电厂输煤廊道中智能巡检机器人技术的设计与应用

王钟坤 王宏伟 张金 菅磊 刘刚

（1.山西京能吕临发电有限公司 山西省吕梁市 033000 2.北京能工荟智机器人有限责任公司 北京市 102600）

电力工业是国民经济支柱产业，充足的电力生产是保障我国市场经济及工业生产稳定基本需求。但是由于今年全球疫情影响，国外疫情控制水平较差，相比之下中国疫情控制较好，从而带动国外大批量采购中国产品，随之而来的是工业用电的大幅提升。因此提高电厂生产效率，提升电厂经济投入及能源转换比，促进能源和信息深度融合，构建“智能发电、智慧电厂”成为发电企业未来的转型之路，也是提升管理、提升市场竞争优势的创新变革举措，对于实施供给侧改革、创新驭动发展战略也有着重要意义。

在智能电站建设中，为了克服传统人工作业的诸多安全隐患及减少成本，应用智能化技术，减少人员、提高效率是必然的措施，在电厂输煤廊道区域应用智能巡检机器人，可有效规避安全风险，也减少高危岗位的人力成本投入，提高输煤廊道运行的安全性和经济性，具有一定的现实意义。

1 国内外研究现状

电厂巡输煤廊道检机器人作为一种专为电力行业而研究开发的电力专用移动机器人主要应用于高压电厂。国外其他国家和日本首先使用了此类相关技术和应用，不过国内对于巡检机器人的研究应用已经出现明显赶超的趋势。然而不管在国内还是国外，机器人如何实现在电厂中运动定位和判断检测目标一直是电厂机器人应用中的一个主要问题。

1.1 国外研究现状

机器人检测在电力相关领域的研究最早出现在1980年和90年代初的日本。而且早期，大多数应用机器人都只是通过远程操作来检查输电线路的，还远没有达到脱离人来巡检的目的。一开始为了方便机器人的路径规划和驱动控制，日本研发了一款搭建固定轨道的变电所巡检机器人，再在本体上搭载红外热像仪和相关传感器设备来获取电厂内电力设备的信息。

在2008年圣保罗大学开发出一种巡检机器人，此款机器人主要为检测电力设备的温度。此款机器人也是使用了固定轨道，只是不同的是轨道搭建在高空，并利用红外热像仪监测电厂内各种发热点的温度来保证各种电力设备的安全运行。

2017年7月，新西兰的Albany 电厂也开始使用巡检机器人，该机器人搭载高分辨相机，热成像传感器等，具备状态监控，设备检查等功能。2018年3月2日在蒙特利尔Hydro-Quebec发布了新的巡检机器人平台LineRanger原型，它能迅速轻松地越过障碍，以更快的速度和更简单的方式，对电线进行检查。对于巡检机器人在变电所的精确定位难题很多人为此做了研究。如图1 所示。

图1 ：国外LineRanger 巡检机器人

现阶段电厂巡检机器人应用效果比较突出，但系统仍需进一步完善，以满足全方位、自助式、全天候巡检作业的要求。

1.2 国内研究现状

虽然在国内研究开发巡检机器人的时间不长，但近十年以来，由于国家的扶持和智能电网的建设，中国这方面的专利、应用规模远远超过了其他国家，甚至世界上某些行业标准也以中国为标准。起初，国内率先启用巡检机器人于变电所的山东省电力公司于2002年成立了实验室，第一台研制成功的功能原型机于2004年研制成功。之后在国家“863项目”和多方合作下又研究开发出各类电厂巡检机器人。机器人的导航定位技术没有采取单个传感器，而是多个传感器相配合使用，具备仪表读数识别、检测温度等功能，可以适应电厂里的各种天气，各种地理环境并实现自主运行。

截至目前，山东省电力科学研究院已完成了第五代巡检机器人（图2），服务于西北电网公司多所电厂。巡检机器人行业厂商因为技术等壁垒的问题国内竞争较少，处于领先队伍的公司如浙江国自依托多家合作中心与国家支持，开始研制出使用激光雷达高精度定位技术的巡检机器人，并且已经投入使用在全国各个省份，实现应用电厂的等级从66kV到1000kV 全覆盖。

图2 ：山东第五代电厂用巡检机器人

电厂巡检机器人虽然属于国家战略新兴行业，但随着我国进入新时期和经过十多年的技术沉淀，现阶段开始厚积薄发已由量变开始发生质变。同时随着人工智能技术向各行各业走向全面深度融合，让巡检机器人开始人工智能的深度学习提高它的识别定位等各种能力将是一个重大研究方向。

2 巡检机器人主要应用技术

2.1 定位导航

目前移动巡检机器人采用的定位导航技术主要有轨道导航技术、惯性导航技术、GPS导航技术、以及SLAM导航技术。其中最为常见的是轨道导航轨道导航技术及利用预先吊装或预埋的轨道，结合磁钢片/二维码等特征标识点，实现机器人的沿轨道行走和定点检测；此种方法定位精度相对较高，适用于室内环境巡检机器人的导航。对于变电站等室外场景而言，由于面积大、环境复杂，轨道无法吊装等问题，轨道导航方式不适用。

2.2 图像识别

其次是图像识别技术，智能巡检机器人搭载高清可见光相机，拍摄设备图像，利用图像识别技术完成设备运行状态的自主识别与判断。主别准确率相差不大。电力巡检中，设备种类复杂、型号繁多，如何实现对所有设备的准确识别是图像识别技术需要解决的关键问题。在变电领域，囿于应用数量有限，各厂家通常针对特殊设备建立专用的识别模板和算法，以确保识别准确性；主流厂家积累了丰富的培训样本，基于模糊识别、神经网络等深度学习技术，能够实现对特殊设备的快速、准确识别。

2.3 运动控制

目前电力巡检机器人的运动机构通常为四轮结构，按运动控制方式不同，可分为主从驱动方式、四轮四驱方式、四轮八驱方式三种。主流厂家的巡检机器人多采用四轮八驱方式，每个车轮的驱动电机和转向电机均为独立控制，可实现原地转弯以及任意时刻任意方向的行走，对路面状况的适应性更强，可有效避免机器人发生跌落翻车事故。

3 电厂输煤廊道智能机器人巡检业务需求

3.1 电厂输煤廊道基本情况

应用电厂为X 集团发电有限公司，配备2 X350MW 发电机组，其厂外输煤皮带系统线路长，环境差，同时由于安全监管暂不完善，也是安全事故高发的区域。现输煤系统区域目前还主要是人工巡检的方式，由运行人员定期进行设备的巡视工作，巡视过程中主要关注设备的运行情况，巡视主要还是靠目测为主。为了保障输煤系统设备的安全运行，以及人员安全管理，发电厂投入了大量人力进行巡检，投入大量精力加强运行人员安全教育，确保对输煤系统内作业安全运行。但仍存在运维费用高、工作环境差、工作量大、巡检效率低、现场危险情况及皮带缺陷不能及时发现、存在无法全部监督等问题。因此，基于智能机器人、智能视频图像分析算法研发巡检机器人系统，检测设备运行状况，实现输煤系统智能化巡检，助力电厂智慧化建设向前发展。

3.2 电厂输煤廊道业务需求

本研究取材于从事电厂输煤廊道巡检作业的直接职位，需要有实际用途方面的标准，在用于巡视检查工作的机器人的体系整体研发要求能够与高压输送电能线路具有类似的特性，对输煤皮带安全运行进行监视预警，通过视频采集、红外测温、气体采集等手段，以智能算法实现输煤皮带的实施检测和状态预警。

本项目拟针对该发电有限公司的厂外皮带输煤廊道现场设备情况及场地状况开发一款巡检机器人产品，巡检轨道长度约为200m，利用巡检机器人移动平台及其搭载的监测设备，实现对现场指定区域和设备进行巡检，主要针对现场输煤皮带的跑偏、撕裂、断煤、堵煤的检测，针对皮带局部温度过高、托辊温度过高、现场温湿度、现场多种气体浓度、灰尘浓度异常的检测。巡检机器人应能够代替人工巡检，实现现场智能化监控。通过机械结构实现机器人的移动和翻越障碍物，借助对光的感觉、能感应红外线的仪器使得巡检工作得以实现。

4 智能巡检机器人的工作原理及系统功能分解

4.1 机器人工作原理

为实现机器人巡检防爆功能，需考虑到巡检机器人工作原理，即通过输煤廊道巡检轨道的行进完成移动拍摄，随后通过检测云台翻转完成整个区域的巡检工作，而防爆功能则只需要设计上附加充电仓与电池电气防爆仓即可。因此本设计主要由三部分组成，分别是行走与定位机构、电池电气防爆舱与云台旋转机构，分别负责机器人轨道行进，电池与电气器件收纳与防爆，摄像监测等功能。

4.2 机器人系统功能分解

根据上面已经介绍过的业务需求，为全面良好的完成系统功能检测，该输煤廊道巡检机器人系统主要包含的功能有能对电子围栏和输煤现场人员翻越、短袖、安全帽的检测，针对皮带局部温度过高、托辊温度过高、现场温湿度、现场多种气体浓度、灰尘浓度异常的检测；辅助系统同时采集固定摄像头检测数据针对现场输煤皮带的跑偏、撕裂、断煤、堵煤的检测等工作。巡检系统功能分析如图3 所示。

图3 ：巡检系统功能分解

4.3 机器人防爆安全配置

巡检机器人按照防爆设计，防爆功能针对充电仓与电池电气进行设计，其他系统内的功能部件按照适用的要求进行选型适用即可。

5 输煤廊道智能巡检机器人总体设计

5.1 输煤廊道智能巡检机器人的硬件设计

巡检机器人本体包括轨道机器人上端行走机构和搭载设备，轨道机器人上端行走机构包括行走机构、动力及传动机构和其他机械部件。机器人整体按照防爆结构设计，整体防爆等级满足输煤廊道使用需求，机器人控制硬件系统主要包括：机器人微控制器、电源模块、电机驱动模块、摄像头模块、数据存储模块、该控制系统采用嵌入式工控机，具有可靠性高、体积小、能满足输煤廊道的高低温环境；机器人本体端由微控制器控制电机驱动模块、环境监测模块、数据储存模块、电源模块及摄像头模块，完成各项功能的指令处理和数据传导，远程控制端采用服务器电脑，通过无线通讯模块接受到机器人本体端发送的数据与监控图像信息，了解现场检测到的温度与湿度和现场情况。

5.2 输煤廊道智能巡检机器人的软件系统设计

对于一个机器人来说，硬件系统好比肉体，软件系统像是灵魂。脱离了软件，硬件系统就成了空壳；没有了硬件，软件设计也变得不完整。软件系统在机器人设计中，具有举足轻重的作用。该巡检机器人软件系统分别有本体嵌入软件与远程控制软件，机器人本体嵌入式控制软件的作用主要负责对巡检机器人自身控制、诊断、上位机通信等功能进行控制。本体嵌入式控制软件首先需要对底层配置进行初始化，例如单片机时钟。随即对应用层展开初始化，包括上位机通讯、伺服电机作业、各种传感器的实际数据等等。最后进入到循环程序，对处理函数不断执行、命令执行函数、通讯处理函数。采用嵌入式方案，是避免采用工控机方案的不可靠问题，避免机器人失控。如图4 所示。

图4 ：本体嵌入式控制软件程序流程

巡检机器人的上位机测控软件在VisualStudio 2017 软件中使用QT 开发框架编写，并根据巡检作业要求制定上位机软件界面，当系统启动时将会根据机器人本体通讯系统发送来的信息确定机器人当前定位，并结合参数选择发送巡检指令，或发送具体定位检查要求指令，同时整理检测信息上报至系统。如图5 所示。

图5 ：机器人上位巡检程序流程图

6 系统测试

6.1 系统测试

概述无论软件设计还是硬件设计，都只是建立在理论之上。输煤巡检机器人能否在实际环境中方正常工作，还需要实际的测试。只有不断的测试机器人的运行情况，才能发现在系统存在的问题，以及增加一些其他功能。只有经得起实际检验的设计，才能成为有用的设计。

6.2 硬件系统测试

6.2.1 测试

硬件的静态测试是指在不启动电源为系统供电的情况下，检查硬件系统的连接情况。在组装完成后，断开电源连接，对各硬件的连接进行检测。根据设计原理图，检查线路有无短路，虚接或断路情况，防止在上电后，烧坏元器件及模块。然后，在利用示波器及万用表等检测电源极性，各模块的电压值是否符合元器件本身的使用要求，以免个别模块的实际电压过大，烧坏元器件。

6.2.2 动态测试

硬件系统动态测试指的是在接通电源的情况下，预先编写好的程序被烧录到单片机内，测试各模块在实际情况下是否能够完成相应的功能。

本次动态测试主要又一下几个方面：

（1）运动及避障功能测试：该测试是检查机器人能够正常移动，在遇到障碍物时能否按照程序设计时所设定的路径进行避障。为防止偶然事件的发生，本次测试重复多次，并且对静止和移动两种障碍物分别测试。

（2）火焰感知测试：输煤巡检机器人最基本的任务就是检测火焰。本次检测将机器人置于不同的环境下进行检测，检查传感器能否正常工作，能否为单片机传输火焰检测信号。

（3）设备预警测试：这部分测试主要针对皮带跑偏、撕裂、堵煤、断煤等异常状态的识别进行测试，测试识别率及系统响应情况。综上所述，在各模块能够正常工作的基础上，完成系统的总体测试。

本次设计的输煤巡检机器人的硬件测试正常，各模块能够完成其功能，能够完成巡检避障，发现火源并及时熄灭火源的功能。

6.3 软件系统测试

软件系统测试主要是在程序运行时，代码有无错误，程序运行是否正常。如果程序在运行时存在异常，要分析异常的原因，并及时做出修改和完善。Keil MDK 软件是这次设计使用的编译软件，编译结果没有错误，软件测试结果正常。

7 结语

本文针对电厂输煤廊道巡检工作的情况，针对输煤廊道巡检的功能需求，设计了一款智能化自动防爆巡检机器人，可有效降低传统人工作业的诸多安全隐患及减少成本，帮助电厂减少人员成本投入、提高效率，更好的响应国家智能电站的建设要求，完成“无人电厂，少人管理”的智慧电厂建设目标，以更高的生产效率为社会主义建设保驾护航。