檢人員需采取登高或趴臥等形式，給巡檢帶來不便和困難。

傳統(tǒng)的安全巡檢方式對隱患往往不能起到預防效果，一般都是在異常發(fā)生之后才開始補救。同時，傳統(tǒng)巡檢方式?jīng)]有直觀、量化的大數(shù)據(jù)的分析功能，很難發(fā)現(xiàn)事故的真正根源，難以對癥下藥，整改效果較差。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的安全巡檢方式存在諸多不足，迫切需要借助科技手段提升安全巡檢效果。在現(xiàn)實需求和科技進步的共同推動下，智能安全巡檢系統(tǒng)應運而生，在企業(yè)設備運行中運用智能安全巡檢系統(tǒng)，其現(xiàn)場終端設備就是智能安全巡檢機器人。

1 智能安全巡檢機器人的分類

從移動方式來看，智能安全巡檢機器人可以分為輪式巡檢機器人、履帶式巡檢機器人、掛軌式巡檢機器人（圖1～圖3），用于適配不同的應用場景。

圖1 輪式巡檢機器人

圖2 履帶式巡檢機器人

圖3 掛軌式巡檢機器人

在變電室、生產(chǎn)加工車間、隧道、管廊等場景，掛軌巡檢機器人最為適用，根據(jù)現(xiàn)階段智能安全巡檢系統(tǒng)在設備運行應用實際，本文重點介紹掛軌式巡檢機器人。

2 掛軌式巡檢機器人主要特點

掛軌式巡檢機器人采用預定軌道為運行軌跡進行巡檢，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 掛軌式巡檢機器人系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 場景適應性廣泛

掛軌巡檢機器人沿軌道運行，不依賴地面環(huán)境，在行駛過程中可實現(xiàn)自主爬坡，并自帶可升降云臺及高清攝像機，能滿足狹窄區(qū)域內(nèi)巡檢的需要。能適應污水處理廠、管廊、隧道、化工廠、機房、配電室、養(yǎng)殖場、農(nóng)業(yè)大棚等多種場景，為企業(yè)提供了減員增效的有效解決方案。

2.2 功能豐富

隨著技術(shù)的不斷迭代升級，掛軌巡檢機器人功能日益豐富，具備漏液監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、有毒氣體監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、表計讀數(shù)、指示燈狀態(tài)識別等多種功能。機器人采集到的數(shù)據(jù)可實時反饋回智能運維平臺，使管理人員能及時發(fā)現(xiàn)異常狀況，提高巡檢工作效率和質(zhì)量。

3 掛軌式巡檢機器人系統(tǒng)構(gòu)成、原理及應用

掛軌式智能巡檢機器人系統(tǒng)主要分為四部分：基站部分（遠程控制室）、通信部分、終端部分（巡檢機器人及充電系統(tǒng)）、軌道平臺（圖4）。其中，基站部分主要由巡檢機器人后臺硬盤及防火墻、智能數(shù)據(jù)分析控制軟件等部分構(gòu)成；通信部分主要是無線網(wǎng)橋以及網(wǎng)絡交換機等構(gòu)成，作為基站部分和智能終端部分的網(wǎng)絡通道；終端部分主要由智能巡檢機器人（主要作用是日常巡檢及數(shù)據(jù)采集）、相關(guān)固定監(jiān)測點位以及充電系統(tǒng)（主要作用是為巡檢機器人的充電）構(gòu)成；軌道平臺的主要作用是為巡檢機器人提供移動軌跡平臺，由工字鋁軌道等構(gòu)成。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

利用搭載可見光（紅外線）視頻探測系統(tǒng)、溫濕度探測、AI智能識別及局放檢測系統(tǒng)等傳感器的智能巡檢機器人獲取現(xiàn)場信息，這些信息通過機器人的通信部分上傳到基站，并在基站設置的相關(guān)微控制器中通過軟件系統(tǒng)進行分析，得出具體對應策略后對其數(shù)據(jù)進行處理，可實現(xiàn)云存儲、隨時查看、生成報表及生成執(zhí)行信息等功能，再通過執(zhí)行模塊實現(xiàn)相應動作。

掛軌式巡檢機器人采用掛軌式行走平臺，機身可選擇搭載可見光視頻系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)、溫濕度探測系統(tǒng)、局放檢測系統(tǒng)、AI 智能識別系統(tǒng)、超聲波避障系統(tǒng)及聲光報警系統(tǒng)，機器人可在正常運行過程中針對巡檢環(huán)境進行視頻實時監(jiān)控、紅外探測。

通過機身搭載的各類型傳感器對環(huán)境中溫度、濕度、煙霧、氣體及火源等數(shù)據(jù)進行實時探測，并利用聲光報警系統(tǒng)及后臺監(jiān)控系統(tǒng)對異常數(shù)據(jù)及時告警。

通過AI 智能識別系統(tǒng)與可見光視頻系統(tǒng)的結(jié)合，通過對巡檢環(huán)境中工作人員的工作狀態(tài)、火災等進行智能識別，以實現(xiàn)目標環(huán)境的全自主智能巡檢，其主要特點有：①定點、定時、定路徑巡檢；②可見光視頻監(jiān)控；③數(shù)據(jù)分析；④異常監(jiān)控，如超溫報警等；⑤智能識別表盤數(shù)據(jù)、異常物入侵等。

智能巡檢機器人可替代人工實現(xiàn)遠程例行巡查，在事故和特殊情況下可以實現(xiàn)特巡和定制性巡檢任務，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測，在減少人工的同時，大大提升運維的內(nèi)容和頻率，改變傳統(tǒng)運維方式，實現(xiàn)運維智能化。在巡檢工作中，可自由切換無軌導航和軌跡導航，定制化攜帶攝像機及多種檢測傳感器，大容量攝像內(nèi)容本地儲存，無縫同步云存儲，實現(xiàn)智能巡檢及分析。

3.2 動力及自主避障系統(tǒng)

為保證巡檢機器人的運行精度及控制精度，巡檢機器人采用高精度伺服電機驅(qū)動輪系的方式移動，采用橡膠輪系作為機器人主要運動結(jié)構(gòu)，避免機器人在運動過程中產(chǎn)生噪聲及摩擦火花等現(xiàn)象。巡檢機器人在巡檢過程中可進行自主設定導航，根據(jù)基站下發(fā)的巡檢任務調(diào)整規(guī)劃巡檢路徑。巡檢機器人通過充電系統(tǒng)對內(nèi)部鋰電池進行供電，無線充電發(fā)射器固定安裝在軌道起始端，無線充電接收器安裝在巡檢機器人機身，巡檢機器人在正常工作時以固定的周期返回至起始段進行充電。

巡檢機器人機身搭載避障雷達，可在運行過程中對運行方向的障礙物或工作人員進行實時探測，確保障礙物或工作人員進入巡檢機器人危險范圍時自動停車，達到智能避障的效果。為滿足機器人對配電柜不同高度的儀器儀表、指示燈及開關(guān)等設備的監(jiān)測，機器人配備自主升降結(jié)構(gòu)，可在500～1500 mm 的范圍任意改變高精度攝像機及紅外攝像機的高度。

3.3 基站后臺操作系統(tǒng)

機器人各類傳感器的控制均可通過后臺基站進行遠程控制。基站部分中，后臺操作系統(tǒng)采用工業(yè)化軟件界面，可對系統(tǒng)采集到的圖像以及其他數(shù)據(jù)進行實時分析，同時允許操作人員在主界面對各類數(shù)據(jù)進行實時、歷史數(shù)據(jù)分類查詢，系統(tǒng)在分析后會對超標數(shù)據(jù)高亮提示，并且根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢進行提前預警。

操作系統(tǒng)后臺還可對收集到的數(shù)據(jù)自動進行整理，并支持一鍵生成報表，降低操作人員工作量。操作系統(tǒng)及機器人本體均有預留接口，方便后續(xù)進行功能擴展。

巡檢機器人事項顯示模塊可直觀反應巡檢機器人運行過程中的速度、電量和各個傳感器的實時狀態(tài)，同時可以顯示報警和網(wǎng)絡通信等信息。該模塊重點是將巡檢機器人的各類實時數(shù)據(jù)和對應信息反映給用戶。

由于信息規(guī)模較大，因此在顯示的過程中必須將信息加以歸類（圖5）。根據(jù)Windows 的管理通過標簽辦法加以歸類，三個標簽為事項、巡檢機器人信息和運行日記（圖6）。事項框顯示巡檢機器人運行相關(guān)事項；巡檢機器人信息框顯示巡檢機器人驅(qū)動信息、環(huán)境信息、傳感器信息、開關(guān)狀態(tài)信息等；運行日記框用于顯示巡機器人運行實時打印信息，便于分析查找問題。

圖5 巡檢機器人主界面及事項框

圖6 巡檢機器人信息框和運行日記框

3.4 智能監(jiān)測功能

3.4.1 可見光視頻監(jiān)控

巡檢機器人內(nèi)部設置可見光視頻系統(tǒng)，搭載高精度攝像機，在運行過程中可對周圍環(huán)境進行實時監(jiān)控，并將監(jiān)控視頻實時反饋至后臺操作平臺（圖7）。巡檢機器人在正常運行過程中攝像機可自動進行上下、左右180°的緩慢轉(zhuǎn)動，以達到對周圍環(huán)境的無死角監(jiān)控。同時后臺工作人員可以根據(jù)實際情況通過操作平臺對攝像機進行控制，達到對特定區(qū)域進行視頻實時監(jiān)控的目的。巡檢機器人的視頻監(jiān)控性能顯著優(yōu)于人工巡檢，能夠?qū)崟r采集沿軌道方向的現(xiàn)場工況，實現(xiàn)整體全方位可視化監(jiān)控。

圖7 視頻監(jiān)控界面

3.4.2 紅外探測

巡檢機器人內(nèi)部設置紅外探測系統(tǒng)，紅外探測系統(tǒng)能接收一定視場范圍內(nèi)物體發(fā)射的紅外線，并將信號經(jīng)數(shù)字化處理后由計算機進行圖像處理、數(shù)值運算，實現(xiàn)多種顯示功能（圖8）。巡檢機器人具備動態(tài)、靜態(tài)屏蔽功能，排除可能的干擾。紅外識別功能可在機器人巡檢過程中針對配電間內(nèi)電控柜、電線電纜、儀表儀器等設備進行非接觸式溫度監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)溫度異常，并通過機器人自帶的聲光報警系統(tǒng)報警，同時可將報警信息傳輸至基站控制器，完成后臺告警。

圖8 紅外探測界面

3.4.3 儀器儀表識別

機器人搭載可見光攝像機，在巡檢過程中可以識別儀器儀表讀數(shù)、指針偏轉(zhuǎn)、開關(guān)按鈕狀態(tài)，報警指示燈狀態(tài)等信息，并傳輸至后臺基站。基站控制器利用智能識別技術(shù)進行識別判斷，對設備讀數(shù)及狀態(tài)異常進行報警提示，并自動生成報表。

3.4.4 局放監(jiān)測

巡檢機器人搭載局放傳感器，巡檢機器人在正常巡檢工作時，將局放傳感器靠近待檢測設備外表面，利用超聲波或電磁放電（TEV）活動檢測等非入侵方式檢測局部放電活動，避免漏電導致的安全事故。局放檢測分辨率可達到1 dB，精度可達±1 dB，同時可確保機器人在20 ms 內(nèi)對檢測結(jié)果做出響應，并將采集到的數(shù)據(jù)反饋至后臺，自動生成巡檢報告。

3.4.5 溫濕度探測

巡檢機器人將溫濕度傳感器內(nèi)置于溫濕度一體式探頭，將環(huán)境中的溫度和濕度信號采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I 轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的信號并輸出，實現(xiàn)環(huán)境溫濕度的探測。巡檢機器人能及時發(fā)現(xiàn)溫濕度的異常變化，并通過機器人自帶的聲光報警系統(tǒng)報警，同時將報警信息傳輸至基站，完成后臺告警。

3.4.6 AI 智能識別

巡檢機器人搭載的AI 智能識別系統(tǒng)，可通過巡檢機器人運行過程中采集到的視頻及圖像數(shù)據(jù)進行智能人臉識別，針對作業(yè)區(qū)域人員入侵、人員安全帽佩戴情況、人員穿戴工裝情況、人員越界、火焰等安全問題進行智能識別報警。還可以對非電氣人員進入配電間發(fā)出警示，及時排除作業(yè)區(qū)域可能出現(xiàn)的人員安全隱患，算法智能識別準確率超95%。

3.4.7 聲光報警

巡檢機器人搭載聲光報警系統(tǒng)，在探測到儀器儀表等設備異常、環(huán)境溫濕度異常、火焰及人員入侵等情況時，可通過自身搭載的聲光報警器發(fā)出警報，同時向后臺上位機發(fā)送報警信息，通知運維人員及時處理。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代化企業(yè)對于安全管理工作的要求和科學技術(shù)的飛速發(fā)展，作為安全管理的智能輔助手段，安全巡檢機器人適應安全、綠色及數(shù)據(jù)化管理的大趨勢，該系統(tǒng)的應用可以為企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障，實現(xiàn)用戶側(cè)數(shù)據(jù)的采集和互動，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，對提高安全管理、節(jié)能減排及智能運營水平有著巨大的應用價值和社會價值。