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核電站機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢******

徐文福，毛志剛

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳518055）

摘編自《機(jī)器人》2011年6期：758~767頁，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

1　引言

2011年3月日本福島核電站發(fā)生了特大核泄漏事故，等級為7級——國際上衡量核事故嚴(yán)重性的最高級別，與1986年4月發(fā)生的切爾諾貝利核事故同級，影響為“大量核污染泄漏到工廠以外，造成巨大健康和環(huán)境影響”。福島核危機(jī)持續(xù)牽動(dòng)著全世界的神經(jīng)，核電安全成為全球關(guān)注的焦點(diǎn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球438個(gè)核反應(yīng)堆中（截至2008年底），就有123個(gè)運(yùn)行時(shí)間超過30年、12個(gè)超過40年[1]。福島核事故的發(fā)生固然與地震災(zāi)害有直接關(guān)系，但設(shè)備的老化（福島核電站一號機(jī)組服役超過40年）也是重要原因.

我國核電的發(fā)展經(jīng)歷了“起步”、“適度發(fā)展”階段，戰(zhàn)略上已向“積極發(fā)展”轉(zhuǎn)變[2]。目前投入運(yùn)營的核電站共有13臺機(jī)組，這些投入運(yùn)營的核電站屬于改進(jìn)型二代核電站，與福島核電站（屬于二代）相比，雖然對嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解做了部分考慮，但與正在發(fā)展的第三代、第四代核電廠相比，在安全性方面仍然存在重大隱患[3]。其中，秦山核電站和大亞灣核電站，運(yùn)行時(shí)間均已超過17年，正值設(shè)備檢修、更換的頻繁期。

因此，必須對核電設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換老化、故障設(shè)備，并對廢棄核裝置進(jìn)行去污和拆卸等處理，以保證核電站正常、安全地運(yùn)行。這些作業(yè)需要在放射性環(huán)境下進(jìn)行，工作人員如果直接進(jìn)入核設(shè)施內(nèi)部對設(shè)備進(jìn)行維修、檢查等操作，無疑會受到大量的輻射，嚴(yán)重的可能造成人員傷亡事故；另外，需要監(jiān)測和維護(hù)的設(shè)備繁多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、場地狹窄，有些地方還是人不可到達(dá)的區(qū)域；而且，人工操作任務(wù)繁重，人為失誤可能引起更為嚴(yán)重的事故，如美國三哩島、前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故，就與操作員的判斷和操作失誤有關(guān)[4]。因此，采用機(jī)器人代替人進(jìn)入核電站開展日常監(jiān)測和維護(hù)工作，具有廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)今世界的熱門課題。本文對核電站機(jī)器人的重要進(jìn)展與應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，并對未來的研究前景進(jìn)行了展望。

2　核電站運(yùn)行原理與安全性級別分類

核電站是指利用核裂變或核聚變反應(yīng)所釋放的能量產(chǎn)生電能的發(fā)電廠。

日前使用中的大都是壓水反應(yīng)堆核電站，其工作原理為：用鈾制成的核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行裂變并釋放出大鼠熱能：高壓一下的循環(huán)冷卻水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)生成蒸汽，推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。壓水堆核電站山反應(yīng)堆回路（一回路）、汽輪機(jī)回路（二回路）和發(fā)電機(jī)回路3個(gè)基本部分組成。其中，反應(yīng)堆回路由核反應(yīng)堆、主循環(huán)泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器和相應(yīng)的管道、閥門及其他輔助設(shè)備組成，其作川是將反應(yīng)堆堆芯內(nèi)核裂變所釋放的大量熱能導(dǎo)出，傳給蒸汽發(fā)生器的二次側(cè)，使之產(chǎn)生飽和蒸汽送入常規(guī)島的汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。一回路系統(tǒng)的主要設(shè)備集中布置在一個(gè)立式圓柱狀半球形頂蓋或球形的建筑物——安全殼內(nèi)。

壓水堆核電廠系統(tǒng)的組成如圖1所示[3]。據(jù)分析，核電站的典型事故主要包括以下幾個(gè)方面：蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂、蒸汽管道破裂、反應(yīng)堆冷卻劑泵停運(yùn)、給水管道破裂、穩(wěn)壓器波紋管破裂等。根據(jù)事故發(fā)生后產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性，將核電廠內(nèi)部設(shè)施的安全性分為四級：核安全1級～核安全4級。其中，核安全1級設(shè)備指發(fā)生事故后產(chǎn)生后果最嚴(yán)重、對安全性要求最高的設(shè)備；核安全4級設(shè)備為一般性設(shè)備，發(fā)生故障后不會引起核事故的發(fā)生，因此也稱非核級。如圖1所示，反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器、主冷卻管道、反應(yīng)堆冷卻劑泵等屬于核安全1級，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)、余熱排除系統(tǒng)等為核安全2級。核安全1級、2級部件對核電站整體的安全性至關(guān)重要，是監(jiān)測和維護(hù)的重點(diǎn)。

3　核電站機(jī)器人研究現(xiàn)狀

伴隨著核電技術(shù)的高速發(fā)展，對核工業(yè)機(jī)器人的研究從未停止過，并己取得了很大進(jìn)展，其主要應(yīng)用包括[5-10]：1）關(guān)鍵核設(shè)施的維護(hù)、退役及放射性廢物處理，如對蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆容器等的檢查、安裝、維修，以及退役反應(yīng)堆的封存、掩埋或拆卸，放射性廢物處理等作業(yè)；2）核事故處理與救援，即利用輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人，攜帶操作設(shè)備，進(jìn)入事故現(xiàn)場，開展事故處理與救援相關(guān)工作；3）核電站安全性的全面監(jiān)測，即利用小型、智能、爬壁式機(jī)器人，攜帶多種先進(jìn)傳感器，對核電站內(nèi)的核輻射強(qiáng)度、氫氣濃度、煙霧濃度、關(guān)鍵設(shè)備及管道的破損情況等進(jìn)行監(jiān)測，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

下面分別對這3種典型應(yīng)用的核工業(yè)機(jī)器人展開綜述。

3.1 關(guān)鍵核設(shè)施維護(hù)機(jī)器人

對關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行維護(hù)，是核工業(yè)機(jī)器人最早的應(yīng)用目標(biāo)。早在20世紀(jì)80年代，美國、日本、法國、德國等國就開展了核設(shè)施維護(hù)機(jī)器人的研究，并開發(fā)了一系列產(chǎn)品。美國Odetics Incorporated公司研制的Odex序列機(jī)器人[12]，為六足移動(dòng)機(jī)器人，可在平面上自由移動(dòng)，利用安裝在其上的小型機(jī)械手，執(zhí)行維修操作；西屋公司（Westinghouse Electric）研制了Pegasys（如圖2所示）及ROSA（remotely operated service arm）機(jī)器人，用于核電站蒸汽發(fā)生器的檢修，可進(jìn)行小尺寸的補(bǔ)漏，并對補(bǔ)漏效果進(jìn)行測試閣，此外，西屋公司還提供用于污染物清除的機(jī)器人FlangeBot。在日本，早稻田大學(xué)于1977年開發(fā)了第一臺用于核電站巡檢的雙足機(jī)器人樣機(jī)，可完成閥門的檢查和開關(guān)、放射性污水處理等操[13]。Sugiyama等研制了核設(shè)備維護(hù)和檢測的雙臂機(jī)器人，通過遠(yuǎn)程操控可操作質(zhì)量達(dá)10 kg的部件[14]。Takeo等人為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃ITER研制了毯式艙替換機(jī)器人[15]。法國研制了用于核反應(yīng)堆檢修的機(jī)器人MA23-SD[13]。和用于蒸汽發(fā)生器檢修的機(jī)器人ROGER[16]，并且在遙操作方面取得了很大進(jìn)展，可開展對核廢料進(jìn)行處理的力反饋遙操作[17]。德國Hans Walischmille公司開發(fā)了用于蒸汽發(fā)生器檢查的遙控機(jī)器人Telbot，該機(jī)器人已用于對加拿大和日本的核電站進(jìn)行檢修[18]。

近年來，韓國和印度的核機(jī)器人也取得了極大進(jìn)步，分別研制了噴嘴蓋安裝與移除機(jī)器人（如圖3所示）[19]和核廢料處理機(jī)器人[20]。我國從20世紀(jì)90年代中期也開展了核工業(yè)機(jī)器人的研究，研制了分別用于蒸汽發(fā)生器（（SG）和穩(wěn)壓器（PR）檢修的機(jī)器人SGR-1和PRR-1[21]，以及可用于去污、取樣、維修等的“勇士號”遙控移動(dòng)式機(jī)器人樣機(jī)[22]。

3.2 核事故處理與救援機(jī)器人

核事故處理與救援機(jī)器人，主要用于發(fā)生嚴(yán)重核電事故的情況，此時(shí)有大量的核輻射泄漏，工作環(huán)境極其惡劣。早在切爾諾貝利核事故發(fā)生后，前蘇聯(lián)就嘗試著將機(jī)器人用于核事故處理與救援，各國機(jī)器人獲得了實(shí)戰(zhàn)機(jī)會，但是，除了一臺德國產(chǎn)機(jī)器人堅(jiān)持超過了20 min外，其余機(jī)器人幾乎都在短時(shí)間內(nèi)失去了作業(yè)能力。這是因?yàn)楹穗娬舅孤┑膹?qiáng)輻射，會使沒有進(jìn)行特殊防護(hù)的機(jī)器人電子設(shè)備（控制器、通信設(shè)備等）很快失效。為開發(fā)能在強(qiáng)輻射環(huán)境下開展工作的機(jī)器人，美國能源部及宇航局NASA聯(lián)合資助了代號為“先鋒”的項(xiàng)目，所研制的機(jī)器人于1999年5月進(jìn)入切爾諾貝利核電站封堆后的“石棺”[23]。

日本在1999年東海村出現(xiàn)核臨界事故后，投入大量資金研發(fā)了核輻射探測機(jī)器人Monirobo，該機(jī)器人體積為800 mm × 1500 mm × 1500 mm，質(zhì)量約為590.2 kg，靠兩條履帶驅(qū)動(dòng)行走，每分鐘可走40 m，配有可移除障礙和搜集樣品的機(jī)械臂。Monirobo有兩種型號：紅色的Manitoba A和黃色的Manitoba B。其中紅色機(jī)器人配備了輻射探測、3D攝像機(jī)、溫度濕度傳感器等，而黃色機(jī)器人則用于搜集粉塵樣品和檢測可燃?xì)怏w，如圖4所示。據(jù)報(bào)道[24]，在福島核電站發(fā)生爆炸事故后，日木曾派出Monirobo機(jī)器人對周邊輻射泄漏情況進(jìn)行探測，但并未得到官方證實(shí)。對福島核危機(jī)的處理，日本主要求助于美、法、德各國的核機(jī)器人。

美國iRobot公司研制的軍用、搜救、偵測機(jī)器人，經(jīng)過抗輻射改造后，可工作于核輻射條件下。在福島核電事故發(fā)生后不久，美國即向日本派出了iRobot公司生產(chǎn)的機(jī)器人PackBot和Warrior. PackBot是一種輕型機(jī)器人，質(zhì)量約22～27 kg，從座體積與一個(gè)手提箱相當(dāng)，如圖5所示。這種機(jī)器人能夠在殘骼中穿行，通過數(shù)百米EL的光纖傳回實(shí)時(shí)圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括環(huán)境氧水平、溫度、伽瑪輻射和危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)。東京電力公司已利用PackBot檢測福島第一核電站1、2、3號機(jī)組的輻射量[25]，圖6即為進(jìn)入3號機(jī)組所在建筑物內(nèi)時(shí)的情形。Warrior機(jī)器人“肌肉發(fā)達(dá)”，每小時(shí)可在殘骸中行進(jìn)13 km，最大可搬運(yùn)90 kg的重物，可用于清理較重的放射性碎石。德國ROBOWATCH公司的自動(dòng)巡測機(jī)器人MOSRO和OFRO，也可用于核生化環(huán)境中的探測和搜救[26]。東南大學(xué)宋愛國教授的課題組也研制成功了履帶式核生化機(jī)器人[27-28]具備在強(qiáng)核輻射環(huán)境下工作的能力，可通過遙操作進(jìn)行控制。

3.3 小型爬壁式監(jiān)測機(jī)器人

依據(jù)“防患于未然”的原則，核電站的監(jiān)測與預(yù)警是核電站安全中最重要的一環(huán)，特別是在當(dāng)前，很多核電站經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后，設(shè)備的老化、磨損問題己越來越嚴(yán)重。利用機(jī)器人代替人進(jìn)入核電站進(jìn)行安全性。監(jiān)測和預(yù)警，有如下好處：1）及早發(fā)現(xiàn)問題，贏得搶修時(shí)間，至少可以有充分的時(shí)間關(guān)斷核反應(yīng)堆，盡可能減輕事故造成的后果；2）極大地減少工作人員所受的核輻射，保證人員安全；3）利用監(jiān)測機(jī)器人攜帶視頻監(jiān)控相機(jī)或其他先進(jìn)的設(shè)備，可以提供最直接的監(jiān)測結(jié)果，與間接監(jiān)測手段（如通過溫度、濕度、輻射量等）獲得的結(jié)果相比，更加直觀、準(zhǔn)確。

與前面兩類核工業(yè)機(jī)器人相比，監(jiān)測機(jī)器人的研究相對滯后，但越來越受到重視。比較典型的是西班牙研制的可用于檢測柱狀容器（如蒸汽發(fā)生器）和大直徑管道的爬壁機(jī)器人Robicen[29]，目前已有3代產(chǎn)品，其中Robicen III尺寸僅290 mm × 160 mm × 250 mm，質(zhì)量僅2.5 kg。Robicen III由4個(gè)能適應(yīng)弧形壁面的真空吸盤提供吸附力，通過機(jī)體上兩個(gè)氣缸的同步或不同步伸縮，完成機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)[30]，其外形結(jié)構(gòu)及在圓柱/球形表面上的爬行情況分別如圖7和8所示，該研究團(tuán)隊(duì)還研制了用于沸水反應(yīng)堆清水墻檢查的小型自主機(jī)器人MonoCaRob，該機(jī)器人沿著專門布置于管道間的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，利用攜帶的攝像機(jī)和其他傳感器進(jìn)行常規(guī)檢查[30]。英國核電公司于20世紀(jì)90年代在Magnox核電站反應(yīng)堆壓力容器上使用了兩種類型的遠(yuǎn)距離爬行小車Nero[31]和SADIE[32]。Nero小車是一種具有真空手爪的機(jī)器人，它由一個(gè)外框架和一個(gè)內(nèi)框架（或滑梭）兩個(gè)矩形框架組成，每個(gè)框架有4個(gè)裝在氣動(dòng)“腿”缸上的真空手爪。通過交替移動(dòng)框架或滑梭及其相應(yīng)的手爪（提升或旋轉(zhuǎn)），該機(jī)器人能跨越約25高的障礙物。法國也研制了可進(jìn)行放射性檢測的RICA2核電站機(jī)器人，以及可像壁虎一樣吸附在鐵板上爬行并進(jìn)行檢測的核電站機(jī)器人，并在北京召開的第11屆中國國際核工業(yè)展覽會（2009年）上展出。加拿大安大略發(fā)電公司委托OC Robotics公司設(shè)計(jì)并建造了蛇形機(jī)器人，并于2010年裝配了蛇形臂監(jiān)測機(jī)器人設(shè)備SAFIRE，對加拿大氖鈾核反應(yīng)堆CANDU中復(fù)雜的管道和結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測川，如圖9所示。韓國研制了對核電站管道進(jìn)行探傷監(jiān)測的機(jī)器人，如圖10所示。White等人研制了用于管道焊縫檢測的爬壁機(jī)器人[33]，Choi等人設(shè)計(jì)了對蒸汽發(fā)生器的給水管道進(jìn)行監(jiān)測的機(jī)器人[34]，Luk等研制了Robug系列的腿式爬行機(jī)器人，可對核反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器等進(jìn)行監(jiān)測[35-36]，另外，也有學(xué)者研究了水下監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)[37-38]。這些機(jī)器人的共同特點(diǎn)是僅具有局部設(shè)施的監(jiān)測能力，缺乏核電廠內(nèi)部整體安全性的監(jiān)測，也沒有開發(fā)智能預(yù)警系統(tǒng)。

近年來，我國的科研人員也開展了爬壁機(jī)器人的研究[39-42]，但針對核環(huán)境下使用的小型爬壁式監(jiān)測機(jī)器人，尚未見諸報(bào)道。

4　核電站機(jī)器人未來發(fā)展趨勢

從上面的研究現(xiàn)狀可以看出，核電站機(jī)器人己取得了較大發(fā)展，并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了巨大作用。核電站機(jī)器人未來還將繼續(xù)向小型化、智能化、實(shí)用化方向發(fā)展。具體來說，未來的發(fā)展趨勢將是著力解決如下關(guān)鍵技術(shù)難題：小型智能核機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、無損檢測與故障診斷技術(shù)、多傳感器信息融合與智能預(yù)警策略、核輻射防護(hù)技術(shù)、惡劣環(huán)境下的高穩(wěn)定遙操作技術(shù)等。

4.1 小型、智能核機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

從成本低、運(yùn)動(dòng)靈活、操作方便等角度考慮，未來的核電站機(jī)器人將向小型、智能的方向發(fā)展，至少具備如下功能：1）對輻射強(qiáng)度、氫氣濃度、煙霧、溫度、濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和綜合分析；2）對核安全1級、2級部件進(jìn)行視覺監(jiān)測、無損探傷等；3）可攜帶小型維修設(shè)備，處理典型小故障，如補(bǔ)漏等。具備上述功能的機(jī)器人，由于工作于惡劣環(huán)境中，首先必須具有良好的抗輻射能力；其次，要能夠到達(dá)多個(gè)位置，需要在容器罐、管道以及地面上自由行走，因此要求有靈活的機(jī)動(dòng)能力；第三，機(jī)器人需要攜帶相應(yīng)的敏感器，對核電站內(nèi)部環(huán)境、相關(guān)設(shè)施等進(jìn)行探測，即機(jī)器人具有充分的智能感知能力；最后，機(jī)器人既要具有自主運(yùn)行的能力，同時(shí)，也要支持遙操作，使得操作員可隨時(shí)干預(yù)、控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并能臨機(jī)處理突發(fā)事件。

小型、智能的核機(jī)器人是機(jī)、電、控一體化系統(tǒng)，工作環(huán)境惡劣、操作模式多樣，對自身質(zhì)量、體積、功耗等有嚴(yán)格限制，必須采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路，從多學(xué)科穩(wěn)健優(yōu)化的目標(biāo)出發(fā)，開展系統(tǒng)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本課題組以核安全級為1、2的部件為主要監(jiān)測與維護(hù)對象，進(jìn)行了小型智能核機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人以圓柱形、球形器件上的攀爬運(yùn)動(dòng)為主，兼具平面運(yùn)動(dòng)能力，其初步方案如圖11所示。該機(jī)器人由結(jié)構(gòu)主體、行走機(jī)構(gòu)（初步考慮采川真空吸盤式）、傳感器系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、控制與預(yù)警系統(tǒng)、報(bào)警器、通信天線等組成，其中傳感器包括CCD相機(jī)，輻射探測儀、氫氣濃度探測儀、煙霧探測儀、溫濕度計(jì)、紅外測距儀、超聲探傷儀（位于結(jié)構(gòu)主體底部）等?？紤]到機(jī)器人到達(dá)的某些區(qū)域照明條件欠佳，以及出現(xiàn)事故時(shí)廠區(qū)照明電源可能關(guān)斷，因此，機(jī)器人自身攜帶一套照明系統(tǒng)，為CCD相機(jī)提供較好的照明條件。圖12為機(jī)器人在蒸汽發(fā)生器上運(yùn)動(dòng)的示意。

4.2 無損檢測與故障診斷技術(shù)

無損檢測（Non-Destructive Testing，NDT），又稱無損探傷，是指在不損傷被檢測對象的條件下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕菟鸬膶帷⒙?、光、電、磁等物理量的變化，來探測各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部和表面缺陷。核電站有著眾多的管道、容器及熱交換器等機(jī)械部件和設(shè)備[43]與常規(guī)電站或石化工業(yè)等領(lǐng)域的機(jī)械部件相比，核電站各部件大量采用奧氏體不銹鋼材料，運(yùn)行在強(qiáng)放射性環(huán)境下；而且，由于安全性問題造成的后果（人身安全、經(jīng)濟(jì)損失等）會更加嚴(yán)重，因此，要求核輻射下的NDT必須具有更高的缺陷探測能力和檢查結(jié)果的高可靠性，以保證對核安全設(shè)備作出更加準(zhǔn)確的安全狀態(tài)評估和判斷。核電站機(jī)械部件定期的NDT活動(dòng)，亦稱為在役檢查，所采用的方法主要有超聲檢查網(wǎng)、射線檢查、渦流檢查、液體滲透檢查、磁粉檢查、目視檢查以及泄漏檢查等。發(fā)展趨勢是向檢查速度更快、探測能力更強(qiáng)、檢查結(jié)果的精準(zhǔn)度更高方向發(fā)展[8]。

為對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和異常情況作出判斷，需要根據(jù)檢測信號進(jìn)行故障診斷，即在設(shè)備沒有發(fā)生故障之前，要對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報(bào)；在設(shè)備發(fā)生故障后，對故障的原因、部位、類型、程度等作出判斷，并進(jìn)行維修決策。故障診斷的任務(wù)包括故障檢測、故障識別、故障分離與估計(jì)、故障評價(jià)和決策。目前常用的故障診斷方法有專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯，以及多智能結(jié)合的方法[45-47]，其未來的發(fā)展方向是多種智能方法的有機(jī)結(jié)合。

4.3 多傳感器信息融合與智能預(yù)警策略

如上所述，為保證機(jī)器人有充分的感知能力，機(jī)器人上將裝備多種傳感器，單一的傳感器只能獲取某一方面的信息，無法全面反映對象的準(zhǔn)確狀態(tài)，而且單一傳感器的觀測值可能存在不確定或者偶然的異常情況。因此，采用信息融合技術(shù)，利用多元信息的互補(bǔ)性來提高信息的質(zhì)量，以解決單一傳感器對復(fù)雜系統(tǒng)描述能力的不足。多傳感器信息融合實(shí)際上是對人腦綜合處理復(fù)雜問題的一種功能模擬[48]，它的基本原理就像人腦綜合處理信息的過程一樣，充分利用多個(gè)傳感器資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來，產(chǎn)生對觀測環(huán)境的一致性解釋和描述。

基于信息融合的結(jié)果，對核電站安全性作出全面評估，制定多級預(yù)警策略，根據(jù)事件的不良程度與緊急程度下達(dá)指令，實(shí)施相應(yīng)級別的預(yù)警應(yīng)急方案，以對危機(jī)事件提前進(jìn)行“有效的、阻斷性的干預(yù)”。

數(shù)據(jù)融合有3個(gè)層次[49]：數(shù)據(jù)層、特征層和決策層。數(shù)據(jù)層融合是最低層次的融合，是在各種傳感器的原始信息未經(jīng)預(yù)處理之前就進(jìn)行綜合和分析，優(yōu)點(diǎn)是保持了盡可能多的現(xiàn)場信息，缺點(diǎn)是處理的信息量大，所需時(shí)間長，實(shí)時(shí)性差。特征層融合屬于中間層次的融合，利用從各傳感器的原始信息中提取的特征信息進(jìn)行綜合分析和處理。決策層融合是高層次的融合，融合的結(jié)果直接作為終級決策的依據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是：具有很高的靈活性，對信息傳輸帶寬要求較低，能有效地融合反映環(huán)境或目標(biāo)各個(gè)側(cè)面的不同類型信息，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性；通信容量小，抗干擾能力強(qiáng)：對傳感器的依賴性小，傳感器可以是異質(zhì)的；融合中心處理代價(jià)低。實(shí)際應(yīng)用中，可采用以決策層融合為主、輔以特征層融合的方法，即對部分同質(zhì)傳感器，可在特征層進(jìn)行融合，提高測量精度；最后進(jìn)行決策層的融合，得出綜合、優(yōu)化的終極決策。決策層融合的結(jié)果，作為智能預(yù)警模塊的輸入。相應(yīng)于國際上對核事故級別的定義，預(yù)警級別分為1～7級。信息融合與智能預(yù)警原理如圖13所示。

4.4 核輻射防護(hù)技術(shù)

核機(jī)器人是機(jī)電一體化的系統(tǒng)，工作于放射性環(huán)境中，若不采取防輻射措施，其電子設(shè)備或其他輻射敏感部件在核環(huán)境下將很快損壞，影響機(jī)器人正常工作，甚至導(dǎo)致機(jī)器人無法再運(yùn)行，因此對機(jī)器人的核防護(hù)研究同樣至關(guān)重要，不容忽視。解決了輻射防護(hù)特別是強(qiáng)輻射防護(hù)問題，就等于解決了核電站機(jī)器人在該環(huán)境中的生存問題，這一直是世界性的難題，目前世界上只有少數(shù)型號的機(jī)器人具備這種能力。

核機(jī)器人的核防護(hù)需要從電子器件、傳感器、光纖、信號通訊系統(tǒng)、絕緣材料、滑潤劑、粘合劑、密封劑等受輻射影響較大的部件和材料方面開展研究，不斷提高這些部件的抗輻射水平[13,51～52]。我國在“十一五”末期已經(jīng)啟動(dòng)了在強(qiáng)輻射環(huán)境下工作的危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人的研究和探索工作，并已取得階段性成果，所研制的核化偵察機(jī)器人初步具備在強(qiáng)核輻射環(huán)境下工作的能力，已配備給國家核生化應(yīng)急救援隊(duì)。

4.5 惡劣環(huán)境下的高穩(wěn)定遙操作技術(shù)

核機(jī)器人長期工作在輻射區(qū)域，必須具備遙操作的能力，即通過操作員從遠(yuǎn)處發(fā)送指令，控制機(jī)器人在危險(xiǎn)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。在核輻射環(huán)境中，通信條件惡化，通信數(shù)據(jù)可靠性低、錯(cuò)誤率高；受堅(jiān)固廠房、安全殼的屏蔽影響，通信帶寬低、信號強(qiáng)度弱；而且，通信環(huán)節(jié)中不可避免存在時(shí)間延遲。這些因素均對遙操作閉合回路的穩(wěn)定性和透明性產(chǎn)生不利的影響。以往的“操作—等待一再操作”的模式，效率極低，無法及時(shí)完成任務(wù)。目前針對時(shí)延問題的遙操作方法主要有：力反饋雙邊控制[53-54]、圖形預(yù)測控制[55-56]和監(jiān)督控制[57]。其中，雙邊控制方法，將本地端和遠(yuǎn)端置于同一控制回路中，兩者之間直接相互作用，通過設(shè)計(jì)控制算法克服通信時(shí)延及其他因素的影響，是當(dāng)前遙操作技術(shù)研究的熱點(diǎn)，但大部分研究未將通信不連續(xù)性、數(shù)據(jù)非絕對可靠性、帶寬受限等條件考慮進(jìn)去，而這些問題是未來核環(huán)境下遙操作必須考慮的問題。

雙邊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖14所示，包括以下幾部分：1）手及其控制器；2）主從端之間的通訊環(huán)節(jié)；3）從手及其控制器。對主手來說，它一方面把從端反饋回的力信息作用于操作者，使其產(chǎn)生臨場感；另一方面，它在操作者的控制下運(yùn)動(dòng)，向從端發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令，控制從手運(yùn)動(dòng)；對于從手，跟從主手的控制指令運(yùn)動(dòng)，并將自己與環(huán)境的作用力反饋回主端，反作用于操作者。由于不需要對從手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測，雙邊控制方法能應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化且未知的從端環(huán)境。雙邊控制中，反饋回主端的從手與環(huán)境的作用力使得主端操作者能感知從端環(huán)境，操作者根據(jù)感受到的從端環(huán)境決定下一步動(dòng)作，從而把操作者的智能投射到遠(yuǎn)端，使系統(tǒng)能夠完成復(fù)雜的任務(wù)。所以，雙邊控制成為了近年來遙操作控制的一個(gè)熱點(diǎn)。

核電站機(jī)器人所處的環(huán)境惡劣，各種不利因素為雙邊控制帶來了新的問題，特別是會影響閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、操作性。未來的趨勢將是首先建立雙邊遙操作閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，深入研究通信中斷率、誤碼率、數(shù)據(jù)置信度、時(shí)延、帶寬等對遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性、透明性等關(guān)鍵指標(biāo)的作用機(jī)理，基于此，提出惡劣環(huán)境下保證高穩(wěn)定遙操作的雙邊控制方法。在雙邊控制方法中，可充分利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、模型校正等技術(shù)。

5　結(jié)論

核電站機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景，將扮演越來越重要的角色，其應(yīng)用主要集中在3個(gè)方面：關(guān)鍵核設(shè)施維護(hù)、核輻射監(jiān)測與預(yù)警、核事故處理與救援等。本文從上述3個(gè)方面對核電站機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，在分析其關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為未來的發(fā)展趨勢集中在如下幾個(gè)方面：

1）小型、智能核機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)；2）無損檢測與故障診斷技術(shù)；3）多傳感器信息融合與智能預(yù)警策略；4）核輻射防護(hù)技術(shù)；5）惡劣環(huán)境下的高穩(wěn)定遙操作技術(shù)。