淺談巡檢機(jī)器人在環(huán)境治理領(lǐng)域的探索應(yīng)用

薛 蔚 張昊晨

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

1 項目概況

本項目為某環(huán)境治理公司土壤修復(fù)工廠，位于上海市寶山區(qū)，項目地塊原為某公司皮革生產(chǎn)車間，占地面積約70 000 m2。

地塊東部區(qū)域已于2017年底改建用于重金屬和有機(jī)污染土壤的異位修復(fù)，目前留有1個密閉修復(fù)大棚、1個土壤異位淋洗區(qū)域、露天土壤堆場以及1個臨時辦公樓；地塊西部車間區(qū)域也在2019年完成撤場搬遷，目前留有4個占地面積分別為8 000、11 000、3 600、600 m2的工廠車間。

2 修復(fù)技術(shù)介紹

本著經(jīng)濟(jì)高效，充分利用現(xiàn)有資源，避免大規(guī)模建設(shè)，著重于修復(fù)裝備的能力建設(shè)，突出經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性和長久性的規(guī)劃和設(shè)計原則，修復(fù)工廠項目將充分利用地塊現(xiàn)狀保留的設(shè)備設(shè)施，通過重新規(guī)劃與設(shè)計，形成涵蓋土壤淋洗、化學(xué)氧化、熱脫附、生物處理、氣相抽提等多種修復(fù)工藝，能夠規(guī)模處理各類重金屬污染、有機(jī)污染，以及重金屬與有機(jī)復(fù)合污染土壤的區(qū)域大型綜合性修復(fù)工廠。

根據(jù)初步設(shè)計方案，修復(fù)工廠主要包括土壤修復(fù)工藝功能區(qū)塊，同時配套有中央控制室、廢水處理站、綜合實驗室、土壤暫存堆場等公用設(shè)施。修復(fù)工廠將設(shè)置東、西2個大門，污染土壤通過土方車運(yùn)輸至修復(fù)工廠相應(yīng)的污染土壤暫存區(qū)域或直接進(jìn)入相應(yīng)的修復(fù)工藝功能區(qū)塊。

揮發(fā)性有機(jī)污染土壤優(yōu)先在⑨號車間內(nèi)南部區(qū)域暫存，其他污染土壤的暫存區(qū)域包括⑨號車間東側(cè)和④號堆場南側(cè)土壤堆場。

中低濃度有機(jī)污染土壤主要通過分別位于⑦號車間和①號大棚內(nèi)部的2個異位加藥攪拌工藝區(qū)塊進(jìn)行修復(fù)。作為當(dāng)前土壤修復(fù)行業(yè)中最為成熟，也是應(yīng)用最為廣泛的處理工藝，異位加藥攪拌將是修復(fù)工廠所有修復(fù)工藝中的絕對主力，預(yù)計最大年處理量將達(dá)35萬 m3。

高濃度有機(jī)污染土壤主要通過2個回轉(zhuǎn)窯異位熱脫附工藝區(qū)塊進(jìn)行修復(fù)處理，⑦號車間內(nèi)部中東側(cè)和①號大棚內(nèi)部東側(cè)為其預(yù)處理區(qū)域，⑦號車間和①號大棚室外東南側(cè)緊鄰區(qū)域為設(shè)備區(qū)域與出土區(qū)域。回轉(zhuǎn)窯熱脫附作為高濃度有機(jī)污染土壤修復(fù)的終極武器，在修復(fù)工廠建成后的最大年處理量將達(dá)6萬 m3。

3 修復(fù)工廠環(huán)境特點(diǎn)及研究思路

環(huán)境治理行業(yè)一直以高毒性、高不確定性等危險作業(yè)環(huán)境為顯著特點(diǎn)。目前，該土壤修復(fù)工廠即將開工，作為異位處理基地，會同時進(jìn)行多項目處理，須考慮在此過程中解放勞動力，使更多的人在從事專業(yè)技術(shù)勞動的同時提高工作效率以及質(zhì)量。為此，打算在修復(fù)工廠中引入機(jī)器人，作為工廠大腦的存在，能統(tǒng)籌安排污染土壤處理過程，解放勞動力，進(jìn)一步踐行“無紙化、無人化”的工廠理念。

目前，智能感知認(rèn)知、多模態(tài)人機(jī)交互、云計算等智能化技術(shù)的不斷成熟，為智能機(jī)器人的演進(jìn)提供了堅實的發(fā)展基礎(chǔ)。本次研究及嘗試是數(shù)字化時代在土壤修復(fù)領(lǐng)域的再次突破。若能在企業(yè)內(nèi)成功普及，不僅將對整個修復(fù)工程行業(yè)起到示范性的帶頭作用，更是土壤修復(fù)項目施工管理領(lǐng)域的標(biāo)桿。

在現(xiàn)場日常巡檢工作中，執(zhí)行單位主要是通過人工方式對設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行大致的評估判斷，巡檢人員會近距離接觸有毒有害土壤及水體，這樣的方法普遍存在工作條件差、勞動強(qiáng)度大、工作效率低、檢測質(zhì)量低、手段單一等弊端。

為了保障人員安全、降低損失風(fēng)險、提高企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)效率，考慮使用巡檢機(jī)器人的方式。該機(jī)器人初步開發(fā)研究思路為：

1）機(jī)器人是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，涉及到機(jī)械設(shè)計、計算機(jī)、傳感器、自動控制、人機(jī)交互、仿生學(xué)等多個學(xué)科。通過解決機(jī)器人技術(shù)中的感知、定位和控制這3個重要問題，基于本土壤修復(fù)工廠的工作特點(diǎn)，研究開發(fā)一款相當(dāng)于工廠大腦的機(jī)器人。這個機(jī)器人具備采樣、分析、報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種功能。

2）具備AI識別功能，實時掌握工廠內(nèi)人員信息，動態(tài)識別廠內(nèi)人員違規(guī)（如未穿戴防護(hù)裝備等），對人員安全規(guī)范問題起到保障作用。

3）具備環(huán)境監(jiān)測功能，實時監(jiān)測工廠內(nèi)污染物含量，建立污染物三維云圖。當(dāng)污染物含量過高時，通過聲光電發(fā)出警報，并推送至智慧管控平臺。

3.1 機(jī)器人必須具備的3個重要系統(tǒng)

3.1.1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

軌道巡檢機(jī)器人采用軌道倒掛式伺服行走方式，并搭載有音視頻采集設(shè)備、紅外熱成像設(shè)備、氣體檢測傳感器等，實現(xiàn)了實時圖像監(jiān)視、紅外熱成像測溫、氣體濃度監(jiān)測、現(xiàn)場告警提示等功能。

3.1.2 無線通信系統(tǒng)

針對生產(chǎn)現(xiàn)場巡檢路徑長、防爆要求高的實際情況，采用無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)功能。目前無線組網(wǎng)傳輸技術(shù)成熟度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)音視頻信息、采集數(shù)據(jù)、控制指令的高速傳遞。

3.1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

基于無線通信方案，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的布設(shè)具有較高自由度。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包含基礎(chǔ)硬件平臺和定制化開發(fā)的功能軟件，其中軟件部分需要在與用戶深度溝通需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制化開發(fā)。

基于以上3個重要系統(tǒng)，并通過在巡檢機(jī)器人上搭載運(yùn)動攝像頭、便攜式PID等環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，可實現(xiàn)與現(xiàn)有智慧管控平臺數(shù)據(jù)對接，回傳秒級各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，供業(yè)主方進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、對外展示等功能。

3.2 具體解決方案

基于現(xiàn)場對機(jī)器人的初步設(shè)想，并通過數(shù)次技術(shù)協(xié)調(diào)后，最終使用了TIRS-02通用型巡檢機(jī)器人解決方案。該款機(jī)器人由東庭自動技術(shù)自主設(shè)計研發(fā)，并擁有多項專利保護(hù)，是東庭新一代小型智能巡檢產(chǎn)品。秉持“小型化、工具化”的設(shè)計理念，在保持同類巡檢機(jī)器人功能的基礎(chǔ)上，體積更迷你、檢測更精準(zhǔn)、實施更便捷、操作更簡單，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外的智能化巡檢任務(wù)（圖1）。

圖1 TIRS-02通用型巡檢機(jī)器人

3.3 功能實現(xiàn)

3.3.1 自動定時巡檢

在廠房頂部鋪設(shè)環(huán)廠軌道，預(yù)先規(guī)劃好巡檢路線，基于TIRS-02本身搭載的高清防抖抓拍攝像頭，每天于8：00、12：00、16：00、20：00以及24：00進(jìn)行常規(guī)巡檢，巡檢過程中抓拍關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如高級氧化設(shè)備、熱脫附設(shè)備、淋洗設(shè)施等）的施工狀態(tài)，中央控制室的值班人員可全程觀察巡檢路徑上存在的安全隱患，并可將抓拍圖片回傳至智慧管控平臺留存（圖2）。

圖2 巡檢抓拍照片（①號大棚）

3.3.2 AI模塊識別危險源及違規(guī)行為預(yù)警

在TIRS-02的硬件基礎(chǔ)上，我們自主二次開發(fā)并給機(jī)器人加載了華為的AI模塊，以識別工廠內(nèi)部施工人員可能存在的違規(guī)和不合理情形（如未佩戴防護(hù)、未穿反光背心、人員危險姿態(tài)、人員入侵等）；若巡檢設(shè)備在巡檢時發(fā)現(xiàn)此類情況，其將暫停巡檢線路，停在原處抓拍并回傳至智慧管控平臺，同時通過自身的擴(kuò)音系統(tǒng)告知對象違規(guī)情況，巡檢機(jī)器人重復(fù)提醒數(shù)次后，繼續(xù)進(jìn)行原巡檢線路的工作；在這個過程中，中央控制室的工作人員可對突發(fā)情況及時處置，做到第一時間發(fā)現(xiàn)、第一時間處理、第一時間解決，做到可防可控。

3.3.3 PID模塊便攜采集實時數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)的環(huán)境修復(fù)施工現(xiàn)場的溫濕度、VOCs等數(shù)據(jù)采集都是以人工攜帶手持式PID設(shè)備進(jìn)入各類復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而環(huán)境治理領(lǐng)域的特殊性往往會導(dǎo)致現(xiàn)場有毒有害氣體嚴(yán)重超標(biāo)，巡檢人員即使穿戴了相應(yīng)的防護(hù)設(shè)施，也會給身體健康甚至生命安全帶來極大的安全隱患。

在有了巡檢機(jī)器人之后，我們可以將原手持式PID設(shè)備通過模塊搭載的方式整合到設(shè)備中去，以實現(xiàn)更安全的VOCs數(shù)據(jù)采集，并且可結(jié)合每日的常規(guī)巡檢進(jìn)行同步污染氣體數(shù)據(jù)采集，推送至智慧管控平臺后端，最終可生成監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總曲線（圖3）。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總曲線

3.3.4 對戶外巡檢的進(jìn)一步設(shè)想

以上初步方案是在本修復(fù)工廠內(nèi)用軌道式巡檢機(jī)器人實現(xiàn)3點(diǎn)主要功能（自動巡檢＋AI識別＋PID數(shù)據(jù)回傳）。而在未來的土壤修復(fù)領(lǐng)域，尤其對室外開闊區(qū)域的巡檢需求依然是個嚴(yán)峻的問題。對于很多技術(shù)人員不方便到達(dá)的地點(diǎn)，如復(fù)雜山地、深基坑（受污染）等需要其他手段進(jìn)行日常巡檢，如使用無人機(jī)、無人履帶車搭載各類數(shù)據(jù)采集模塊（攝像頭、360°云臺、GPS定位、多點(diǎn)紅外測溫、PID模塊、AI模塊等）進(jìn)行大范圍的室外日常巡檢，在合理區(qū)域設(shè)置換電裝置進(jìn)一步增加無人機(jī)或無人車的巡檢續(xù)航距離，甚至能夠進(jìn)一步做到快速土壤采樣、快速分析生成報表等，同時結(jié)合BIM＋GIS進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，可根據(jù)不同項目的不同需求進(jìn)行深度二次研發(fā)，進(jìn)行專屬化定制以適應(yīng)項目實際需要。

4 結(jié)語

目前來看，在國內(nèi)建筑施工領(lǐng)域，無人化巡檢依然是一片藍(lán)海，而土壤、地下水修復(fù)板塊由于其行業(yè)的特殊性，對現(xiàn)場安全的要求更高。相較于傳統(tǒng)的人工巡檢，無人化巡檢對人員現(xiàn)場依賴性較低，專業(yè)技術(shù)人員在中央控制室即可完成數(shù)據(jù)采集、巡檢干預(yù)、危險預(yù)警、數(shù)據(jù)分析等常規(guī)工作，對提高現(xiàn)場人員的巡檢效率、保證現(xiàn)場人員安全均起到了至關(guān)重要的作用。

結(jié)合“十四五”規(guī)劃和2035的遠(yuǎn)景目標(biāo)，建筑業(yè)這一傳統(tǒng)行業(yè)在信息化、無人化的探索中還有很長的路要走。相信隨著技術(shù)的更新迭代以及在越來越多現(xiàn)場的應(yīng)用，無人化巡檢必將在建筑業(yè)乃至環(huán)境治理領(lǐng)域生根發(fā)芽，遍地開花。