海水淡化制水車間四足機(jī)器狗智能巡視系統(tǒng)研究及應(yīng)用

國家能源集團(tuán)樂東發(fā)電有限公司 黃書益 白 彬 林師師 符伯凱 武漢華中思能科技有限公司 杜驍釋 夏 季

1 引言

智能巡檢機(jī)器人在電網(wǎng)輸變電領(lǐng)域已經(jīng)投運(yùn)多年，在變電站有著廣泛且成功的應(yīng)用，是無人值守變電站的必要巡檢手段[1]。目前，在發(fā)電行業(yè)，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用還處于起步階段，大部分電廠巡檢方式還是以人工巡檢為主，這種方式存在強(qiáng)度大、效率低、危險(xiǎn)性高、可靠性差等問題[2]。

由于變電站的環(huán)境相對較為簡單，基于激光SLAM技術(shù)的輪式移動巡檢機(jī)器人可以滿足現(xiàn)場巡檢定位導(dǎo)航的需求[3-4]。在設(shè)備缺陷感知識別方面，目前已經(jīng)有通過紅外熱成像和傳統(tǒng)圖像識別的技術(shù)方案[5]。然而相較于變電站而言，電廠環(huán)境有著多旋轉(zhuǎn)設(shè)備及多介質(zhì)生產(chǎn)場合，車間內(nèi)有管道、工業(yè)樓梯、臺階等復(fù)雜設(shè)施環(huán)境，這種場景對于巡檢機(jī)器人的運(yùn)動控制性能、激光SLAM導(dǎo)航性能，以及現(xiàn)場設(shè)備的多傳感感知缺陷識別能力都提出了更高要求。

本文研究了一種國產(chǎn)四足機(jī)器狗智能巡視系統(tǒng)，四足機(jī)器狗具有地形適應(yīng)性強(qiáng)、自由度高、行動靈活、可爬樓梯等特點(diǎn)，同時(shí)開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)算法的高精度化設(shè)備缺陷識別模型和智慧巡檢管理平臺，有效解決了電廠復(fù)雜環(huán)境下無人值守現(xiàn)狀。

2 基于四足機(jī)器狗的巡檢系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

四足機(jī)器狗巡檢系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，由四足巡檢機(jī)器狗及多傳感負(fù)載、機(jī)器狗自動充電站、手持遙控部署終端、機(jī)器狗服務(wù)端以及5G專網(wǎng)等部分構(gòu)成。

圖1 四足機(jī)器狗智能巡視系統(tǒng)

四足機(jī)器狗是系統(tǒng)的前端執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集單元，上面搭載著基于激光雷達(dá)、慣性測量單元、深度攝像頭等多傳感器融合的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在車間的無軌化自動導(dǎo)航行走。四足機(jī)器狗同時(shí)攜帶著豐富的巡檢感知設(shè)備，包括高清攝像頭、熱成像傳感器、拾音器等，能夠在海水淡化制水車間執(zhí)行多樣化的巡檢任務(wù)。

手持遙控部署終端用于控制四足機(jī)器狗在車間完成建立環(huán)境地圖、部署巡檢路線，以及記錄巡檢的設(shè)備位置信息等自動巡檢前的部署工作。四足機(jī)器狗自動充電站為四足機(jī)器狗提供充電續(xù)航服務(wù)，為實(shí)現(xiàn)7×24h無人值守巡檢打下基礎(chǔ)。四足巡檢機(jī)器狗服務(wù)端是無人值守平臺的后臺大腦，為整套系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供數(shù)據(jù)、算力和服務(wù)。整套四足機(jī)器狗智能巡視系統(tǒng)的通信服務(wù)由廠區(qū)5G專用網(wǎng)絡(luò)提供支持，機(jī)器狗搭載有5G通信設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)通過廠區(qū)5G專用網(wǎng)絡(luò)和后臺服務(wù)器之間傳輸高清音視頻數(shù)據(jù)和傳感感知數(shù)據(jù)。

3 四足機(jī)器狗端側(cè)軟件

3.1 建圖模塊

海水淡化制水車間包括多個房間，面積較大，需要一套精準(zhǔn)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，是支撐高效、準(zhǔn)確巡檢的基礎(chǔ)。四足機(jī)器狗裝載基于3D激光雷達(dá)的SLAM定位導(dǎo)航系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10萬m2的高精度地圖構(gòu)建和實(shí)時(shí)定位，并且主動探測閉環(huán)和修正地圖，保證巡檢的穩(wěn)定性。

激光SLAM框架一般分為前端掃描匹配、閉環(huán)檢測、后端優(yōu)化、點(diǎn)云地圖構(gòu)建四個關(guān)鍵模塊。掃描匹配是利用激光雷達(dá)、IMU以及編碼器等傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描匹配，利用相鄰幀之間的關(guān)系估計(jì)當(dāng)前幀的位置，并給出短時(shí)間內(nèi)的位姿和地圖。閉環(huán)檢測基于全局?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過識別是否到達(dá)歷史場景促使地圖閉環(huán)的能力，能夠校正累積誤差，從而產(chǎn)生全局一致性的映射地圖。后端優(yōu)化是將各幀雷達(dá)的位姿和幀間運(yùn)動約束綜合起來達(dá)到整體優(yōu)化的過程，從而消除局部累計(jì)誤差。地圖構(gòu)建模塊負(fù)責(zé)生成和維護(hù)全局地圖，通過在生成的點(diǎn)云地圖上進(jìn)一步處理，構(gòu)建能夠用于導(dǎo)航避障和路徑規(guī)劃的占據(jù)柵格地圖。

3.2 導(dǎo)航模塊

四足機(jī)器狗導(dǎo)航模塊主要功能是進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航，規(guī)劃一條從A點(diǎn)到B點(diǎn)的路徑出來，從而讓四足機(jī)器狗能自動行走。該模塊關(guān)鍵的兩部分是機(jī)器狗的定位和路徑規(guī)劃，其中路徑規(guī)劃模塊又包括全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃模塊是最上層的運(yùn)動規(guī)劃邏輯，按照機(jī)器狗預(yù)先記錄的環(huán)境地圖，并結(jié)合機(jī)器狗當(dāng)前位置以及任務(wù)目標(biāo)點(diǎn)的位置，在地圖上找到前往目標(biāo)點(diǎn)最快捷的路徑，機(jī)器狗到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，會將巡檢任務(wù)完成情況反饋給上層交互模塊。局部路徑規(guī)劃模塊：由于在實(shí)際環(huán)境中，機(jī)器狗導(dǎo)航行走過程可能會出現(xiàn)障礙物，無法完美按照全局路徑規(guī)劃行走。機(jī)器狗會基于算法搜索到達(dá)目標(biāo)的多條路徑，利用一些評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取最優(yōu)的路徑，并且計(jì)算所需要的實(shí)時(shí)速度和角度。

3.3 AI模型識別軟件

車間運(yùn)維人員需要對大量的設(shè)備進(jìn)行測溫、辨音、拍照和讀數(shù)。通過外接擴(kuò)展端口，四足巡檢機(jī)器狗搭載高清可見光攝像頭、紅外熱成像儀、拾音器等檢測設(shè)備，構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)算法的邊緣側(cè)智能感知系統(tǒng)，代替人工對燃煤電廠設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。本文實(shí)現(xiàn)主要識別算法包括煙火識別、漏水漏油識別、表計(jì)識別、開關(guān)狀態(tài)類識別等，其中目標(biāo)檢測算法采用YOLO系列目標(biāo)檢測模型算法，圖像分割采用DeeplabV3算法。

4 遠(yuǎn)程智能巡檢管理平臺

遠(yuǎn)程智能巡檢管理平臺前端基于WEB用戶交互界面呈現(xiàn)給電廠運(yùn)維人員，電廠運(yùn)維人員可以下達(dá)巡檢任務(wù)、遙操作機(jī)器狗，檢查歷史記錄生成巡檢報(bào)表，以及查看電子地圖及機(jī)器狗位置、巡檢攝像頭的視頻等操作。遠(yuǎn)程智能巡檢管理平臺界面如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程智能巡檢管理平臺界面

從功能模塊上劃分，遠(yuǎn)程智能巡檢管理平臺主要分為實(shí)時(shí)監(jiān)控、任務(wù)管理、巡檢結(jié)果、系統(tǒng)設(shè)置四個模塊功能，以下逐一介紹每個模塊的詳細(xì)功能。

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊自動巡檢功能用于實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)器狗巡檢任務(wù)執(zhí)行的整個過程，遙控操作功能可以對機(jī)器狗及云臺的運(yùn)動做相應(yīng)控制。當(dāng)有巡檢任務(wù)時(shí)，此頁面上會顯示當(dāng)前機(jī)器狗看到的巡檢畫面，分為可見光高清攝像頭畫面、機(jī)器狗本體攝像頭畫面、紅外熱像儀的畫面；地圖顯示機(jī)器狗的位置；實(shí)時(shí)滾動顯示檢測到的設(shè)備告警信息；實(shí)時(shí)刷新當(dāng)前巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)；可對任務(wù)進(jìn)行管理，點(diǎn)擊更換，可以在任務(wù)列表里選擇新的巡檢任務(wù)，還可對當(dāng)前任務(wù)進(jìn)行暫停/繼續(xù)、停止。

4.2 任務(wù)管理

首先，根據(jù)巡檢規(guī)則建立巡檢機(jī)器狗的巡檢點(diǎn)位庫，用戶可在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況自行添加或減少點(diǎn)位，通過巡檢點(diǎn)設(shè)備數(shù)的勾選及模糊查詢篩選功能，快速全面地確定巡檢點(diǎn)以及快速生成巡檢任務(wù)。運(yùn)維人員可以對任務(wù)列表里面的任務(wù)配置巡檢時(shí)間與巡檢頻次，生成計(jì)劃，可以查看巡檢機(jī)器狗的巡檢計(jì)劃詳細(xì)內(nèi)容，還可以對機(jī)器狗巡檢計(jì)劃內(nèi)容進(jìn)行修改，如修改巡檢開始執(zhí)行時(shí)間點(diǎn)、巡檢點(diǎn)位、巡檢次數(shù)、巡檢頻率、巡檢日期等；還可實(shí)時(shí)查看機(jī)器狗的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如機(jī)器狗目前查詢了哪些設(shè)備點(diǎn)，還有多少設(shè)備點(diǎn)需要查詢。

4.3 巡檢結(jié)果

四足機(jī)器狗所拍攝的畫面、測量的溫度、記錄的音頻等數(shù)據(jù)會傳輸至后臺，后臺利用圖形處理、音頻處理、溫度比對等技術(shù)分析是否有異常情況，并將處理結(jié)果反饋到用戶交互界面，提醒運(yùn)行人員處理異常；支持歷史數(shù)據(jù)的查詢和分析，基于歷史記錄的海量數(shù)據(jù)和AI人工智能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)可見光圖像、紅外圖像、聲音及表計(jì)讀數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等信息的存儲、診斷和查詢；支持缺陷跟蹤，對缺陷設(shè)備進(jìn)行自動跟蹤或定點(diǎn)監(jiān)視。支持結(jié)構(gòu)化的圖文巡檢報(bào)告輸出和打印，支持根據(jù)巡檢輪次、巡檢時(shí)間設(shè)定多種類型的報(bào)告模板。

4.4 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置模塊包括用戶管理、機(jī)器人管理、點(diǎn)位庫管理、告警管理。用戶管理可對登錄系統(tǒng)的賬號進(jìn)行增刪改查、管理用戶權(quán)限；機(jī)器人管理可以看到當(dāng)前機(jī)器人的各種狀態(tài)，還可設(shè)置云臺自動校準(zhǔn)、電量最高最低值等規(guī)則；巡檢點(diǎn)位配置包括典型巡檢點(diǎn)位庫維護(hù)、巡檢點(diǎn)位設(shè)置及檢修區(qū)域設(shè)置等功能。巡檢點(diǎn)位庫包含表計(jì)讀取、位置狀態(tài)識別、設(shè)備外觀查看、紅外測溫、聲音檢測等多類點(diǎn)位；按保存類型可分為紅外光圖片、可見光圖片、音視頻等三類；告警管理主要實(shí)現(xiàn)告警閾值設(shè)置、告警消息彈框設(shè)置等功能。

5 四足機(jī)器狗現(xiàn)場部署測試及應(yīng)用情況

四足巡檢機(jī)器狗智能巡視系統(tǒng)，選擇樂東電廠海水淡化制水車間為實(shí)施測試對象，車間共包括6大檢測區(qū)域，分別是海水淡化泵間、海水淡化車間、水島加藥間、生活水加藥間、鍋爐補(bǔ)給車間、鍋爐補(bǔ)給泵間。整個車間共有工業(yè)水泵70多個，過濾器20多個，藥箱10多個，其他裝置30個。

第一步，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實(shí)際情況，選取需要構(gòu)建地圖的車間范圍，基于3D激光雷達(dá)SLAM算法地圖構(gòu)建了海水淡化制水車間高精度環(huán)境地圖。定位導(dǎo)航地圖生成后，即可進(jìn)行定位導(dǎo)航性能測試。機(jī)器狗在巡檢過程中，需要具備能夠穩(wěn)定到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的能力。

第二步，根據(jù)各待檢測子區(qū)域中各設(shè)備特性和檢測要求，在設(shè)備周圍合適的位置設(shè)定檢測工位，保證圖像采集系統(tǒng)可以從較好的角度、充分利用周圍環(huán)境來獲取高質(zhì)量的設(shè)備圖像數(shù)據(jù)，并且確定對應(yīng)工位的檢測任務(wù)，避免出現(xiàn)檢測遺漏、保證檢測的質(zhì)量與完整性。每個檢測工位的檢測方案包括工位的定位、確定檢測對象、分析背景環(huán)境、檢測內(nèi)容以及檢測方法。

圖3 遙控機(jī)器狗部署巡檢點(diǎn)位

圖4 巡檢任務(wù)及計(jì)劃設(shè)置

第三步，設(shè)計(jì)巡檢任務(wù)和計(jì)劃，根據(jù)巡檢需求設(shè)計(jì)全面巡檢任務(wù)、常規(guī)巡檢以及特殊巡檢等類型，為每種巡檢任務(wù)配置相應(yīng)的待巡檢設(shè)備，最后基于電廠巡檢的實(shí)際需求，配置相應(yīng)的巡檢的計(jì)劃周期，如每日巡檢任務(wù)計(jì)劃和其他特殊重要的巡檢任務(wù)計(jì)劃。圖4為遠(yuǎn)程巡檢管理平臺設(shè)置巡檢任務(wù)和計(jì)劃的流程。

第四步，下發(fā)巡檢任務(wù)及計(jì)劃后，機(jī)器狗會按計(jì)劃執(zhí)行巡檢，進(jìn)行熱紅外成像測溫識別、表計(jì)識別和漏水漏油識別等多種巡檢識別任務(wù)。機(jī)器狗會將采集識別后的音頻、圖片、溫度等數(shù)據(jù)傳輸給后臺服務(wù)器以供巡檢運(yùn)維人員查看。同時(shí)，巡檢服務(wù)器后臺會自動分析數(shù)據(jù)是否合理正常，并根據(jù)異常缺陷的嚴(yán)重程度，通過聲光、彈窗、提示等多種不同的反饋方式自動告知值班運(yùn)維人員進(jìn)行處理。

6 結(jié)論

本文在火力發(fā)電廠的海水淡化制水車間區(qū)域首創(chuàng)采用四足機(jī)器狗智能巡視平臺，基于深度學(xué)習(xí)算法，研發(fā)了集紅外熱像、高清圖像和聲音多種方式于一體的綜合移動感知檢測系統(tǒng)，解決了類型多樣、檢測點(diǎn)位繁多且復(fù)雜多變的海水淡化制水車間設(shè)備檢測問題，實(shí)現(xiàn)了海水淡化制水車間區(qū)域海水處理、生活/鍋爐給水等設(shè)備7×24h無人智能化監(jiān)測分析，對無人值守平臺提高廠內(nèi)海水淡化制水車間區(qū)域設(shè)備設(shè)施檢修運(yùn)行人員的工作效率，同時(shí)降低因有害化學(xué)液體、氣體等不可控等因素導(dǎo)致的人員傷害，提升檢修人員工作效率，減員增效，切實(shí)將安全生產(chǎn)落在實(shí)處。