周潔 孫潞潞 董炤琛 黃永峰 劉長(zhǎng)安

（1 中信重工機(jī)械股份有限公司,河南洛陽(yáng),471039；2 洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,河南洛陽(yáng),471039；3 河南省科學(xué)技術(shù)交流中心，鄭州，450008）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和工業(yè)需求的提高，變電站系統(tǒng)也在不斷升級(jí)，其設(shè)備構(gòu)造趨于復(fù)雜，分布范圍也更廣泛。變電站是輸配電過(guò)程中的核心環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生事故必將嚴(yán)重影響國(guó)家供電系統(tǒng)。變電站火災(zāi)事故所造成的損失數(shù)額巨大，且嚴(yán)重影響事故現(xiàn)場(chǎng)及周邊人身財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)救援實(shí)施難度高，極具危險(xiǎn)性，消防人員一旦接近將面臨安全威脅。為了避免變電站事故發(fā)生給國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成損失，給人民生活帶來(lái)麻煩，必須確保變電站中設(shè)備的正常運(yùn)行，因而日常巡檢至關(guān)重要。但是，人工巡檢的工作強(qiáng)度較大且效率低，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)不能及時(shí)處理，變電站的強(qiáng)輻射環(huán)境也會(huì)使得工作人員暴露在危險(xiǎn)環(huán)境，人工巡檢遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足變電站及時(shí)巡檢與消防滅火的要求[1-4]。鑒于此，變電站發(fā)生火災(zāi)初期的預(yù)警和處置對(duì)于避免或減少變電站事故，具有著重要意義。

隨著以數(shù)字化為基礎(chǔ)的人工智能等技術(shù)的發(fā)展，智能時(shí)代已經(jīng)到來(lái)[5]。變電站實(shí)現(xiàn)智能巡檢與滅火處置的需求與日俱增，變電站的升級(jí)改造也在向無(wú)人值守和智能化方向發(fā)展。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，智能消防機(jī)器人已經(jīng)能自主完成日常巡察工作和消防滅火任務(wù)。

本文主要是通過(guò)對(duì)無(wú)人化巡檢及消防滅火的研究，提升在復(fù)雜環(huán)境下利用機(jī)器人對(duì)工業(yè)場(chǎng)景下的場(chǎng)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行消防保障的能力，主要完成在場(chǎng)站內(nèi)機(jī)器人自主巡檢、記錄設(shè)備實(shí)時(shí)溫度變化、檢測(cè)異?；鹁?、聯(lián)動(dòng)消防系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間處置早期火源，為消防隊(duì)員爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，并解決在“人不能近、人不能及、人不能為”的復(fù)雜環(huán)境條件下的作業(yè)安全問(wèn)題。

1 智能消防、巡檢機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

智能消防、巡檢機(jī)器人由車體、底盤、巡檢系統(tǒng)、滅火噴射系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、機(jī)器外殼等組成。該機(jī)器人外形尺寸≤2050 mm × 1320 mm ×1460 mm（長(zhǎng)×寬×高），整備重量≤ 1100kg，采用6 輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，4 輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的行走機(jī)構(gòu)，最大行駛速度3m/s，最大爬坡角度25°，耐受環(huán)境溫度為-20～60℃，涉水深度100mm，防護(hù)等級(jí)IP54，采用3D 激光導(dǎo)航+GNSS/INS 組合的導(dǎo)航方式。圖1 為智能消防、巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 智能消防、巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)器人車體

智能消防、巡檢機(jī)器人車體是整個(gè)機(jī)器人的承載結(jié)構(gòu)，其包括車架、行走機(jī)構(gòu)、車首夾持器等，所有的系統(tǒng)元件均安裝在車體上。車體具有保護(hù)各設(shè)備、防雨、防靜電、抗顛振等功能，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)動(dòng)性的組件。

智能消防、巡檢機(jī)器人車體采用承載式設(shè)計(jì)，以車架作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，車架兩側(cè)上方固定有左右電氣盒，兩側(cè)下方固定行走機(jī)構(gòu)。車架前方安裝有前面板、車首夾持器、保險(xiǎn)杠等附件，車架后方安裝有后艙門、后面板等附件，車架前后固定有錨孔。行走機(jī)構(gòu)主要由輪轂電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、帶電動(dòng)轉(zhuǎn)向的雙A 臂懸掛機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向（電動(dòng)缸）驅(qū)動(dòng)器、雙A 臂中間輪懸掛機(jī)構(gòu)、碟剎及剎車控制機(jī)構(gòu)等組成。機(jī)器人車體車架的結(jié)構(gòu)布局如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人車體車架結(jié)構(gòu)布局

1.2 六輪輪式底盤

通常，機(jī)器人行走載體主要包括輪式、履帶式、腿式3 類[6]。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)用于平地，需要較高的駕駛平順性，而輪式移動(dòng)平臺(tái)具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用輪式移動(dòng)平臺(tái)作為智能消防、巡檢機(jī)器人的移動(dòng)載體。

本文機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括懸掛機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)兩部分。其中，懸掛機(jī)構(gòu)是由上下A 字臂構(gòu)成的雙搖臂獨(dú)立懸掛機(jī)構(gòu)，主要包括上A 臂、轉(zhuǎn)向節(jié)上球頭、轉(zhuǎn)向節(jié)羊角座、減震器、下A 臂以及轉(zhuǎn)向節(jié)下球頭等主要部件；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向電動(dòng)缸、轉(zhuǎn)向上搖桿、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸及軸座、轉(zhuǎn)向下?lián)u桿、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)羊角座、轉(zhuǎn)向節(jié)球頭等主要部件構(gòu)成。由轉(zhuǎn)向電動(dòng)缸帶動(dòng)一系列傳動(dòng)拉臂、傳動(dòng)軸以及拉桿運(yùn)動(dòng)，最終拉動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)羊角座旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)向。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置在車體兩側(cè)，同時(shí)又可躲避懸掛機(jī)構(gòu)的干涉，可充分利用車體側(cè)面的空間。本文機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)

1.3 巡檢系統(tǒng)

本文機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要包括主控制器、雙光云臺(tái)、天線、激光雷達(dá)等。其中，主控制器由嵌入式計(jì)算機(jī)、采集卡、視頻選擇器、數(shù)據(jù)鏈模塊、切換開(kāi)關(guān)、航插、調(diào)試網(wǎng)口、指示燈組成，其主要負(fù)責(zé)上位機(jī)信號(hào)的接收、解析，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算、向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令；對(duì)主要部件狀態(tài)的采集、信息打包向上位機(jī)發(fā)送等；還可以控制信號(hào)燈。雙光云臺(tái)具備環(huán)境成像、熱源識(shí)別功能，水平轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-180～+180。，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)范圍-30～+90。，測(cè)溫靈敏度可達(dá)60mK，測(cè)溫范圍0～+550℃。天線包括5G 通信天線、遙控器數(shù)傳天線、GPS 通信天線、RTP 通信天線，各類天線共同工作，接收不同信號(hào)并上傳至主控制器，由主控制器進(jìn)行信號(hào)處理。激光雷達(dá)主要是探測(cè)機(jī)器人前后方的行人、車輛等障礙物，以及前方障礙物與機(jī)器人車體之間的位置關(guān)系，完成機(jī)器人安全狀態(tài)的評(píng)估，同時(shí)也為后臺(tái)系統(tǒng)規(guī)劃和決策提供可靠穩(wěn)定的輸入。另外，機(jī)器人前方的激光雷達(dá)需安裝在車頭上，并保證在機(jī)器人中線位置處。

1.4 滅火系統(tǒng)

依據(jù)車架承載力、打擊作業(yè)距離和實(shí)際效果的需求，智能消防、巡檢機(jī)器人搭載的滅火劑容量需要足夠大，噴射動(dòng)力需要足夠強(qiáng)勁，因而選擇容量為100L 水基滅火器及壓力傳感系統(tǒng)。水箱采用電動(dòng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一旦巡檢系統(tǒng)識(shí)別到火源信息，信號(hào)傳遞至壓力傳感系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火功能。滅火炮頭水平旋轉(zhuǎn)范圍為-60～+60。，滅火炮頭俯仰旋轉(zhuǎn)范圍為0～90。，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)性地均勻滅火。滅火器額定噴射流量80L/min，最大噴射距離超過(guò)15m。滅火器安裝在云臺(tái)上，云臺(tái)基底進(jìn)行了固定保護(hù)措施，可避免噴射后坐力對(duì)機(jī)身外殼造成磨損，導(dǎo)致噴射精度降低。

1.5 電池系統(tǒng)

智能消防、巡檢機(jī)器人電源系統(tǒng)包括電池、DC-DC 模塊、電源開(kāi)關(guān)、充電航插、電池航插、分線器。其中，電池采用電壓為44.8V 的磷酸鐵鋰電池，可最大限度地保護(hù)環(huán)境。該機(jī)器人采用充電樁自動(dòng)充電的方式，充電時(shí)間少于3h，續(xù)航時(shí)間可超過(guò)5h。機(jī)器人電源電路組成如圖4所示。

圖4 機(jī)器人電源電路組成

1.6 機(jī)器外殼

在保證相關(guān)功能的前提下，筆者團(tuán)隊(duì)充分考慮了產(chǎn)品外觀的適用性，選擇白色作為本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的車身顏色，其簡(jiǎn)約大氣，搭配紅黑線條，形成堅(jiān)毅穩(wěn)重的視覺(jué)效果。此外因其室外工作的特性，白色車身可使吸熱速度降低，可有效降低車體內(nèi)的溫度。該機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，車頭、車身兩側(cè)、車尾均具備拆卸功能，便于裝配、檢修，降低了制造難度。智能消防、巡檢機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)軟件功能模塊

2 智能消防、巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件

智能消防、巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件功能模塊包含嵌入式軟件和監(jiān)控平臺(tái)軟件兩部分。其中，嵌入式軟件主要用來(lái)實(shí)時(shí)分析機(jī)器人前端傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息，分為感知、定位、地圖、規(guī)劃、決策和控制6 大模塊。根據(jù)攝像頭識(shí)別的周圍環(huán)境，該機(jī)器人可進(jìn)行路徑規(guī)劃、行進(jìn)速度控制、自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)避障、自主充電等，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行的日常檢查；具備對(duì)儀表內(nèi)容的自動(dòng)識(shí)別提取，以及對(duì)初期火源或異常熱源進(jìn)行熱源預(yù)警等功能。監(jiān)控平臺(tái)軟件可以顯示前端傳感器采集的信息，主要集成機(jī)器人狀態(tài)信息（場(chǎng)景、地理位置、行進(jìn)速度、剩余電量、故障報(bào)警等）和現(xiàn)場(chǎng)信息（現(xiàn)場(chǎng)視頻、重點(diǎn)裝巡查裝備的狀態(tài)信息、火災(zāi)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)溫濕度及氣體異常報(bào)警等）。

3 智能消防、巡檢機(jī)器人功能特點(diǎn)

智能消防、巡檢機(jī)器人具備高精度組合導(dǎo)航、熱源識(shí)別、讀表、人臉識(shí)別等多項(xiàng)功能。

其中，高精度組合導(dǎo)航功能：機(jī)器人本體具備自主定位、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃及避障功能，支持自主充電功能；

熱源識(shí)別功能：主要對(duì)設(shè)備熱源信號(hào)進(jìn)行采集、比對(duì)分析、報(bào)警和記錄，具備異常熱源及早期火源定位功能，獲取異常熱源及早期火源空間位置信息；

讀表功能：具備對(duì)場(chǎng)站內(nèi)所有表計(jì)的讀表和分析功能；

人臉識(shí)別功能：機(jī)器人在自主巡檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)站內(nèi)出現(xiàn)的異常人員，在后臺(tái)報(bào)警，并保存異常人員的照片信息；

初期火情處置功能：機(jī)器人自身搭載滅火罐，具備滅火罐的啟動(dòng)功能和噴頭對(duì)滅火點(diǎn)的鎖定，實(shí)現(xiàn)對(duì)初期火源的控制；

遠(yuǎn)程報(bào)警功能：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)熱源異常時(shí)，機(jī)器人應(yīng)向后臺(tái)監(jiān)控中心發(fā)布預(yù)警信息，通過(guò)后臺(tái)界面顯示和警鈴的方式告知值班人員，同時(shí)，將消防栓坐標(biāo)、最佳滅火點(diǎn)坐標(biāo)、熱源異常點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)送至消防滅火機(jī)器人，具備在人工確認(rèn)下啟動(dòng)消防滅火機(jī)器人自主滅火流程的條件；

運(yùn)行狀態(tài)自分析功能：對(duì)本體基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)如電源容量、電壓、電流、無(wú)線信號(hào)、運(yùn)行速度等進(jìn)行記錄，在異常情況下及時(shí)停機(jī)或返航、報(bào)警；在連續(xù)運(yùn)行規(guī)定時(shí)間內(nèi)可提醒零部件的更換，如輪胎更換、電池更換等；

平臺(tái)監(jiān)控功能：后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示視頻信息、地圖與位置信息、系統(tǒng)本身常用信息（如電量、信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)間等基礎(chǔ)信息）；

平臺(tái)識(shí)別與報(bào)警功能：后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)顯示讀表、熱源數(shù)據(jù)、人臉識(shí)別、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)異常報(bào)警（含界面顯示報(bào)警和硬件警鈴報(bào)警）等信息。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該智能消防、巡檢機(jī)器人已成功應(yīng)用于多個(gè)變電站，在現(xiàn)場(chǎng)可順利識(shí)別熱源，并將溫度異常點(diǎn)的溫度變化曲線圖、現(xiàn)場(chǎng)位置信息、云臺(tái)采集到的視頻文件上傳到后臺(tái)監(jiān)控并發(fā)出平臺(tái)預(yù)警信息。后臺(tái)監(jiān)控人員接收到信息進(jìn)行判斷并處置，首先確認(rèn)著火區(qū)位置，并進(jìn)行設(shè)備斷電，同時(shí)下達(dá)指令給機(jī)器人，由機(jī)器人進(jìn)行先行滅火處理，后臺(tái)在傳達(dá)滅火信息的同時(shí)也會(huì)將火情信息傳遞給相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行后續(xù)處置。智能消防、巡檢機(jī)器人可以進(jìn)行初期精準(zhǔn)打擊火源、降溫冷卻，抑制火勢(shì)蔓延，有效利用救火黃金3分鐘，為后續(xù)消防爭(zhēng)取時(shí)間。