泵站行走式智能巡檢機器人研究與應用
——以北京市東水西調工程為例

趙 柘，周繼陽，李一帆，劉鵬宇*

（1.北京市南水北調團城湖管理處，北京；2.北京工業大學信息學部，北京；3.先進信息網絡北京實驗室，北京；4.北京工業大學計算智能與智能系統北京市重點實驗室，北京）

1 應用背景

北京市東水西調工程是為緩解京西水源危機而修建的供水工程，東起頤和園團城湖，西到門頭溝城子水，引水線路總長21 km，途經玉泉山、杏石口和麻峪三級泵站，揚水總高程60 余m，全年運行，是保證京西供水的重要工程。以其中杏石口泵站為例，泵站運行主要以人力為主，泵站運行值班人員每班次3人，共計12 人，每兩小時需要進行一次巡檢，一小時進行一次巡檢抄錄，總共巡檢6 場所，對巡檢指標27大項進行人工檢查，并對機組運行、電氣運行、水位流量等進行數據抄錄。當前人工巡檢的場景多、項目多、工作量大，大量的人工巡檢和人工記錄，依賴于運行人員經驗和責任心，人員成本較高，智能化程度較低，且部分巡檢場所存在安全隱患。

本研究通過在泵站架設智能行走式機器人，并定義和調整行走式機器人巡檢路線，實現智能行走式機器人在高壓室、低壓室、自動化室、變頻室內自由巡檢；結合熱成像、可見光攝像頭與溫度、噪聲、嗅覺傳感器，實現對斷路器機柜、變壓器等設備參數智能采集，從而代替人工巡檢、人工抄錄，實現24 h 自動巡檢、故障及時反饋，達到減少人員投入、保證人員安全的建設目標。

2 行走式智能巡檢機器人系統設計研究

2.1 系統架構

泵站行走式智能巡檢機器人系統主要由輪式巡檢機器人、無線通訊系統、運維管理平臺、客戶端等部分組成，系統架構如圖1 所示。

圖1 系統架構

由機器人本體進行現場數據采集處理，通過WIFI將信息上傳到運維管理云平臺，工作人員通過客戶端進行查看，同時工作人員也可以通過客戶端給機器人發送巡檢任務。

2.2 行走式智能巡檢機器人

本研究所采用行走式智能巡檢機器人如圖2 所示。

圖2 行走式智能巡檢機器人示意

泵站室內巡檢點位多、巡檢點位分散、巡檢場景較為復雜，適合使用行走式智能巡檢機器人。機器人采用激光雷達+視覺+IMU 融合的SLAM 方案，能夠適應復雜環境[1]。前進過程中使用激光雷達、攝像頭、避障雷達等傳感設備偵測前進道路上的障礙物，自動避開，實現后退、前左轉彎、前右轉彎等避障控制功能，能夠避免對于行人、設備等的碰撞。

機器人本體搭載熱成像儀和可見光高清雙目云臺、4 級全自動升降桿、氣體傳感器、溫濕度傳感器、拾音器等傳感系統，支持自動巡檢、遠程遙控功能等多種模式，代替人工完成廠區室內日常巡視、紅外測溫、氣體泄漏檢測及設備運行狀態的檢測診斷，實現巡檢點位全覆蓋巡視。

3 行走式智能巡檢機器人主要功能

3.1 巡檢功能

巡檢機器人最主要的功能，就是對泵站進行智能巡檢，本研究機器人支持自動巡檢、遠程遙控巡檢等多種巡檢模式，具有高度自動化和智能化的特征，從而代替人工巡檢，如圖3 所示。

圖3 機器人巡檢功能示意

機器人的機身搭載熱成像儀、可見光高清雙目云臺、氣體傳感器、溫濕度傳感器等多種檢測設備，按照既定的自動巡檢路線可以完成對機組設備的可見光拍照、紅外測溫及環境監測等巡檢活動，并將巡檢數據自動傳輸到后臺管理系統保存，生成巡檢報告[2]。

智能巡檢機器人除自動巡檢外，還可以通過人工遙控的方式對機器人進行實時遙控巡檢。該模式應用于工作人員需要對某機組設備的狀態進行鎖定與監測，可以使用管理后臺的人工遙控界面或是遙控手柄，操控機器人快速到達異常設備位置，及時對異常設備進行查看并核實報警信息，以便迅速制定響應策略。

3.2 機器視覺識別功能

機器人攜帶視頻監控攝像頭，通過攝像頭采集圖像代替人工現場監測[3]。機器人可以現場拍攝電壓表、電流表、柜體開關位置、變壓器溫控器顯示以及指示燈等設備運行圖像，完成對室內環境的實時監測。

除視頻監控攝像頭外，泵站智能巡檢機器人還配備了紅外熱成像儀，紅外熱像儀是一種非接觸式的監控測量溫度方式，不受可見光影響。通過紅外熱成像儀，機器人可以在視野中對可見設備的溫度執行紅外掃描，形成紅外熱圖，并從紅外熱圖中提取設備的溫度信息記錄溫度數據[4]。

3.3 傳感器數據采集功能

機器人搭載氣體傳感器和環境監測儀，氣體傳感器可對室內環境中的氧氣、硫化氫、氨氣、一氧化碳、氫氣、氯氣等多種氣體進行實時監測；通過搭載的環境監測儀，機器人可以對泵站室內環境溫、濕度進行監測，并將監測數據回傳到后臺系統進行閾值比對。

3.4 數據統計功能

機器人將所采集數據回傳到后臺系統進行統計，通過巡檢點位查詢可以顯示在巡檢任務過程中各巡檢點巡檢數據信息，包括可見光圖像數據、熱紅外圖像數據、傳感器數據顯示、歷史數據顯示、歷史曲線顯示、報表輸出等。

本研究機器人在執行完每日巡檢任務之后都會自動生成報表，并在客戶端支持巡檢報表查詢、預覽、打印及導出功能[5]。報表可匯總巡檢任務完成后自動生成的巡檢數據，支持按日期查詢巡檢任務，選中某個巡檢任務，即可查看巡檢報表。

4 行走式智能巡檢機器人在泵站中的應用

4.1 日常巡檢

本研究通過泵站行走式智能巡檢機器人實現實際泵站日常巡檢需求。泵站行走式智能巡檢機器人集圖像采集、傳感器數據采集于一體，完成日常巡檢中高壓室、低壓室、變頻器室、自動化室的設備監控、環境監測；實時向控制中心傳輸巡檢數據；接收控制中心發出的巡檢指令，并判斷優先級。泵站行走式智能巡檢機器人除能夠實現數據實時傳輸、獲取外，可以自由在杏石口泵站高壓室、低壓室等場所內行走，巡檢路線可以進行人工定義和調整。泵站行走式機器人具有設計簡單、維護方便、操作靈活等特點，能夠滿足巡檢數據采集、數據存儲、數據傳輸等要求，從而代替杏石口人工巡檢，實現24 h巡檢，減少泵站人員投入、保證人員安全，具體代替人工巡檢項見表1。

表1 巡檢機器人代替人工項

4.2 孿生場景聯動

通過3D 仿真制圖技術和標準件數據庫，建立1:1 虛擬機房，構建泵站全場景孿生模型，并通過現場機房設備固裝傳感器、攝像頭和機器人移動巡檢數據接入，可以實現孿生模型的ID 標簽和實時環境狀態顯示，從而幫助后端信息部門工作人員、維護人員等其他人員可視化對機房內設備和機器人信息及運行情況的實時掌握和數據共享，完成有效配置管理，以及利用3D 的形式對設備信息及運行情況進行展示。

結束語

泵站行走式智能巡檢機器人通過利用熱成像儀、可見光高清雙目云臺、氣體傳感器、溫濕度傳感器等多種檢測設備進行巡檢項目的數據采集，完成泵站的日常巡檢、數據統計，從而代替傳統的人工巡檢、人工抄錄，極大提升泵站巡檢的效率，保證人員巡檢的安全。