電纜隧道運(yùn)行中巡檢機(jī)器人的有效運(yùn)用

寶鋼湛江鋼鐵有限公司 張景忠

目前我國(guó)電纜隧道中出現(xiàn)最多的故障就是電纜老化、滲水、電纜自燃以及線纜老化腐蝕破損等問(wèn)題，由于隧道環(huán)境特殊，在傳統(tǒng)的隧道巡檢過(guò)程中不僅工作難度大、人工巡檢成本高，且極易因人工失誤而出現(xiàn)安全隱患。隨著電纜隧道機(jī)器人巡檢的運(yùn)用，能用極短的時(shí)間確定出現(xiàn)故障的位置，并及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，不但能降低電纜火災(zāi)的發(fā)生，還能保證電能的正常輸出，避免相關(guān)操作人員受到一定的傷害。此外，在電纜隧道運(yùn)行中運(yùn)用機(jī)器人開(kāi)展巡檢工作還能使輸電安全檢測(cè)的自動(dòng)化進(jìn)程得到有效提升。

1 巡檢機(jī)器人現(xiàn)狀概述

1.1 巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代坦福研究所首先開(kāi)發(fā)出了一種能夠自動(dòng)移動(dòng)的機(jī)器人。而隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，電巡檢機(jī)器人也隨之應(yīng)運(yùn)而生。這種機(jī)器人可通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行控制，工作空間不到1米，而工作深度卻能夠達(dá)到200米以上。隧道巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)使隧道的檢查工作流程變得更為簡(jiǎn)單，大大提高了隧道巡檢的效率。隧道巡檢機(jī)器人將超聲波傳感、攝像機(jī)等多種方式結(jié)合起來(lái)在隧道內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。在我國(guó)對(duì)于電纜隧道巡檢機(jī)器人的研究相對(duì)起步比較晚，主要是將改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)器人作為主要研究方向，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，或是擴(kuò)展其承載的功能。

軌道巡檢機(jī)器人可借助自身攜帶的熱紅外成像儀及高清攝像頭等對(duì)隧道內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，幫助用戶了解隧道內(nèi)有害氣體、光照度、煙霧等具體數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)控云平臺(tái)控制軌道巡檢機(jī)器人，并借助監(jiān)控平臺(tái)來(lái)控制機(jī)器人，包括數(shù)據(jù)接入、統(tǒng)計(jì)、GUS 定位、儲(chǔ)存及立體展示等。系統(tǒng)還具有火災(zāi)報(bào)警的能力，滅火機(jī)器人可在實(shí)際巡檢的過(guò)程中第一時(shí)間到達(dá)事故位置進(jìn)行火情處理。所以，電纜隧道環(huán)境下使用軌道巡檢機(jī)器人要明顯優(yōu)于其它類型機(jī)器人，更有利于保護(hù)隧道電纜。

1.2 我國(guó)電纜隧道巡檢的現(xiàn)狀

隨著電力的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)度的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的電廠、城市自己工礦相關(guān)企業(yè)都開(kāi)始通過(guò)地下電纜隧道的方式來(lái)滿足日常的供電需求。這不僅減輕了地面電纜的鋪設(shè)，同時(shí)也緩解了道路交通中鋪設(shè)電纜的隱患。另一方面，采取隧道電纜鋪設(shè)方式還增加了電纜使用壽命，同時(shí)使電能在傳輸過(guò)程中可能發(fā)生的電氣事故隱患也明顯降低。然而通過(guò)地下隧道的方式鋪設(shè)電纜同樣也增加了電纜巡檢的難度，由于目前對(duì)現(xiàn)有電纜隧道的管理不完善，導(dǎo)致大部分的電纜隧道存在一定的火災(zāi)和有毒氣體等安全隱患。檢測(cè)人員若在日常巡檢過(guò)程中未按照相關(guān)規(guī)定佩戴好相應(yīng)的防毒、高溫等設(shè)備，則極易受到煙氣、高溫自燃有害氣體的影響而對(duì)生命造成威脅。

2 電纜隧道巡檢機(jī)器人相關(guān)技術(shù)分析

隧道巡檢機(jī)器人在整個(gè)電纜隧道巡檢工作中具有非常重要的作用。目前較為常用的巡檢機(jī)器人包括履帶機(jī)器人、輪式機(jī)器人、多足機(jī)器人及軌道機(jī)器人等。機(jī)器人的形式不同其所展現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)也不相同。輪式機(jī)器人相比運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，但具有靈活的轉(zhuǎn)向功能，機(jī)動(dòng)性極高，通常適用于經(jīng)常移動(dòng)的場(chǎng)所，如交通隧道的維護(hù)和檢修等情況[1]；履帶式的機(jī)器人更能適應(yīng)比較復(fù)雜的地面狀況，越障能力相對(duì)較強(qiáng)，其性能明顯要比輪式機(jī)器人更為優(yōu)越；導(dǎo)軌機(jī)器人在開(kāi)展巡檢工作時(shí)主要是沿著事先制定好的路線行走，一般情況下會(huì)繞道直達(dá)目的地。而電纜隧道的主要特點(diǎn)就是空間較小，機(jī)器人在接近處在地面上的電纜時(shí)，由于空間不足常會(huì)直接翻過(guò)障礙物，但這種行為會(huì)對(duì)電纜自身的穩(wěn)定性帶來(lái)一定的影響，因此，使用路徑較為穩(wěn)定導(dǎo)軌機(jī)器人能有效避免對(duì)電纜帶來(lái)的傷害。

巡檢機(jī)器人主要是針對(duì)電纜隧道的特殊環(huán)境，對(duì)出現(xiàn)的電纜老化、滲水、腐蝕以破損等情況進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并發(fā)送警報(bào)。通過(guò)軌道巡檢機(jī)器人不但能夠降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能夠有效的提高巡檢工作效率，確保其電能輸出的可靠和穩(wěn)定性。目前巡檢機(jī)器人的主要技術(shù)包括以下幾點(diǎn)。

2.1 控制結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)相對(duì)較為靈活，主要是由數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程主機(jī)以及控制板組成，通常是采用鎂鋁合金制作而成，重量基本在10kg 以內(nèi)，封閉的外殼設(shè)計(jì)能能夠有效的保證機(jī)器人的涉水與防水能力。巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程主機(jī)能夠提供實(shí)時(shí)交互界面，將機(jī)器人采集的所有數(shù)據(jù)信息顯示出來(lái)，同時(shí)用戶端還可通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。機(jī)器人的主控制板中包含了其運(yùn)行的各種器件，例如處理器需要完成對(duì)巡檢電機(jī)以及導(dǎo)航的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎匾蝿?wù)，數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)則需要集成煙霧、有害氣體、溫濕度、光照度等傳感器和定位裝置，借助無(wú)線通信對(duì)所獲得的信息進(jìn)行處理，并及時(shí)將處理結(jié)果反饋給主控制板[2]。

2.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人在設(shè)計(jì)理念上主要是選用的輕量化的方式，在制作上采用密度小、性能好的材料，以此來(lái)降低工作的重心，同時(shí)用復(fù)合越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式與之配合，使得機(jī)器人整體不但操作簡(jiǎn)單，而且越障性能良好，搭配擺臂進(jìn)行支撐就能夠輕松的越過(guò)隧道中可能出現(xiàn)的障礙物，并能夠順著電纜線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可控云臺(tái)配備高清攝像頭和紅外熱成像儀器，能夠輕松的將電纜隧道內(nèi)的實(shí)際影像及時(shí)的傳遞出去，形成實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 定位系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人最主要的基本功能就是定位，通過(guò)自帶的導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)的位置進(jìn)行確定，能夠準(zhǔn)備的將電纜線路存在的故障點(diǎn)表示出來(lái)，在整個(gè)電纜隧道巡檢中具有非常重要的意義。現(xiàn)階段，巡檢機(jī)器人中較常用的定位系統(tǒng)包括主被動(dòng)標(biāo)識(shí)定位、有測(cè)程定位以及GPS 定位系統(tǒng)等。同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)航定位也可對(duì)巡檢機(jī)器人的運(yùn)行路線進(jìn)行合理的規(guī)劃。電纜隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，巡檢機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中需要跨越多種不同類型的障礙物，因此須借助導(dǎo)航與定位系統(tǒng)規(guī)劃出最為合理的行走路線，巡檢機(jī)器人自帶視覺(jué)傳感器，能通過(guò)電纜隧道內(nèi)部的環(huán)境信息來(lái)展開(kāi)定位工作，具有極強(qiáng)的分辨力，探索范圍也相對(duì)會(huì)更廣，定位也更為精準(zhǔn)，能幫助電纜隧道巡檢機(jī)器人制定出最為科學(xué)的行走路線[3]。

2.4 故障排查

電纜隧道巡檢機(jī)器人的故障排查系統(tǒng)更加智能化，主要包括紅外技術(shù)探測(cè)以及視覺(jué)檢測(cè)等內(nèi)容。例如，隧道內(nèi)的沒(méi)有溫度過(guò)高的電纜，但通過(guò)圖像分析識(shí)別發(fā)現(xiàn)大部分的電纜都處于工作狀態(tài)，且高于45°，如果保持這種情況超過(guò)24小時(shí)則軟件平臺(tái)會(huì)發(fā)出提示性預(yù)警。根據(jù)電纜隧道自身獨(dú)特的環(huán)境要求，對(duì)整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)出更為智能化的控制體系，確定后臺(tái)與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)信息互通，利用相應(yīng)的編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶端與巡檢機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)圖像傳輸和數(shù)據(jù)信息的接收等功能。

3 電纜隧道巡檢機(jī)器人的特點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 電纜隧道巡檢機(jī)器人的特點(diǎn)

由于電纜隧道的內(nèi)部環(huán)境比較復(fù)雜，因此在對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足其能夠有效克服環(huán)境障礙、系統(tǒng)可靠、遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)載體高以及檢測(cè)環(huán)境等方面的要求。根據(jù)電纜隧道任務(wù)的實(shí)際要求規(guī)劃，電纜的履帶設(shè)計(jì)具有極高的優(yōu)點(diǎn)：首先，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，工作效率也相對(duì)較高，能夠節(jié)省下來(lái)更多的勞動(dòng)力；其次，巡檢機(jī)器人的體積較小，結(jié)構(gòu)也相對(duì)較為簡(jiǎn)單，具有極強(qiáng)的可操作性，運(yùn)動(dòng)也更為靈活；最后，巡檢機(jī)器人具有極強(qiáng)的越障礙能力，能夠更好的開(kāi)展巡檢工作。

3.2 電纜隧道巡檢機(jī)器人的工作過(guò)程

電纜隧道通常在地下且分布較多。隧道內(nèi)部常會(huì)出現(xiàn)淤積、滲水以及積水等情況，這也在一定程度上加大了隧道敷設(shè)的難度。由于在隧道敷設(shè)的過(guò)程中，極有可能會(huì)有碎片顆粒不能及時(shí)清理干凈，嚴(yán)重的影響了巡檢機(jī)器人的正常工作[4]。由于隧道內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，巡檢機(jī)器人需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行工作。機(jī)器人在隧道中開(kāi)展工作時(shí)，不但要確保機(jī)器的靈活性，同時(shí)還要通過(guò)無(wú)限通信技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，在巡檢機(jī)器人正常工作時(shí)，需要保證其能量充足。

機(jī)器人自隧道的入口進(jìn)入，為了防止通信信號(hào)受到干擾，需要在隧道入口處安裝通信單元，操作人員可借助地面控制臺(tái)對(duì)機(jī)器的行走軌跡進(jìn)行控制，然后將其檢測(cè)到的聲音、溫度、有害氣體的濃度以及圖像等數(shù)據(jù)信息傳遞送給相關(guān)地面操作人員。在地下隧道運(yùn)行期間，機(jī)器人若遇到小石子或者積水、不平整等情況，可輕松的檢測(cè)出障礙的屬性，在繞道后繼續(xù)前行。

3.3 電纜隧道運(yùn)行中巡檢機(jī)器人的應(yīng)用

電纜隧道內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，通風(fēng)效果極差，而且線路一直處在運(yùn)行的狀態(tài)，很容易出現(xiàn)自然老化、腐蝕或者是受到一些生物的啃噬而出現(xiàn)火災(zāi)等情況，再加上隧道空間狹小，維修人員很難再第一時(shí)間進(jìn)入到隧道內(nèi)部開(kāi)展巡檢工作，所以一旦有火災(zāi)等險(xiǎn)情出現(xiàn)，火勢(shì)將會(huì)迅速蔓延形成難以控制的局面。若不能及時(shí)的進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)救援控制火情，將會(huì)導(dǎo)致停電等事故，同時(shí)也會(huì)為后續(xù)的恢復(fù)工作帶來(lái)一定的困難，會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的損失。

運(yùn)用電纜隧道巡檢機(jī)器人則可有效的避免這一情況的發(fā)生。能夠及時(shí)精準(zhǔn)的確定火災(zāi)發(fā)生的位置，并且其自帶干粉滅火裝置，當(dāng)所處溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電纜隧道巡檢機(jī)器人就會(huì)通過(guò)通信系統(tǒng)與地面取得聯(lián)系，接受地面遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的指定，然后執(zhí)行指令發(fā)射滅火干粉開(kāi)展救火行動(dòng)。與此同時(shí)還可對(duì)出現(xiàn)老化、腐蝕以及破損的電纜進(jìn)行及時(shí)的修復(fù)和定位，進(jìn)而提高電纜的壽命，降低電纜火災(zāi)事故的出現(xiàn)概率，極大程度的降低對(duì)電纜造成的損害[5]。

除此之外，為了保證電纜巡檢機(jī)器人能夠在較為復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定安全運(yùn)行，巡檢機(jī)器人的所有控制程序接收和發(fā)送的指令都是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)巡檢機(jī)器人內(nèi)部的無(wú)線網(wǎng)卡以及后臺(tái)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)摸網(wǎng)絡(luò)連接。而在控制系統(tǒng)相應(yīng)的要求上，則是借助編程軟件設(shè)計(jì)出服務(wù)器與用戶端之間的通信軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳播、實(shí)時(shí)采集等功能。

在電纜隧道巡檢機(jī)器人中，配備了具有極強(qiáng)的抗干擾能力、高帶寬、傳輸距離足夠遠(yuǎn)的相關(guān)通訊模塊。可實(shí)時(shí)的將電纜線路的圖像傳送到用戶端中。在隧道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)完成以后，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能性方面的測(cè)試。確定其具備一定的可靠性和合理性。通常會(huì)進(jìn)行翻越、爬坡、無(wú)線通訊等方面的測(cè)試分析，通過(guò)測(cè)試確保其能夠翻越設(shè)置的障礙物，成功爬坡，能夠明確控制臺(tái)下達(dá)的指令，可順利進(jìn)行電纜隧道巡檢工作，為電纜隧道巡檢提供保障。

圖1 電纜隧道巡檢機(jī)器人

4 結(jié)語(yǔ)

電纜隧道巡檢機(jī)器人在整個(gè)電纜隧道巡檢工作中發(fā)揮著非常重要的作用，多樣化的巡檢機(jī)器人能夠有效的精準(zhǔn)確定電纜出現(xiàn)故障的位置，提高巡檢的工作效率。隧道巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)作為自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，一直收到廣大研究人員的青睞。在科技迅速發(fā)展的時(shí)代，隧道巡檢機(jī)器人能夠搭載的設(shè)備、傳感器種類也會(huì)越來(lái)越多，相應(yīng)的電纜故障的診斷與排查效率也會(huì)隨之提高，精準(zhǔn)度也在不斷提升，自動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍也必然會(huì)越來(lái)越廣泛。