基于智能識(shí)別技術(shù)的智能巡檢機(jī)器人

山東廣域科技有限責(zé)任公司 張玲艷

近年來(lái)我國(guó)政府管理部門非常重視油田巡檢工作的實(shí)際情況，大力推廣自動(dòng)化操作模式，機(jī)器人技術(shù)及相應(yīng)的巡檢技術(shù)已逐漸應(yīng)用于油田巡檢環(huán)節(jié)中，機(jī)器人技術(shù)具備使用成本低、應(yīng)用效果高、安全性與可靠性較強(qiáng)等相關(guān)特性，相關(guān)技術(shù)操作人員逐漸研發(fā)諸多現(xiàn)代化、智能化的巡檢機(jī)器人以及工具、設(shè)備，正在彌補(bǔ)原有人工巡檢模式的不足之處。

智能機(jī)器巡檢設(shè)備以巡檢機(jī)器人為核心設(shè)備，配套使用視頻監(jiān)控、輔助控制、在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)，此類技術(shù)可通過(guò)自主操控或遙感操控等形式實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站室外設(shè)備的全方位控制，可及時(shí)捕捉相關(guān)信息，在廠站內(nèi)部實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋與監(jiān)管。智能巡檢機(jī)器人也可借助激光傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行合理掃描，充分發(fā)揮其定位功能。此類巡檢機(jī)器人在超聲波傳感器的幫助之下可快速定位相關(guān)障礙物，識(shí)別具體物品，及時(shí)躲避障礙物，避免損壞相關(guān)設(shè)備。機(jī)器人也具備自動(dòng)充電技術(shù)，不需要人為過(guò)多干預(yù)。

在智能巡檢機(jī)器人設(shè)備之中，可安裝移動(dòng)通通信技術(shù)保證相關(guān)數(shù)據(jù)以及圖像的穩(wěn)定傳輸，工作人員也可及時(shí)檢查具體的圖像以及電子數(shù)據(jù)。此外，一部分較為現(xiàn)代化的智能巡檢機(jī)器人采用輪式四驅(qū)底盤設(shè)計(jì)模式，可輕易爬坡，在移動(dòng)過(guò)程中自主采集相關(guān)圖像以及具體信息，可在極端惡劣環(huán)境下保證信息傳播的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。智能巡檢機(jī)器人具備圖像采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)然A(chǔ)性功能，也可提供具體的圖文信息，配備獨(dú)立的圖像檢索系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可保障重要數(shù)據(jù)及圖像在傳輸過(guò)程中不會(huì)遭受其他設(shè)備的干擾與影響。

1 設(shè)備檢測(cè)識(shí)別算法

在逐步建立背景模型的基礎(chǔ)之上，將實(shí)時(shí)幀序列圖教育背景模型相互對(duì)應(yīng)，對(duì)比像素灰度值，隨后確定二者間的具體差異，明確移動(dòng)區(qū)域與范圍，提取該區(qū)域內(nèi)部的某一具體目標(biāo)。

圖像預(yù)處理。該算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻幀序列的灰度轉(zhuǎn)換及噪聲去除等操作，及時(shí)剔除圖像之中的各種復(fù)雜信息，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；建立背景模型。應(yīng)用此類算法可對(duì)視頻幀的每一個(gè)像素背景進(jìn)行合理分析，隨后構(gòu)建具體的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型的實(shí)際清晰度將會(huì)影響到算法移動(dòng)目標(biāo)的提取效果。

前景圖像檢測(cè)。該算法執(zhí)行實(shí)時(shí)幀序列圖像和已建立的背景模型之間的差異操作。如在計(jì)算環(huán)節(jié)中存在像素差值，則需合理對(duì)比預(yù)設(shè)閾值，如像素差值大于預(yù)設(shè)閾值，同向之中的對(duì)應(yīng)位置像素將被標(biāo)記為前點(diǎn)，否則將被標(biāo)記為背景點(diǎn)。如將I(x,y,t)定義為視頻幀序列的時(shí)間t處的圖像，并將B(x,y,t)定義為時(shí)間t處的背景圖像，則時(shí)間t處的差分圖像為[3]：D(x,y,t)=|I(x,y,t)-B(x,y,t)|，對(duì)D(x,y,t)進(jìn)行閾值處理以獲得移動(dòng)目標(biāo)區(qū)域的二值圖像M(x,y,t)，其中T是一個(gè)給定的閾值。當(dāng)M的值為255時(shí)相應(yīng)的像素坐標(biāo)(x,y)為白色，表示前景像素；當(dāng)M為0時(shí)相應(yīng)的像素坐標(biāo)(x,y)為黑色，表示背景像素。

更新背景模型。該算法使用某種更新策略來(lái)更新背景模型，以確保背景模型可調(diào)整復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景變化；后處理。通過(guò)上述步驟獲得的移動(dòng)目標(biāo)的二進(jìn)制圖像可能不完整或具有一些干擾因素，且需進(jìn)一步處理。該算法填充孔，消除噪聲像素，保留具有較大連接區(qū)域的前景圖像，并合并相鄰的未連接前景區(qū)域。如應(yīng)用背景減法則，需對(duì)背景模型的建設(shè)提出更高要求，如背景建模效果較差則有可能會(huì)影響前景圖像清晰度，導(dǎo)致圖像逐漸模糊、無(wú)法正常使用。

如果假設(shè)視頻幀序列的每個(gè)像素值構(gòu)成隨機(jī)變量并服從時(shí)域t中的正態(tài)分布，則使用高斯函數(shù)來(lái)模擬每個(gè)像素。對(duì)于時(shí)間t，如果視頻幀序列中的點(diǎn)(x,y)的像素值是Xt,然后是視頻幀序列(X1,X2,…Xt)={I(x,y,i)}|1≤i≤t，其中I表示視頻幀序列，Xt發(fā)生的概率：P(Xi)=η(Xt,μt,∑t)=1/(2π|∑t|)1/2exp{-1/2(Xt-μt)T∑t-1(Xt-μt)}。

其中，μt和∑t分別代表時(shí)間t的正態(tài)分布的均值和方差，如果每個(gè)通道的方差相同，則建立的高斯背景圖像Bt和前景圖像判別公式如下：Bt=[μt,σt2]、|Xt-μt|＞Mσt，其中，M是預(yù)設(shè)常數(shù)，在某一時(shí)刻如X滿足|Xt-μt|＞Mσt，則它是前景像素、否則是背景像素。如果X被判斷為背景像素，則μt以及σt更新如下：μt+1=(1-ρ)μt+ρXt、σ2t+1=(1-ρ)σ2+ρ(Xt-μt)T(Xt-μt)，其中ρ是模板更新因子(0＜ρ＜1)，可調(diào)整模板更新率。

單個(gè)高斯模型具有一定的魯棒性，但當(dāng)模型不能由單個(gè)高斯模型表示時(shí)，該方法將具有更高的錯(cuò)誤檢測(cè)率。Sobel算子是一個(gè)離散差分算子，它作用于圖像上的一組點(diǎn)。Sobel算子的結(jié)果是相應(yīng)的梯度矢量或該矢量的范數(shù)（圖1）。

圖1 Sobel卷積因子

Sobel算子包含兩組393個(gè)矩陣，它們是水平和垂直的。使用矩陣和圖像的卷積，獲得水平和垂直圖像的水平和垂直圖像的灰度值。計(jì)算公式如下：

其中，A是原始圖像，Gx和Gy分別表示在兩個(gè)方向上進(jìn)行邊緣檢測(cè)后圖像的灰度值,“＊”代表卷積運(yùn)算，具體過(guò)程是：

其中，f(x,y)表示圖像(x,y)點(diǎn)的灰度值。對(duì)于圖像中的每個(gè)點(diǎn)，使用以下方法進(jìn)行組合，并使用所得的梯度近似值給出梯度的大小：平方根的近似值用于提高效率：G=|Gx+Gy|，如果點(diǎn)的漸變G大于某個(gè)閾值，則該點(diǎn)(x,y)可被視為邊緣點(diǎn)。然后可使用公式θ=arctan(Gy/Gx)來(lái)計(jì)算梯度方向，Sobel算子的應(yīng)用可獲得邊緣方向信息。局部平均方法的應(yīng)用使其受噪聲的影響較小。當(dāng)檢測(cè)邊緣時(shí)精度要求不是很高時(shí)這種方法更常用。

2 防爆式機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要分為三層體系架構(gòu)，分別為機(jī)器人子系統(tǒng)、本機(jī)監(jiān)控后臺(tái)及遠(yuǎn)程集控后臺(tái)，機(jī)器人子系統(tǒng)可對(duì)局域網(wǎng)及本體監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行合理分析與研究，實(shí)現(xiàn)具體數(shù)據(jù)以及圖像的交互，遠(yuǎn)程集控后臺(tái)系統(tǒng)可對(duì)其他子系統(tǒng)進(jìn)行合理控制，通過(guò)下派任務(wù)、調(diào)整監(jiān)控狀態(tài)等形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與全方位監(jiān)控。

機(jī)器人子系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)的全自主運(yùn)動(dòng)底盤搭配傳感設(shè)備，運(yùn)行于場(chǎng)站設(shè)備工作區(qū)域，接受任務(wù)指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行可見(jiàn)光、紅外及聲音的采集；本體監(jiān)控后臺(tái)部署于場(chǎng)站控制室，通過(guò)和機(jī)器人子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、單站巡檢任務(wù)派發(fā)、視頻存儲(chǔ)、圖像智能識(shí)別、紅外分析、數(shù)據(jù)報(bào)表分析、數(shù)據(jù)檢索及用戶交互。單站巡檢任務(wù)安排、遙控巡檢、數(shù)據(jù)分析/報(bào)表與設(shè)備查詢。

2.2 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人主體由輪式運(yùn)動(dòng)底盤、供電單元、導(dǎo)航單元、傳感單元等諸多部分組成。智能巡檢機(jī)器人迪倫時(shí)運(yùn)動(dòng)底盤具備極強(qiáng)承重能力及驅(qū)動(dòng)能力，可實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人的長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)；供電單元可為智能巡檢機(jī)器人提供源源不斷的電力資源，也可合理控制智能巡檢機(jī)器人零部件電壓、電流，是保障智能巡檢機(jī)器人正常運(yùn)行與工作的重要組成部分之一；導(dǎo)航單元主要是為智能巡檢機(jī)器人提供具體的定位導(dǎo)航，引導(dǎo)智能巡檢機(jī)器人依照規(guī)劃線路快速轉(zhuǎn)移者特定地點(diǎn)；傳感單元主要可幫助智能巡檢機(jī)器人快速讀取周圍環(huán)境信息，及時(shí)收集聲音等重要環(huán)境信息。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

智能機(jī)器人搭載可見(jiàn)光高清攝像機(jī)，可通過(guò)視頻遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)程控制功能實(shí)時(shí)拍攝傳輸現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖像，通過(guò)巡視人員觀察設(shè)備外觀是否異常，機(jī)器人在進(jìn)行設(shè)備巡檢時(shí)，收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過(guò)傳感單元傳輸?shù)窖矙z機(jī)器人本體，之后將圖像識(shí)別技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)比較相結(jié)合，分析設(shè)備檢驗(yàn)對(duì)象是否存在問(wèn)題。在油氣廠站的應(yīng)用中，可在三相分離區(qū)、油罐區(qū)、原油外輸設(shè)備設(shè)施裝置區(qū)部署三套智能機(jī)器人巡檢。

3.1 三相分離區(qū)智能機(jī)器人巡檢

三相分離區(qū)采用一臺(tái)輪式巡檢機(jī)器人，由于三相分離區(qū)管線較多，機(jī)器人在巡視過(guò)程中需修建鋼橋供機(jī)器人行走，這樣才可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視。三相分離區(qū)巡檢路線：1#分離-2#分離-3#分離-4#分離-進(jìn)口管-出口管-機(jī)庫(kù)；巡檢內(nèi)容：液壓、壓力、油氣水檢測(cè)，設(shè)備運(yùn)行噪聲對(duì)比檢測(cè)，本體、進(jìn)出口流程、閥件開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，消防器材狀態(tài)檢測(cè)，有害、可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)。

三相分離區(qū)巡檢方案：表計(jì)智能識(shí)別。機(jī)器人采用智能識(shí)別技術(shù)對(duì)三相分離器液位、壓力、油氣水等表計(jì)進(jìn)行拍攝，后臺(tái)準(zhǔn)確識(shí)別并比較，若發(fā)現(xiàn)異常，則報(bào)警；狀態(tài)檢測(cè)。機(jī)器人采用智能識(shí)別技術(shù)對(duì)閥門開(kāi)關(guān)進(jìn)行智能識(shí)別檢測(cè)，傳輸后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若閥門出現(xiàn)異常系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警；聲音檢測(cè)。要求采用信噪比高、靈敏度好的拾音器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲音采集，人工輔助進(jìn)行分析相關(guān)設(shè)備異常情況；可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)。機(jī)器人搭載了可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀（O2,CO,CH4），可實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w濃度。

3.2 油罐區(qū)智能機(jī)器人巡檢

針對(duì)油庫(kù)罐區(qū)，考慮到整個(gè)油庫(kù)的大小以及效率問(wèn)題，采用一臺(tái)智能巡檢車對(duì)7個(gè)罐區(qū)進(jìn)行巡檢，在巡檢時(shí)間上可能會(huì)達(dá)到2h以上。針對(duì)原油罐區(qū)，智能巡檢機(jī)器人可通過(guò)修建斜坡再進(jìn)入罐區(qū)內(nèi)部。之后可通過(guò)其強(qiáng)大的越野能力進(jìn)行巡視工作，部分區(qū)域需考慮翻越輸送管道進(jìn)行巡視工作進(jìn)行巡視，考慮修建翻越的鋼架橋才可完成覆蓋式巡檢。油罐區(qū)巡檢路線：1#儲(chǔ)油罐-2#儲(chǔ)油罐-3#儲(chǔ)油罐-6#儲(chǔ)油罐-5#儲(chǔ)油罐-4#儲(chǔ)油罐-管廊-機(jī)庫(kù)。巡檢內(nèi)容：浮標(biāo)液位檢測(cè)，高低位警報(bào)；管廊帶流程狀態(tài)檢測(cè)；本體、進(jìn)出口流程、閥件開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)；運(yùn)行噪聲對(duì)比檢測(cè)；有害、可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)。

油罐區(qū)巡檢方案：實(shí)時(shí)監(jiān)控。智能機(jī)器人搭載可見(jiàn)光高清攝像機(jī)，可通過(guò)視頻遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)程控制功能實(shí)時(shí)拍攝傳輸現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖像，通過(guò)巡視人員觀察設(shè)備外觀是否異常；紅外溫度檢測(cè)。智能巡檢機(jī)器人搭載紅外熱像儀，對(duì)需檢測(cè)溫度的罐體、罐頂?shù)仍O(shè)備進(jìn)行整體溫度掃描采集檢測(cè)，對(duì)設(shè)備溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備熱缺陷自動(dòng)報(bào)警；智能識(shí)別。智能機(jī)器人通過(guò)高清攝像頭對(duì)儀表、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行圖像拍攝，傳輸?shù)胶笈_(tái)分析比對(duì)，實(shí)現(xiàn)儀表讀數(shù)等檢測(cè)。

3.3 原油外輸區(qū)智能機(jī)器人巡檢

該區(qū)域內(nèi)有泵和進(jìn)出口管線，計(jì)劃采用一臺(tái)智能輪式機(jī)器人。原油外輸區(qū)巡檢路線：1#泵-1#泵-1#泵-流量計(jì)及閥-管廊-機(jī)庫(kù)。巡檢內(nèi)容：泵壓、干壓、電流、電壓、潤(rùn)滑油位、流量；泵房?jī)?nèi)流程、閥組狀態(tài)監(jiān)測(cè)；泵運(yùn)行平穩(wěn)狀態(tài)、進(jìn)出口流程、閥件開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；泵房運(yùn)行噪聲對(duì)比檢測(cè)；有害、可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)。

原油外輸區(qū)巡檢方案：電機(jī)水泵溫度檢測(cè)。采用機(jī)器人搭載的紅外熱成像儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)溫，采集完相關(guān)數(shù)據(jù)后，傳輸后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若溫度出現(xiàn)異常系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警；輸油泵聲音檢測(cè)。要求采用信噪比高、靈敏度好的拾音器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲音采集，人工輔助分析相關(guān)設(shè)備異常情況；泵進(jìn)出口管壓力表、電動(dòng)閥狀態(tài)檢測(cè)。機(jī)器人采用智能表計(jì)識(shí)別技術(shù)，達(dá)到關(guān)鍵設(shè)備儀表檢測(cè)全覆蓋的要求；可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)。機(jī)器人搭載了可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀（O2,CO,CH4），可實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w濃度。

智能巡檢機(jī)器人主要采用機(jī)器視覺(jué)算法，應(yīng)用SuroSearchMax技術(shù)，對(duì)特定圖像以及相關(guān)信息進(jìn)行靈活比對(duì)與分析，對(duì)相關(guān)儀表進(jìn)行數(shù)值判斷，合理收集不同類型的重要數(shù)據(jù)以及核心信息，對(duì)異常數(shù)據(jù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，數(shù)據(jù)誤差率小于5%。表計(jì)識(shí)別流程：標(biāo)準(zhǔn)圖像/現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖像-目標(biāo)匹配-目標(biāo)圖像粗定位-目標(biāo)圖像提取-圖像處理識(shí)別-數(shù)據(jù)讀取-數(shù)據(jù)判斷（如異常則報(bào)警）-數(shù)據(jù)正常。

綜上，研究現(xiàn)代化、智能化、全面化的機(jī)器人設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣廠站的全方位控制與監(jiān)督，逐步提升油氣廠站建設(shè)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性。