智能巡檢機器人現狀及發展趨勢分析

(湖南石油化工職業技術學院,湖南 岳陽 414000)

0 引言

生產制造型企業的生產設備存在類型多、數量大、大部分設備存放在露天環境且往往沒有在一個平面中布置的情況。對設備進行工況下的監測,是保證企業安全穩定生產的重要手段,也決定了生產的輸出質量和效率。

巡檢是保證設備正常運行基礎且重要的一項日常工作,現階段國內企業巡檢以傳統人工巡檢為主,但人工巡檢無法客觀、方便地掌握巡檢人員巡檢到位情況,存在多種問題[1]。人工巡檢記錄信息數字化程度低的情況,存在設備運行工況和運行參數等歷史數據無法有效查詢、利用等問題,對后期設備的維護保養及選型升級等的實施無法提供直接幫助[2]。因此,國內已有不少企業在研究如何利用智能巡檢機器人來替代傳統人工巡檢,實現產業的升級改造[3]。

1 國外巡檢機器人技術現狀及發展趨勢

20世紀50年代,美國人Dvor和Engelberg經過反復試驗改造后發明了世界上第一臺工業機器人,其技術背景是計算機和自動化的發展。自此以后,世界各國都致力于工業機器人的研究與發展。巡檢機器人作為機器人的分支,能替代人類在危險、惡劣及人所不能到達的場合開展巡檢工作[4]。

國外巡檢機器人開展較早,電力行業智能巡檢機器人的研究使用最為成熟,如2012年新西蘭電網公司與梅西大學合作研發了全地形變電站巡檢機器人(圖1)[2],該機器人由4個電機驅動,36 V鋰電池供電,機器人車體設置機械臂,攜帶攝像機對目標進行拍攝巡檢,該設備通過人工遙控操控工作[5]。國外巡檢機器人技術目前在安防巡檢、家庭服務、電力巡檢等方面均已進入商業產業化程度。在石化領域,開發更加有效的測量傳感器和復雜環境下有效避障執行作業技術是目前仍需要解決的問題,此外國外多套巡檢機器人組合為巡檢機群進行多區域協同巡檢作業,針對生產設備巡檢大數據管控系統方面,目前國外研發較少[6]。

圖1 殼牌工程師與卡耐基梅隆大學共同研發應用于爆炸環境的機器人

圖2 國內防爆巡檢機器人

2 國內巡檢機器人技術現狀及發展趨勢

我國針對巡檢機器人研究最早始于1999年山東開展的變電站巡檢機器人,于2001年首次提出了在變電站應用移動機器人技術進行設備巡檢的想法,在2005年10月研制出國內首臺產品樣機并應用在長清變電站500 kV巡檢作業[7]。經過多年研究,智能巡檢機器人逐步取得了一定的發展成果,尤其是智能巡檢機器人在電力行業變電站中的應用[8]。截止2019年底,國內巡檢機器人行業市場規模已經超過5 500億元,相比2018年增長25%,巡檢機器人行業市場需求旺盛,同時“互聯網+”技術的應用,為巡檢機器人帶來了更大的發展空間[9]。2023年5月份北京舉辦的“第23屆中國國際石油石化技術裝備展覽會”上,七騰機器人有限公司(簡稱“七騰機器人”)攜防爆工業輪式巡檢機器人高性能版本、防爆工業四足機器人兩款全新產品亮相,新產品有效助力石油、工業等行業的生產安全[3]。國家工信部《機器人“十四五”產業發展規劃的通知》中指出“面對新形勢新要求,未來5年乃至更長一段時間,是我國機器人產業自立自強、換代跨越的戰略機遇期?！北仨殦屪C遇,直面挑戰,加快解決技術積累不足、產業基礎薄弱、高端供給缺乏等問題,推動機器人產業邁向中高端[10]。

3 生產裝置巡檢現狀及巡檢機器人優勢

3.1 巡檢現狀

企業的生產裝置流程處理設備復雜且分布較廣,裝置的大部分設備為露天環境布置。目前,各生產型企業通用的巡檢方式有常規人工巡檢、設定固定點實現狀態監控、設定固定點實現智能化巡檢三種[11]。

3.1.1 常規人工巡檢

以常規人工巡檢、關鍵設備定點定時巡檢為主,輔以智能化監測手段計劃巡檢。傳統的人工巡檢,往往存在流于形式、重復多人檢測、巡檢記錄容易出現誤差,甚至錯誤,設備反復開啟、關閉等情況。對于石化企業生產裝置的特殊設備部位,有時人工難以進入(受空間、危險性、毒性等各方面因素影響)會導致隱患不能被及時發現等問題。同時石化生產裝置往往設備數量多,設備隱患檢查的流程較長,這樣就使得常規人工巡檢模式耗費的人力資源較大,人力成本很難得到有效控制[1]。

3.1.2 設定固定點實現狀態監控

設定固定點定期巡檢的方法,能夠定期檢測設備關鍵節點的工作情況,在一定程度上解決了人工巡檢不到位和工作流于表面的情況,但是由于測定點的位置固定,采集方式單一,使得此種方式工作無法達到人工巡檢過程中“聽、摸、看、聞”的實際效果,只能通過收集設備節點的數據來判斷,有一定的技術局限。因此這種方式的實用性及應用廣泛性欠佳。

3.1.3 設定固定點實現智能化巡檢

設定固定點實現智能化巡檢,是一種建立在信息點巡檢系統基礎上的智能巡檢方式。結合各類傳感器的智能化控制優勢,同時具備了人工巡檢和固定點定期巡檢的優點,并且能夠解決人工巡檢和固定點采集信息存在的問題[6]。但是智能巡檢系統也存在一定的缺陷,當智能巡檢系統發現設備出現故障時,依然要依靠技術人員來做維修和保養,工作人員的安全性依然很難得到有效保障。

3.2 巡檢機器人優勢

有效降低巡檢方式危險性就成為當前智能巡檢系統建設需要突破的技術瓶頸。

鑒于此,目前部分企業巡檢工作已經逐步向著智能化、一體化的檢測方向邁進,也因此催生了可移動式、智能化的巡檢檢測技術。

企業生產裝置往往因其內部、外部的環境都不適于人工巡檢,具備可移動功能的智能巡檢機器人代替人工巡檢后,較好地克服了以上幾種巡檢方式存在的缺陷,其優勢體現的較明顯:

1)能較大幅度地為企業減少人力資源支出。機械結構的巡檢機器人能夠24 h連續不間斷地對各隱患處進行檢查,同時對人工不能到達的路徑,實現全方位、全區域的路徑規劃巡檢,能有效地減少傳統人工巡檢誤差率,解決人工巡檢低能低效的現狀,同時大大減少一線巡檢崗位所需的操作工人數。這對企業人力資源成本控制及績效產出有著明顯的效果。

2)巡檢機器人能夠到達人工所不能到達的位置,提高巡檢的精準性。對于企業生產裝置部分存儲有毒有害氣液體的設備,或溫度過高、空間過于狹小不適宜人工巡檢的位置。采用巡檢機器人代替傳統人力,在一定程度上提高了巡檢工人的安全性,降低了環境對人身的隱患。

3)巡檢機器人檢測精度較高,響應時間少,可提高危情處置效率。機器人機身設計搭載各樣傳感器。通過聲音、光、溫度及液位能及時將隱患信號通過氣體數據采集罩、可見光圖像采集攝像機、紅外熱成像儀裝置及聲音采集裝置等采集設備檢測各項數據,通過云端傳輸至后臺總控室,計算機進行分析處理,故障預判同時生成檢修預案。

4 巡檢機器人未來發展趨勢

巡檢機器人在檢測技術方面起步較晚,但隨著《機器人“十四五”產業發展規劃的通知》的發布,機器人在各行各業的投入應用及發展是迅速的,巡檢機器人在企業的應用,如自動或半自動移動能力,進一步提高對采集各項數據的敏感性、對各項數據進行自動識別,縮短數據響應時間,提高在特殊環境下的使用壽命等方向發展。

4.1 智能路徑導航

智能路徑導航模塊是巡檢機器人的重要組成部件。區別于路況復雜而難以實現的無人駕駛汽車技術,巡檢機器人要實現智能路徑導航就顯得相對容易。首先將生產裝置平面圖放入控制中心數據庫,機器人導航控制模塊可以根據控制中心平面圖參數(設備位置、距離)來判斷方向及距離,自動形成規劃路徑。移動過程中可用激光雷達來判斷距離,通過伺服控制系統來實現加速、減速及方向的改變。路徑規劃指定位置后,如雷達探測距設備表面仍有一定距離,而巡檢機器人無法進一步靠近時,巡檢機器人還可利用機械臂的伸展來改變探測距離,從而進一步增加巡檢空間及檢測數據的精準度。機械臂可以有效解決巡檢機器人在移動過程中由機械障礙使得機器人移動距離出現誤差,從而影響探測精準度的問題。

4.2 數據采集多樣化

生產設備的溫度、壓力、氣體排放濃度及工作中的振動情況,都是設備健康狀況的重要體現。高性能的傳感模塊如同“聽診器”,有效將相關信號轉換成電信號傳輸至控制中心。應用于生產裝置的巡檢機器人,機體一般安裝紅外攝像頭、可視攝像頭、噪聲傳感器、振動傳感器、硫化氫監測器、超聲檢測器等設備?？紤]生產裝置生產連續性,機器人機體還需安裝夜視控制系統。在不久的將來,隨著機器人在生產裝置的大量應用及普及,巡檢機器人與裝置技術員的配合將更加默契,技術員可隨時根據實際生產情況增加或減少巡檢機器人“佩戴”的各類檢測裝置,從而讓機器人更輕便、更精準的進行巡查和探測工作。

4.3 智能識別

正如人的大腦可以控制四肢及軀干等進行各種活動,未來巡檢機器人自動化程度也會進一步提高。四肢和軀干對外界的應激反應信號傳到大腦當中,由大腦作出預判并傳達指令。巡檢機器人的工作原理也大致如此[11],具有不同功能的各個子識別模塊,通過采集泄漏氣體以及液體的數據,將數據傳到智能識別模塊中,模塊將數據與預設值進行比較,從而判斷設備故障及泄漏情況。高光譜紅外識別熱像儀不但能對泄露氣體的濃度進行測量,還能夠準確定位泄漏位置。液體識別模塊則根據泄露液體的顏色、流動速度以及面積大小等情況進行綜合預判,再通過數據計算判斷出泄漏嚴重程度。未來巡檢機器人的發展方向還會向語音識別方面發展,增強人機間的互動[12]。中控室工作人員通過語音指令直接操控機器人各種行為,從而更好的提高機器人的工作適應性。

4.4 數據響應速度

通信模塊是巡檢機器人與中控室之間傳輸信息的重要載體。未來巡檢機器人的發展趨勢,中控室技術人員可以坐在后臺利用實時通信模塊,實時指揮巡檢機器人完成各類工作任務。利用GPS定位來判斷機器人的實際位置,5G網絡的深入應用,進一步加快了數據響應速度[13]。據此,機器人與后臺技術人員可同步實施遠程遙控在線巡檢,實時發現問題,且能夠第一時間進行故障預判并處理。在有些不適合人到達的場合(有毒、高溫),技術員遠程操作巡檢機器人來處理設備隱患,也可有效減少人身傷害,同時提高工作效率[14]。

4.5 機器人自我“保護”能力

生產裝置的生產環境往往對巡檢機器人的機械、電氣結構有一定的腐蝕性,設備泄漏的氣體、液體容易加快巡檢機器人精密探頭的損壞程度。從平面上分析,各類裝置的位置也容易使得巡檢機器人在移動過程中出現磕碰、跌倒的情況,從而導致傳感設備損壞。那么在未來巡檢機器人的升級過程中,機器人加強自我防護能力及提高使用壽命的設計是關鍵。從巡檢機器人所使用的材料上,需要研發設計出具有極強防腐蝕、防高溫、防水、防塵等能力的特殊材料。在移動過程中,控制中心要能夠智能判斷是否要急停、避讓、轉向和防跌,必要時可以及時報警來減少對本體的損傷[15]。

5 生產裝置巡檢機器人發展趨勢

在生產型企業當中,應用巡檢機器人代替人工巡檢有著顯著優勢,但要真正將其普及,還是面臨著一些技術攻關問題。

1)巡檢機器人不能僅限于平面巡檢,要具備“爬樓”能力。生產裝置往往具有緊湊的結構,其設備不會在一個平面內擺放,因此巡檢機器人還需具有“爬樓”的功能[16]。

2)生產設備由于其特殊性,巡檢機器人在執行工作過程當中受到強磁干擾的情況是不可避免的,在數據采集傳輸過程當中,網絡信號的中斷會延遲故障信息獲取及處理的時間。

3)當前大多數巡檢機器人僅能對氣體的濃度、液體液位及密度等基礎數據進行信息采集,對氣體、液體性質的判斷則較難實現。需要進一步的在實踐探索中實施技術攻關,來突破技術瓶頸。