輸油場站巡檢機器人系統(tǒng)及軟件設計

（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

0 引言

輸油場站是石油化工企業(yè)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，承載著成品油的儲存、運輸及終端銷售供給的作用。為了確保輸油場站及成品油的安全，每天需要大量的專業(yè)人員對輸油場站內的管路及設備進行定時巡視。這種方式危險性高、勞動強度大，而且受巡檢工個人工作能力的限制，巡檢質量也參差不齊。隨著機器人技術的發(fā)展，一種新的利用機器人的巡檢模式應運而生。巡檢機器人可搭載一系列傳感器，代替巡檢人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等現(xiàn)場進行巡檢、探測，有效解決巡檢人員的勞動強度大、現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息采集不足等問題，而且還可以對現(xiàn)場管道、儀表等設備的運行狀況和顯示信息進行監(jiān)測和識別判斷，有效提高輸油場站的自動化和智能化水平，具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。本文介紹了一種輸油場站巡檢機器人系統(tǒng)及其軟件設計方法，在輸油站中取得較好的應用效果。

1 巡檢機器人系統(tǒng)組成

輸油場站巡檢機器人系統(tǒng)由防爆輪式巡檢機器人、自動充電裝置、無線基站和上位機遠程控制站組成。防爆輪式巡檢機器人、無線基站和上位機遠程控制站通過無線方式進行通信。

1.1 防爆輪式巡檢機器人

防爆輪式巡檢機器人是巡檢系統(tǒng)中的主體，防爆輪式巡檢機器人主要由輪式運動底盤、智能雙視云臺、揮發(fā)性有機物探測器、前后導航組件、避障傳感器、防爆揚聲器、天線、拾音器以及自動充電組件等組成，巡檢機器人外觀結構如圖1所示。

輪式運動底盤包括防爆驅動機構和車輪，防爆驅動機構共有四組，具有相同的機械結構且相互獨立，均由防爆殼體組件、驅動電機、減震緩沖器、減速機和驅動軸組成；四組獨立防爆驅動機構各具有一個獨立的減震緩沖器，組成四組獨立的長行程懸掛裝置；當機器人在崎嶇地面行走移動時，四組獨立的長行程懸掛裝置可保證每個車輪與地面完全接觸，避免車輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

智能雙視云臺上搭載有高清攝像機和熱成像儀，用于對現(xiàn)場設備進行高效巡視。攝像機鏡頭裝有雨刷，能夠清理鏡頭玻璃上的水漬和浮土等，使監(jiān)控畫面維持在較清晰的狀態(tài)。

揮發(fā)性有機物探測器用于實時監(jiān)測成品油的泄漏情況，采用新一代真空納米陶管光致電離（PID）檢測技術，內置高性能隔膜氣泵，響應迅速，恢復時間快。

紅外避障傳感器用于檢測機器人行進路程中障礙物的情況，該傳感器集發(fā)射與接收于一體，檢測距離可以根據(jù)要求進行調節(jié)，調節(jié)范圍為0～3米，該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、使用方便等特點。巡檢機器人在前、后各安裝一個避障傳感器，可有效避免與障礙物的碰撞，提高機器人運行過程中的安全性能。

為了使巡檢機器人按照規(guī)定的路線進行巡檢，在巡檢機器人前、后方底部裝有磁導航傳感器。該磁導航傳感器具有低功耗、靈敏度高的特點，采用16點檢測，點間距1cm，使巡檢機器人高速或轉彎時不易丟失導航信號。

圖1 防爆輪式巡檢機器人外觀結構

1.2 無線基站

在巡檢機器人的工作區(qū)域設有無線基站，多臺無線基站之間通過光纖進行連接，使整個巡檢機器人工作區(qū)域都被無線網(wǎng)絡覆蓋，以實現(xiàn)與遠程控制站（服務器）的連接通訊。巡檢機器人檢測到的數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸，上傳至上位機服務器進行監(jiān)控、分析、告警等。

1.3 上位機遠程控制站

上位機遠程控制站（服務器）訪問巡檢機器人采集的信息，然后進行分析處理，如有異常自動報警，或通過網(wǎng)絡轉接發(fā)送短信給用戶及上傳給上級部門，供專家團隊決策。客戶端通過服務器可以對現(xiàn)場巡檢機器人進行遠程操控，如關鍵點復查等操作。巡檢機器人上位機操作界面由系統(tǒng)、控制、查詢、配置等部分組成，程序啟動后，默認為系統(tǒng)界面，通過選擇菜單欄，可進入相應的界面。系統(tǒng)界面主要分為：菜單欄、狀態(tài)欄、狀態(tài)信息欄、操作欄、系統(tǒng)信息欄、報警信息欄、可見光視頻圖像、紅外熱像等部分。如圖2所示。

圖2 上位機系統(tǒng)界面

1.4 自動充電裝置

巡檢機器人可以進行自身狀態(tài)識別，實現(xiàn)自診斷功能，當檢測到電量低后，自動返回充電。巡檢機器人自動充電裝置由充電樁和防爆充電控制箱組成，兩設備之間由電纜進行連接，在安全區(qū)完成自動充電。機器人在運行過程中，自身檢測到電量低于設定值后，自動尋找充電樁，進行充電。到達充電時間，根據(jù)預先設定模式，繼續(xù)巡檢或休眠。自動充電接觸部采用電氣閉鎖技術，不充電時或故障狀態(tài)下，觸點禁止帶電，以保證運行安全。在防爆區(qū)域也可以進行手動應急充電操作。

2 巡檢機器人系統(tǒng)軟件設計

巡檢機器人系統(tǒng)軟件由兩大部分構成，分別為機器人本體嵌入式控制軟件和上位機監(jiān)控識別軟件。

2.1 機器人本體嵌入式控制軟件

機器人本體控制軟件程序主要完成對巡檢機器人本體的控制功能、自診斷功能以及和上位機的通訊功能。機器人本體嵌入式控制軟件首先對底層程序進行配置和初始化，如單片機時鐘、GPIO接口、串口、CAN、IIC、DAC、ADC、看門狗等，然后對應用層初始化，主要配置與上位機通訊點表、伺服電機工作模式及狀態(tài)、各類傳感器初始數(shù)據(jù)等。最后進入循環(huán)程序，不斷執(zhí)行報警處理函數(shù)、命令執(zhí)行函數(shù)和通訊處理函數(shù)三個模塊函數(shù)。報警處理函數(shù)完成對自身狀態(tài)識別判斷，如前方是否有障礙物、是否存在電池電量、電機故障、傳感器故障等。命令執(zhí)行函數(shù)是上位機下發(fā)命令的執(zhí)行模塊，邏輯性較強。如自動模式、手動模式、到點檢位邏輯操作等等。通訊處理函數(shù)主要完成采集所有傳感器數(shù)據(jù)、自身電量數(shù)據(jù)及與上位機通訊。機器人本體嵌入式控制軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 機器人本體嵌入式控制軟件主流程圖

2.2 上位機監(jiān)控與識別軟件

2.2.1 機械式儀表讀數(shù)識別方法

上位機監(jiān)控與識別軟件采用C++語言進行開發(fā)設計，一是負責對巡檢機器人上傳的數(shù)據(jù)進行分析處理、異常報警及記錄存檔，實時刷新界面，瀏覽視頻；二是對巡檢監(jiān)測的設備，如儀表、閥門等的工作狀態(tài)進行識別。巡檢機器人到達巡檢位后，上傳到位信號及點檢位卡片號，通過卡片號調用相應云臺預制點，初步尋找儀表或者閥門位置，通過分析確定目標在畫面中的位置進行閉環(huán)調節(jié)，再次捕獲清晰的目標照片進行狀態(tài)、數(shù)據(jù)識別。

輸油場站內的目標主要包括機械儀表（壓力表、溫度表等）、電子儀表（流量計等）、閥門（球閥、截止閥、蝶閥等）等。經(jīng)過預先標定，將每處需要拍照檢測的目標觀測點設置為云臺的預置點，機器人通過導航及RFID定位運行到點檢位，自動調用云臺預制位后進行拍照，為了避免出現(xiàn)抓拍中無目標漏檢問題出現(xiàn)，先抓拍一張視野較大的全景圖，通過算法分析鎖定目標位置。然后根據(jù)每個目標的位置進行云臺自動調節(jié)，得到放大的特寫圖，以便提高識別精準度，最后對特寫圖目標進行識別。

下面以機械式儀表為例，闡述一下儀表讀數(shù)的識別方法。首先根據(jù)目標位置截取儀表圖像，然后對圖像進行灰度處理、平滑處理，去除攝像機成像過程中的噪點。接下來對圖像進行二值化，采用自適應的局部閾值，這樣可以避免陰影的影響。二值化分出許多刻度及其他信息，不同刻度線所在的直線會相交，它們的焦點匯聚到儀表盤的圓心位置。根據(jù)統(tǒng)計相交最多的點，求出圓心位置。圓心到刻度線中心的平均距離為儀表盤的半徑。圍繞著圓心，保留儀表盤半徑內的二值信息，選取最大的聯(lián)通區(qū)域為指針區(qū)域。指針聯(lián)通區(qū)域的點擬合成直線，根據(jù)直線斜率求出指針的角度。機械式儀表識別程序流程圖如圖4所示。

圖4 機械式儀表讀數(shù)識別流程圖

2.2.2 閥門狀態(tài)識別方法

閥門開關狀態(tài)判定主要分為四個步驟：

1）初始信息輸入：包括閥門法蘭直徑長度、閥門打開和關閉長度；采集圖像輸入：定位閥門位置，輸入待識別閥門圖片。

2）定位法蘭位置

在圖片中尋找深藍色區(qū)域、定位法蘭區(qū)域，如果藍色區(qū)域沒有找到，則進行圖片二值化，畫輪廓，通過最大輪廓得到法蘭區(qū)域，計算法蘭占的像素數(shù)。

3）定位閥桿位置

在圖片法蘭區(qū)域上部查找紅色區(qū)域，定位閥桿位置，如未識別到紅色，則對圖片進行二值化，統(tǒng)計中心點附近黑像素多少，定位閥桿位置，計算閥桿占的像素數(shù)。

4）確定閥門開關狀態(tài)

通過法蘭所占的像素數(shù)及輸入的法蘭直徑長度，計算出每個像素代表多少毫米，閥桿占的像素數(shù)乘以每個像素代表的毫米數(shù)，即得閥桿長度；將計算后得到的閥桿長度與輸入的閥門關閉時閥桿長度進行比較，如果大于某一閾值，則認為閥門是打開狀態(tài)，小于某一閾值則認為閥門處于關閉狀態(tài)。

3 系統(tǒng)應用情況

該輸油場站巡檢機器人系統(tǒng)已在某輸油站成功應用，根據(jù)現(xiàn)場巡檢工藝流程，巡檢機器人24小時不間斷運行，進行巡檢作業(yè)，完成了輸油站對油罐、過濾器、減壓閥、流量計等輸油設備的巡檢任務以及對點檢位儀表及閥門的狀態(tài)識別，上位機監(jiān)控畫面如圖5所示。應用結果表明，該巡檢機器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準確，監(jiān)控畫面清晰，故障判斷及時，節(jié)省了大量的人力物力，不僅替代了人工巡檢工作，達到了無人值守的目的，而且減員增效效果明顯，取得了較好的經(jīng)濟效益，該巡檢機器人系統(tǒng)也可用于其他設備巡檢領域，具有廣闊的應用前景。

圖5 上位機監(jiān)控畫面

4 結論

針對石化企業(yè)輸油場站設備巡檢問題，本文介紹了一種輸油場站巡檢機器人系統(tǒng)及其軟件設計方法，巡檢機器人完成對設備的數(shù)據(jù)采集、圖像傳輸，無線基站完成機器人與上位機之間的無線通訊，上位機遠程控制站完成現(xiàn)場監(jiān)控和圖像識別，發(fā)現(xiàn)故障及時報警。實際應用證明，該系統(tǒng)組成結構合理、功能完善，軟件設計方法正確，達到了輸油場站無人值守的目的。