淺談機(jī)器人在國(guó)內(nèi)火電廠的應(yīng)用研究

陳家穎，章偉杰，張 強(qiáng)，郭 榮

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 201100）

0 引言

2018年中國(guó)的火電發(fā)電裝機(jī)容量位114367萬(wàn)千瓦，比2017年增長(zhǎng)了3.50%，占總發(fā)電裝機(jī)容量的60.20%[1]。火電是國(guó)內(nèi)電力生產(chǎn)的主體，火電廠高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)是國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)民生的重要保障。近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力需求不斷增大，火電規(guī)模的隨之?dāng)U大，對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性的要求更加嚴(yán)格。從國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃到《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃中，機(jī)器人技術(shù)始終得到充分的肯定和重視，是未來(lái)高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基石。

機(jī)器人具有出色的環(huán)境感知能力和精確的控制能力，能代替人類執(zhí)行危險(xiǎn)復(fù)雜的任務(wù)，使其能在眾多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。火電廠機(jī)器人以移動(dòng)機(jī)器人為主，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景其又可分為檢測(cè)機(jī)器人、操作機(jī)器人和維修機(jī)器人3種[2]。檢測(cè)機(jī)器人通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜、輔機(jī)設(shè)備和管道的巡查測(cè)量，收集溫度、振動(dòng)及氣液泄漏數(shù)據(jù)。操作機(jī)器人主要涉及代替人開(kāi)展開(kāi)關(guān)柜帶電操動(dòng)開(kāi)關(guān)、灰?guī)烨寤业雀呶Ｗ鳂I(yè)。維修機(jī)器人的應(yīng)用，包括對(duì)水冷壁管道裂紋的檢測(cè)、尾部煙道的磨損分析及灰渣鐵銹的清潔處理等。

本文針對(duì)近年來(lái)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的一些主要研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并分析國(guó)內(nèi)火電廠機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀，梳理分析火電廠機(jī)器人應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展情況

“移動(dòng)”是區(qū)分移動(dòng)機(jī)器人與其他類型機(jī)器人的重要特征，它要求機(jī)器人具備移動(dòng)能力，包括遙控操縱或者自主移動(dòng)，具備環(huán)境感知能力和環(huán)境適應(yīng)性。移動(dòng)機(jī)器人可以分為輪式、履帶式、腿足式、仿人形、水下和飛行機(jī)器人等。世界第一臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人Shakey誕生于1972年，它依靠電子攝像機(jī)、三角測(cè)距儀及碰撞傳感器等進(jìn)行環(huán)境感知，通過(guò)無(wú)線通信由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)控制及規(guī)劃行動(dòng)路徑[3]。1988年，由Smith、Self和Cheeseman提出SLAM[4]（Simultaneous Localization and Mapping）, 即同步定位與建圖，利用攝像頭等傳感器實(shí)時(shí)更新本體坐標(biāo)和根據(jù)周圍環(huán)境特征建圖，使機(jī)器人在未知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航。1997年，探測(cè)機(jī)器人Sojourner Rover登錄火星，由于缺乏自我定位條件，它只能依靠科學(xué)家的遠(yuǎn)程操縱在著陸器附近進(jìn)行小范圍探索[5]。2000年，本田公司開(kāi)發(fā)的人形機(jī)器人ASIMO身高1.3m，體重48kg，可以通過(guò)提前改變重心完成許多復(fù)雜靈活的動(dòng)作，依靠足跡規(guī)劃器進(jìn)行避障導(dǎo)航[6]。2012年6月，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心自主研發(fā)的作業(yè)型深海潛水器“蛟龍?zhí)枴保L(zhǎng)、寬、高分別是8.2m、3.0m與3.4m，最大荷載是240kg，最大速度為25 n mile/h，在海試中破紀(jì)錄的下潛至7062.68m，并進(jìn)行了水下的探測(cè)作業(yè)。2020年，波士頓動(dòng)力公司的機(jī)器人Spot在海上油井服役[7]，它能以1.6m/s,運(yùn)行90min，搭載立體攝像機(jī)，具有360°的視野，輕松完成避障，可以有效載重14kg，搭配定制傳感器或者機(jī)械臂，用于完成讀取儀表，檢測(cè)氣體泄漏等工作。

2 國(guó)內(nèi)火電廠機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

一方面，火電廠的設(shè)備具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，安全可靠性要求高的特點(diǎn)，因此需要對(duì)大量設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)檢測(cè)，需要投入大量的人員和檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行日常的點(diǎn)巡檢工作，而一臺(tái)搭載著多樣檢測(cè)儀器，能實(shí)現(xiàn)測(cè)溫、識(shí)別開(kāi)關(guān)狀態(tài)、讀取儀表示數(shù)及自動(dòng)充電的智能巡檢機(jī)器人，不但能代替人類完成點(diǎn)巡檢工作，而且還能降低巡檢風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，由于經(jīng)濟(jì)性的原因，火電廠現(xiàn)在實(shí)行的是定期檢修，檢修時(shí)間短，通常一個(gè)小修周期僅10～15天，這對(duì)設(shè)備檢測(cè)的準(zhǔn)確性和快速性有很高的要求。以鍋爐水冷壁檢測(cè)為例，從停爐冷卻到環(huán)境溫度降至能夠允許人員進(jìn)入就需要2～3天，還需要搭建腳手架，由檢修人員相互配合，手持檢測(cè)儀器對(duì)每根管子進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)記，而利用水冷壁檢測(cè)機(jī)器人[8]不但能減少人員投入，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，還能縮短檢測(cè)時(shí)間，降低檢測(cè)人員操作安全風(fēng)險(xiǎn)。

張燕東[9]等人研制的智能巡檢機(jī)器人集成了跑冒滴漏檢測(cè)、聲音泄漏檢測(cè)、激光測(cè)振及拾音等功能，在電廠中示范應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期效果，在專家系統(tǒng)、立體巡檢方面還可以進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足無(wú)人巡檢的要求。陳建忠[10]等人研制的輸煤廊道巡檢機(jī)器人采用分體式結(jié)構(gòu)，鏈條形構(gòu)型，根據(jù)編碼器和RFID定位，可以測(cè)量溫度、聲音和振動(dòng)，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)辨別開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)、皮帶跑偏和漏煤，能夠有效預(yù)防皮帶跑偏、廊道火災(zāi)等事故發(fā)生，解決了輸煤廊道難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)管不足的問(wèn)題，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性。張學(xué)劍等人[11]設(shè)計(jì)的流化床鍋爐水冷壁壁厚檢測(cè)的永磁吸附式爬壁檢測(cè)機(jī)器人，優(yōu)化了永磁吸附結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器人的負(fù)重能力，能夠搭載更多檢測(cè)設(shè)備，提高檢測(cè)效率。姬鄂豫[12]等人將WSD清洗機(jī)器人用于600MW機(jī)組的凝汽器清洗，采用智能化控制，用高壓水清理凝汽器內(nèi)壁和管口，相比傳統(tǒng)的膠球清洗和優(yōu)化反沖洗方式，不僅節(jié)約了成本，而且操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，清洗效果良好，提高了凝汽器的清洗效率。吳小輝[13]研發(fā)了一種發(fā)電機(jī)在線檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠在不抽轉(zhuǎn)子的情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的可視化檢測(cè)、定子槽楔松動(dòng)和定子鐵心電磁缺陷檢測(cè)，完成發(fā)電機(jī)定子關(guān)鍵部件的劣化評(píng)估，降低抽轉(zhuǎn)子造成的設(shè)備損毀風(fēng)險(xiǎn)，提高檢測(cè)效率。嚴(yán)禎榮等人[14]針對(duì)螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫裂紋的產(chǎn)生特性，開(kāi)發(fā)了一種專用微型超聲波檢測(cè)探頭和超聲波檢測(cè)儀器，在狹小的檢測(cè)面積上實(shí)現(xiàn)了雙面鰭片焊縫缺陷檢測(cè)，能夠方便、有效地應(yīng)用到超超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁檢修環(huán)節(jié)。

3 火電廠機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 移動(dòng)平臺(tái)

火電廠機(jī)器人主要分為軌道式、輪式和履帶式。軌道式機(jī)器人可以搭載濕度、溫度、深度攝像頭等傳感器，在固定的軌道上運(yùn)行，軌道可以貼近地面也可以安裝在吊頂，檢測(cè)范圍限于軌道周圍。機(jī)器人在軌道上運(yùn)行不必?fù)?dān)心偏離既定路線且定位更加容易[15]，在電廠中可以用于輸煤廊道和狹長(zhǎng)管道的監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)更大的檢測(cè)范圍和實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)效果，需要重點(diǎn)關(guān)注軌道的布局、機(jī)器人的供電方式[16]、爬坡和彎道處的速度控制以及在需要穿越密閉空間時(shí)應(yīng)在穿越處因加裝控制門等。輪式機(jī)器人具有運(yùn)行平穩(wěn)，移動(dòng)靈活的特點(diǎn)，爬坡和越障能力一般，可以搭載多種類型的傳感器和機(jī)械臂，主要用于生產(chǎn)區(qū)的巡邏檢測(cè)，利用自主無(wú)線充電[17]可以保障機(jī)器人的續(xù)航能力，提高設(shè)備安全性和有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的無(wú)人化巡檢。履帶式機(jī)器人具有較強(qiáng)的爬坡和越障能力，配合磁吸附技術(shù)[18]，可以輕松在豎直壁面上運(yùn)動(dòng)，適用于管道和豎直壁面的檢測(cè)清理，但這種結(jié)構(gòu)自重較大，對(duì)其載重能力一般，搭載設(shè)備盡量輕便化，對(duì)不同的傳感器的接入方式重點(diǎn)研究，以實(shí)現(xiàn)多樣化的檢測(cè)功能。

3.2 自主導(dǎo)航

火電廠機(jī)器人主要用于代替人進(jìn)行巡檢或者檢修，通常沒(méi)有人為引導(dǎo)，故需要較高的定位精度和穩(wěn)定的自主導(dǎo)航能力。機(jī)器人的工作環(huán)境大多處于封閉昏暗，遮擋較多，無(wú)法依靠單一的GPS技術(shù)或者RFID技術(shù)進(jìn)行精確定位和自主導(dǎo)航，需要采用多傳感器融合技術(shù)。王消為[19]提出一種雙目視覺(jué)與激光雷達(dá)信息融合的組合導(dǎo)航方法，充分利用來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)信息提供的冗余信息，以提高移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境特征定位的精確性和特征識(shí)別的可靠性，建立包含世界坐標(biāo)系的路標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，并獲得全局環(huán)境下的特征地圖進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航。馮劉中[20]基于信息融合理論和機(jī)器人導(dǎo)航定位基本原理，將地圖構(gòu)建與地圖匹配作為導(dǎo)航定位信息融合的一部分,將環(huán)境特征提取作為局部絕對(duì)定位的一種信息來(lái)源，融入到多傳感器融合算法中，為基于多傳感器信息融合的導(dǎo)航定位提供了一種新的方法和途徑。

3.3 檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)技術(shù)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其功能的核心。火電廠機(jī)器人主要的檢測(cè)需求包括儀表表盤示數(shù)讀取、開(kāi)關(guān)狀態(tài)識(shí)別、氣液泄漏辨別和管壁檢測(cè)等。儀表表盤數(shù)據(jù)包括對(duì)指針型[21]、刻度型和和電子示數(shù)型等儀表的讀數(shù)，利用圖像識(shí)別和深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行讀取，需要注意消除光線干擾和指針抖動(dòng)的影響，保證讀數(shù)準(zhǔn)確。開(kāi)關(guān)狀態(tài)識(shí)別類型根據(jù)開(kāi)關(guān)種類可以分為顏色辨別、旋鈕角度識(shí)別和開(kāi)關(guān)上下位置識(shí)別。由于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的開(kāi)關(guān)分布密集、數(shù)量眾多，標(biāo)識(shí)編號(hào)相似，在開(kāi)關(guān)的狀態(tài)識(shí)別之前首先要保證開(kāi)關(guān)位置和標(biāo)識(shí)準(zhǔn)確識(shí)別[22]。氣體泄漏檢測(cè)可以利用氣體檢測(cè)裝置，如用金屬氧化物傳感器檢測(cè)氫氣泄漏[23]和紅外成像技術(shù)等進(jìn)行檢測(cè)[24]。液體泄漏可以分為滲漏、滴漏和線漏等，滴漏和線漏等較明顯的泄漏可以采用可重復(fù)利用的液體傳感器進(jìn)行檢測(cè)[9]，但是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)滴漏甚至線漏現(xiàn)象時(shí)，設(shè)備的安全性已經(jīng)大大降低。滲漏表現(xiàn)不明顯，滲漏檢測(cè)是防患于未然的關(guān)鍵，目前還沒(méi)有有效簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法，應(yīng)當(dāng)是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。鍋爐爐膛管壁檢測(cè)可以采用超聲波和渦流等技術(shù)，對(duì)管壁進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)[25]。超聲波檢測(cè)的應(yīng)用范圍廣，包括管材、焊接縫和復(fù)合材料等，適宜檢驗(yàn)厚度較大的工件，容易受探頭掃查區(qū)域的平整度和粗糙度影響，需要在表面涂抹耦合劑才能獲得更精確的檢測(cè)精度，無(wú)法對(duì)嚴(yán)重腐蝕的表面進(jìn)行檢測(cè)，利用超聲成像技術(shù)可以克服其缺陷顯示不直觀、難以判斷的缺點(diǎn)[26]。渦流檢測(cè)是根據(jù)導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的變化來(lái)判斷導(dǎo)體狀態(tài)和性質(zhì)，檢測(cè)范圍大，采用多通道的探頭可以縮短檢測(cè)時(shí)間[27]。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流對(duì)管道的周向裂紋具有很好的檢測(cè)能力，軸向裂紋檢測(cè)能力一般[28]，通過(guò)采用馬鞍形的外置式探頭可以顯著提高鍋爐爐管檢測(cè)覆蓋率和效率[8]。

3.4 多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺(tái)

隨著機(jī)器人技術(shù)在火電廠的深層應(yīng)用，會(huì)有更多的功能類型的機(jī)器人參與到火電廠的各項(xiàng)工作中，多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)不僅能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也能高效整合已有資源，充分發(fā)揮各類機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，降低開(kāi)發(fā)成本，縮短從研發(fā)到應(yīng)用的時(shí)間。為了確保各個(gè)機(jī)器人之間能夠準(zhǔn)確有序地完成各自分工，需要建立一個(gè)統(tǒng)一的多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺(tái)。將所有機(jī)器人用一個(gè)統(tǒng)計(jì)的平臺(tái)進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)交互，使參與到同一任務(wù)的機(jī)器人采用完全集中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，即由一個(gè)集中的規(guī)劃器來(lái)規(guī)劃所有機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)[29]，使它們之間的運(yùn)動(dòng)不會(huì)相互干擾。張?zhí)豙30]從無(wú)人機(jī)自身位姿估計(jì)、稠密制圖、基于地面機(jī)器人領(lǐng)航的協(xié)同控制和旋翼機(jī)與地面機(jī)器人間的數(shù)據(jù)通信這4個(gè)方面，對(duì)輕小型旋翼無(wú)人機(jī)與地面機(jī)器人（UGV）在無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)條件下的自主協(xié)同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，取得良好的實(shí)驗(yàn)效果。同時(shí)，建立多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺(tái)可以整合來(lái)自各個(gè)機(jī)器人的檢測(cè)數(shù)據(jù)、自身的運(yùn)行狀態(tài)，方便對(duì)各個(gè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。統(tǒng)一的管理平臺(tái)需要建立規(guī)范的數(shù)據(jù)接口體系并保障機(jī)器人與平臺(tái)、機(jī)器人與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)通信暢通高效，確保來(lái)自不同制造廠商的機(jī)器人、不同類型的檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)能夠被準(zhǔn)確識(shí)別、接收和傳達(dá)。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行介紹，對(duì)國(guó)內(nèi)火電廠機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并對(duì)火電站機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)從移動(dòng)平臺(tái)、自主導(dǎo)航、檢測(cè)技術(shù)和多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺(tái)4個(gè)方面進(jìn)行梳理分析。機(jī)器人已經(jīng)在火電廠的智能巡點(diǎn)檢，機(jī)、爐、電、輔、環(huán)關(guān)鍵主輔機(jī)設(shè)備重要部件的劣化評(píng)估、預(yù)測(cè)性維護(hù)等方面得到應(yīng)用，并獲得良好的效果，未來(lái)它在電廠將有更多的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境感知及檢測(cè)技術(shù)會(huì)有更高的要求，要充分掌握功能需求和應(yīng)用環(huán)境，選擇合適的移動(dòng)平臺(tái)和儀器儀表傳感器技術(shù)，可以在原有的機(jī)器人上擴(kuò)展新的功能，采用多機(jī)器人協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用需求。