張德會，賈青龍，盧金波，胡曉連，梁國清，羅金霞

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000）

為確保大壩安全，需要對壩基廊道進行長期巡檢。但壩基廊道環(huán)境復(fù)雜、線路冗長，且廊道內(nèi)存在墻體滲漏、地面積水、有害氣體聚集等多種不確定因素，極大地增加了維護人員的巡檢風(fēng)險。此外，人工巡檢費時費力，也容易導(dǎo)致漏檢，因此，實時掌握大壩廊道環(huán)境狀況，及時發(fā)現(xiàn)廊道內(nèi)設(shè)備運行隱患，研發(fā)智能巡檢機器人成為首選解決方案。本文通過探究軌道式巡檢機器人在壩基廊道的具體應(yīng)用，提出了采用智能機器人代替人工巡檢的設(shè)計方案。

1 智能巡檢機器人技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 人臉識別

近年來，人臉識別技術(shù)逐漸成熟，且在各類圖像識別中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于在進行人臉識別時，需要將人臉與攝像頭對齊，因此需要對采集的人臉進行高度的計算和建模，同時還要對人臉進行檢測，這就給人臉識別系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。然而，在實際運用中，人臉識別不僅要與攝像頭進行數(shù)據(jù)匹配，還需要對人臉進行特征提取并識別出人臉中特定位置、角度和方向等特征，這使得識別速度變得很慢。同時，在智能手機的支持下，如果需要與手機進行交互時，只能通過移動設(shè)備完成。目前，市場上主流人臉識別產(chǎn)品為基于攝像頭的 NFC 識別器和基于手機屏幕的 NFC 識別器。在水庫廊道運維過程中，如果能成功實現(xiàn)由人臉識別功能取代人工輔助功能時，就能極大地提高智能機器手臂日常運維工作的有效性。

1.2 人體手勢識別

在智能巡檢機器人研發(fā)過程中，需要通過攝像頭識別出不同的人體手勢，然后再將識別結(jié)果與攝像頭進行對比，以判斷手勢和人臉是否一致，以便于后續(xù)對人體手勢進行針對性操作。但由于智能巡檢機器人無法配備攝像頭和傳感器等關(guān)鍵部件，因此無法做到“人形”化或者是“人形”化后的識別精度較低。同時，為了防止機器出現(xiàn)誤判，同時也為了減少人工巡檢成本和時間，目前絕大多數(shù)智能巡檢機器人都是通過人工操作或遠程監(jiān)控設(shè)備來實現(xiàn)巡檢工作。

1.3 三維空間定位與導(dǎo)航

傳統(tǒng)的機器人設(shè)備在運行過程中往往需要采用慣性導(dǎo)航以及GPS 等方式來實現(xiàn)空間定位，這些方法不僅耗時較長，而且精度不高，所以很難滿足智能巡檢機器人應(yīng)用的需求。另外，由于傳統(tǒng)GPS 具有較強的不可預(yù)知性，因此其準確性受到了限制，通常只能通過人工經(jīng)驗來進行決策，從而給整個巡檢過程帶來很大不便。三維空間定位與導(dǎo)航是智能巡檢機器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，其不僅能實現(xiàn)巡檢地點的精確定位、人員位置信息等數(shù)據(jù)收集、安全狀態(tài)檢測以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等工作，而且還能進行多種交互方式和數(shù)據(jù)集成共享應(yīng)用來實現(xiàn)智能巡檢機器人更好地運行。例如，在大壩廊道運維中，巡檢機器人需要準確定位到某一地點并根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定軌跡路徑到達相應(yīng)地點。傳統(tǒng)機器人對地理信息環(huán)境具有很強的依賴性，如果巡檢機器人沒有相應(yīng)導(dǎo)航信息就無法進行精確定位導(dǎo)航?；诖耍壳皣鴥?nèi)研發(fā)出來一種基于三維坐標(biāo)原點技術(shù)進行智能機器人三維定位和導(dǎo)航的技術(shù)。

2 大壩廊道運維中存在的問題

目前，在大壩廊道運維過程中，大多數(shù)技術(shù)人員仍然使用人工進行管道設(shè)備的日常巡檢維護工作，如閥門及管道的檢查、檢測等。這種人工巡檢往往難以發(fā)現(xiàn)問題和規(guī)律，存在一定的風(fēng)險。此外，由于施工條件及技術(shù)水平等方面的限制，有些區(qū)域需要人工進行管道巡視才能發(fā)現(xiàn)管段故障。這些情況在實際應(yīng)用過程中會出現(xiàn)得比較多，而且巡檢機器人技術(shù)門檻較高，在維護過程中，如果有突發(fā)事件出現(xiàn)會給其帶來嚴重的后果。因此，在未來對大壩廊道的智能運維中要重視人員巡檢和設(shè)備保養(yǎng)，嚴格按照規(guī)范的要求來執(zhí)行。只有這樣，才能真正發(fā)揮出機器人技術(shù)自身優(yōu)勢，使其成為今后對大壩廊道進行定期巡查維護的必備工具，也可以降低相關(guān)人員巡檢維護工作所造成的安全風(fēng)險發(fā)生。

2.1 人力巡檢工作效率不高

由于人力巡檢工作效率低，所以在實際應(yīng)用過程中會造成人員的工作強度過大，容易出現(xiàn)工作能力下降等問題，對后續(xù)工作造成一定影響。另外，也會降低工作效率，出現(xiàn)管道損壞情況。因此，在實際應(yīng)用過程中，由于人員數(shù)量不足，要想對管道運行情況進行有效監(jiān)測，仍需使用巡視機器人來進行，而這種巡視機器人有一定的局限性，只能對管道設(shè)備進行簡單檢測、巡查。此外，如果使用人工巡檢，則需要花費大量時間來檢測管道相關(guān)情況，如果發(fā)現(xiàn)異?；虺霈F(xiàn)異常的管道，需要通過人工來維修處理，這樣會導(dǎo)致工作效率降低并且難以將問題解決。因此，在實際應(yīng)用過程中，不能僅僅使用人員巡檢，而是應(yīng)該注重巡檢機器人自身工作效率高的優(yōu)勢。

2.2 運維范圍較窄

目前，大部分大壩廊道智能巡檢機器人都是以靜態(tài)檢測為主，并沒有在動態(tài)檢測的基礎(chǔ)上再進行管道檢測。在這種情況下，就需要巡檢人員使用更加先進的技術(shù)手段，結(jié)合當(dāng)前的檢測設(shè)備進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。如果巡檢機器人是由多個傳感器組合而成、無法完全覆蓋壩區(qū)所有管道，就不能有效發(fā)現(xiàn)管道存在的隱患。這也意味著，即使擁有大量機器人，也無法解決大壩廊道運維存在的問題，反而使大壩廊道的運維范圍更窄。所以，未來巡檢機器人在庫區(qū)巡檢及管道維護過程中，將會更加適合需要巡檢以及維護的區(qū)域之間的聯(lián)系以及相互配合，實現(xiàn)對大壩廊道進行智能化巡檢運維。

2.3 人員巡檢質(zhì)量有待提高

在實際工作中，由于人員巡檢范圍較大，巡檢效率不高，所以人員巡檢質(zhì)量的好壞將直接影響智能巡檢機器人對各種管段及其他設(shè)備的運行情況。此外，由于部分檢修人員缺乏巡檢員這一崗位經(jīng)驗，這會影響機器人運行效率。例如，對管道閥門進行檢測時，會對管道閥門上、下各部位進行仔細檢查；對管道閥門上、下兩邊連接點進行檢查；還有對管道閥門進行定期檢測等工作。這些都嚴重破壞了巡檢工作的準確性和完整性，使機器人檢測工作變得更加困難。

2.4 突發(fā)事件發(fā)生時應(yīng)急處理機制不完善

應(yīng)急處理機制是指當(dāng)應(yīng)急人員處理突發(fā)事件時所采取的措施。當(dāng)前，很多應(yīng)急機器人對于突發(fā)事件的處理并沒有制定詳細的應(yīng)急處理預(yù)案，這在一定程度上導(dǎo)致了突發(fā)事件在智能巡檢機器人的處置過程中可能出現(xiàn)各種各樣的情況。當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時，對于人員及設(shè)備都會造成不同程度的傷害。尤其是如果機器人內(nèi)部出現(xiàn)故障時，如果不能第一時間采取措施進行處理，將會對機器人運行帶來嚴重缺陷和影響。由于其無法在緊急情況下采取有效的防護措施，所以一旦出現(xiàn)事故后沒有及時地對其進行應(yīng)急處理，會造成設(shè)備、人員及財產(chǎn)損失等。所以只有將應(yīng)急處置機制健全起來做好相應(yīng)的預(yù)防措施，才能使其得到更好地發(fā)展。

3 智能巡檢機器人的設(shè)想

基于智能巡檢機器人在水利水電工程中的應(yīng)用經(jīng)驗，將其應(yīng)用于水工建筑物的檢修維護，既能夠提高檢修維護效率，又能夠避免人員作業(yè)時的安全隱患。因此，通過研究智能化巡檢機器人技術(shù)特性及市場前景，通過對水工建筑物檢修維護中常見問題的檢測和分析以及基于視頻、圖像、聲音等多種信息實時采集網(wǎng)絡(luò)信息分析應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化設(shè)備進行檢修維護。同時，利用水工建筑物結(jié)構(gòu)特點及實際作業(yè)環(huán)境等因素，通過對機器人巡檢過程進行實時視頻采集與分析。在實際使用過程中，能實現(xiàn)基于機器人監(jiān)測視頻的自動巡檢功能及設(shè)備故障自動報警功能。

3.1 機器人巡檢過程中的視覺與語音信息采集及分析

視覺與語音信息的采集是通過運用攝像頭和語音系統(tǒng)進行設(shè)備檢修維護，因此，在機器人巡檢過程中，視覺和語音系統(tǒng)能采集到人行走時所拍攝的圖像和語音。其中，通過運用紅外成像技術(shù)對機器人身上的紅外燈進行成像檢測，將檢測到的紅外燈信號與機器人巡檢線路中安裝在機器人上的紅外探測器（如紅外攝像機、紅外測溫儀、紅外測距儀等）進行比對檢測，若檢測到物體位于人行走過程中，可通過系統(tǒng)自動報警（如紅外探傷傳感器、紅外測溫儀）進行報警提醒。同時，將圖像和語音數(shù)據(jù)輸入語音處理系統(tǒng)后進行分析，出現(xiàn)異常信息和特殊現(xiàn)象，為機器人巡檢作業(yè)提供輔助依據(jù)。同時，在機器人巡檢過程中，利用高清攝像頭對機器人行走過程中出現(xiàn)的障礙進行識別，并可以及時報警，提高管理效率水平。

3.2 機器人故障報警的智能處理

對于機器人發(fā)生故障的報警，需要根據(jù)事件發(fā)生的原因進行及時處理。如果故障發(fā)生在運行的過程中，則需要及時更換故障設(shè)備，若故障設(shè)備處于運行中，則需要將檢測到的設(shè)備信息進行登記，并上傳至系統(tǒng)中進行故障處理。例如，當(dāng)機器人由于信號干擾或其他原因出現(xiàn)故障時，可根據(jù)狀態(tài)記錄、視頻監(jiān)控記錄等信息對故障設(shè)備進行分類處理。通過信息記錄可以對機器人故障現(xiàn)象進行準確定位。當(dāng)監(jiān)測到機器人檢測到環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，則需要根據(jù)環(huán)境參數(shù)設(shè)定不同條件下不同情況下傳感器信號是否發(fā)出變化是否嚴重等狀態(tài)信息。而一旦發(fā)現(xiàn)環(huán)境條件不符合要求時，則需要及時采取相應(yīng)的措施保障其安全運行。

3.3 基于機器人的綜合監(jiān)控信息管理平臺

綜合監(jiān)控信息管理平臺以PC 為服務(wù)器，利用云計算技術(shù)，對智能巡檢機器人實時數(shù)據(jù)進行管理，并與調(diào)度系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，對機器人的工作狀態(tài)、故障信息、安全狀況進行實時跟蹤，并提供自動化運維服務(wù)。根據(jù)運行實際需求，實現(xiàn)以調(diào)度系統(tǒng)為核心、以手機 APP 為支撐的綜合管理平臺。其中，調(diào)度系統(tǒng)提供智能巡檢機器人管理平臺、應(yīng)急管理系統(tǒng)；智能巡檢機器人可根據(jù)實際需求，實現(xiàn)對巡視路徑、重點區(qū)域、安全狀態(tài)的監(jiān)測；手機APP 可提供包括巡檢范圍、問題定位、故障報警等內(nèi)容的數(shù)據(jù)管理服務(wù)；機器人可根據(jù)實際需求實現(xiàn)信息智能推送。

3.4 機器人智能化運維控制系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究

通過機器人智能化運維控制系統(tǒng)的開發(fā)，可實現(xiàn)在線監(jiān)測設(shè)備故障，通過對故障檢測到的參數(shù)進行優(yōu)化控制，保證系統(tǒng)的可靠性，并且實現(xiàn)故障隱患自動預(yù)警。通過對水工建筑物缺陷的檢測分析，能夠確定故障部位，并對故障現(xiàn)象進行分析并將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺，實現(xiàn)遠程診斷。對系統(tǒng)進行故障判斷、報警和控制功能，并對故障區(qū)域進行優(yōu)化、預(yù)測和預(yù)警。

將智能巡檢機器人應(yīng)用在大壩廊道巡檢中，不僅具有傳統(tǒng)人工巡檢的靈活性，而且能夠有效降低巡檢人員的勞動強度。廊道智能診斷系統(tǒng)采用機器視覺算法、智能控制、大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)，對巡檢機器人攜帶的高清攝像頭、紅外熱像儀采集的圖像信息與多種傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行有效融合，通過智能化深度學(xué)習(xí)后實現(xiàn)墻體裂縫識別、廊道水位檢測、火災(zāi)事故預(yù)警、有害氣體檢測等智能診斷功能。廊道巡檢機器人的成功研發(fā)和應(yīng)用，為無人值班（少人值守）水電站運行提供了堅實基礎(chǔ)，也為水電站開展智慧大壩建設(shè)進行了有益的探索。

4 結(jié)語

智能化巡檢機器人可以解決傳統(tǒng)大壩廊道運維中人工巡檢的不足，通過安裝在壩體內(nèi)部的紅外攝像頭采集廊道內(nèi)的實時圖像，對廊道進行自動檢測。同時通過人工智能算法進行視頻的分析計算，識別廊道內(nèi)可能存在的故障部位及相關(guān)問題隱患，可將檢測到的問題隱患反饋給相關(guān)人員，保證廊道內(nèi)工作人員作業(yè)安全，減少人員工作強度。同時，實現(xiàn)了智能化設(shè)備與人工巡檢設(shè)備之間的無縫對接，避免了人工巡檢的不足。同時運用人工智能算法可實現(xiàn)對廊道內(nèi)設(shè)備狀態(tài)分析、視頻圖像識別、故障報警等功能，確保廊道內(nèi)設(shè)備健康穩(wěn)定運行。