陳家穎，章偉杰，張 強，郭 榮

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 201100）

0 引言

2018年中國的火電發(fā)電裝機(jī)容量位114367萬千瓦，比2017年增長了3.50%，占總發(fā)電裝機(jī)容量的60.20%[1]?；痣娛菄鴥?nèi)電力生產(chǎn)的主體，火電廠高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)民生的重要保障。近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力需求不斷增大，火電規(guī)模的隨之?dāng)U大，對火電機(jī)組運行的安全性和穩(wěn)定性的要求更加嚴(yán)格。從國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）、國家重點研發(fā)計劃到《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等國家戰(zhàn)略規(guī)劃中，機(jī)器人技術(shù)始終得到充分的肯定和重視，是未來高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基石。

機(jī)器人具有出色的環(huán)境感知能力和精確的控制能力，能代替人類執(zhí)行危險復(fù)雜的任務(wù)，使其能在眾多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。火電廠機(jī)器人以移動機(jī)器人為主，根據(jù)應(yīng)用場景其又可分為檢測機(jī)器人、操作機(jī)器人和維修機(jī)器人3種[2]。檢測機(jī)器人通過對開關(guān)柜、輔機(jī)設(shè)備和管道的巡查測量，收集溫度、振動及氣液泄漏數(shù)據(jù)。操作機(jī)器人主要涉及代替人開展開關(guān)柜帶電操動開關(guān)、灰?guī)烨寤业雀呶Ｗ鳂I(yè)。維修機(jī)器人的應(yīng)用，包括對水冷壁管道裂紋的檢測、尾部煙道的磨損分析及灰渣鐵銹的清潔處理等。

本文針對近年來移動機(jī)器人技術(shù)的一些主要研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并分析國內(nèi)火電廠機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀，梳理分析火電廠機(jī)器人應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，以及未來的發(fā)展趨勢。

1 移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展情況

“移動”是區(qū)分移動機(jī)器人與其他類型機(jī)器人的重要特征，它要求機(jī)器人具備移動能力，包括遙控操縱或者自主移動，具備環(huán)境感知能力和環(huán)境適應(yīng)性。移動機(jī)器人可以分為輪式、履帶式、腿足式、仿人形、水下和飛行機(jī)器人等。世界第一臺移動機(jī)器人Shakey誕生于1972年，它依靠電子攝像機(jī)、三角測距儀及碰撞傳感器等進(jìn)行環(huán)境感知，通過無線通信由兩臺計算機(jī)控制及規(guī)劃行動路徑[3]。1988年，由Smith、Self和Cheeseman提出SLAM[4]（Simultaneous Localization and Mapping）, 即同步定位與建圖，利用攝像頭等傳感器實時更新本體坐標(biāo)和根據(jù)周圍環(huán)境特征建圖，使機(jī)器人在未知環(huán)境中實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航。1997年，探測機(jī)器人Sojourner Rover登錄火星，由于缺乏自我定位條件，它只能依靠科學(xué)家的遠(yuǎn)程操縱在著陸器附近進(jìn)行小范圍探索[5]。2000年，本田公司開發(fā)的人形機(jī)器人ASIMO身高1.3m，體重48kg，可以通過提前改變重心完成許多復(fù)雜靈活的動作，依靠足跡規(guī)劃器進(jìn)行避障導(dǎo)航[6]。2012年6月，中國船舶科學(xué)研究中心自主研發(fā)的作業(yè)型深海潛水器“蛟龍?zhí)枴保L、寬、高分別是8.2m、3.0m與3.4m，最大荷載是240kg，最大速度為25 n mile/h，在海試中破紀(jì)錄的下潛至7062.68m，并進(jìn)行了水下的探測作業(yè)。2020年，波士頓動力公司的機(jī)器人Spot在海上油井服役[7]，它能以1.6m/s,運行90min，搭載立體攝像機(jī)，具有360°的視野，輕松完成避障，可以有效載重14kg，搭配定制傳感器或者機(jī)械臂，用于完成讀取儀表，檢測氣體泄漏等工作。

2 國內(nèi)火電廠機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

一方面，火電廠的設(shè)備具有連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長，安全可靠性要求高的特點，因此需要對大量設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行定時定點檢測，需要投入大量的人員和檢測設(shè)備進(jìn)行日常的點巡檢工作，而一臺搭載著多樣檢測儀器，能實現(xiàn)測溫、識別開關(guān)狀態(tài)、讀取儀表示數(shù)及自動充電的智能巡檢機(jī)器人，不但能代替人類完成點巡檢工作，而且還能降低巡檢風(fēng)險；另一方面，由于經(jīng)濟(jì)性的原因，火電廠現(xiàn)在實行的是定期檢修，檢修時間短，通常一個小修周期僅10～15天，這對設(shè)備檢測的準(zhǔn)確性和快速性有很高的要求。以鍋爐水冷壁檢測為例，從停爐冷卻到環(huán)境溫度降至能夠允許人員進(jìn)入就需要2～3天，還需要搭建腳手架，由檢修人員相互配合，手持檢測儀器對每根管子進(jìn)行檢測標(biāo)記，而利用水冷壁檢測機(jī)器人[8]不但能減少人員投入，提高檢測的準(zhǔn)確性，還能縮短檢測時間，降低檢測人員操作安全風(fēng)險。

張燕東[9]等人研制的智能巡檢機(jī)器人集成了跑冒滴漏檢測、聲音泄漏檢測、激光測振及拾音等功能，在電廠中示范應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期效果，在專家系統(tǒng)、立體巡檢方面還可以進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足無人巡檢的要求。陳建忠[10]等人研制的輸煤廊道巡檢機(jī)器人采用分體式結(jié)構(gòu)，鏈條形構(gòu)型，根據(jù)編碼器和RFID定位，可以測量溫度、聲音和振動，通過圖像識別技術(shù)辨別開關(guān)柜狀態(tài)、皮帶跑偏和漏煤，能夠有效預(yù)防皮帶跑偏、廊道火災(zāi)等事故發(fā)生，解決了輸煤廊道難以實時監(jiān)測，監(jiān)管不足的問題，提高了設(shè)備運轉(zhuǎn)的安全性。張學(xué)劍等人[11]設(shè)計的流化床鍋爐水冷壁壁厚檢測的永磁吸附式爬壁檢測機(jī)器人，優(yōu)化了永磁吸附結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器人的負(fù)重能力，能夠搭載更多檢測設(shè)備，提高檢測效率。姬鄂豫[12]等人將WSD清洗機(jī)器人用于600MW機(jī)組的凝汽器清洗，采用智能化控制，用高壓水清理凝汽器內(nèi)壁和管口，相比傳統(tǒng)的膠球清洗和優(yōu)化反沖洗方式，不僅節(jié)約了成本，而且操作簡單，耗時短，清洗效果良好，提高了凝汽器的清洗效率。吳小輝[13]研發(fā)了一種發(fā)電機(jī)在線檢測機(jī)器人系統(tǒng)，能夠在不抽轉(zhuǎn)子的情況下實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的可視化檢測、定子槽楔松動和定子鐵心電磁缺陷檢測，完成發(fā)電機(jī)定子關(guān)鍵部件的劣化評估，降低抽轉(zhuǎn)子造成的設(shè)備損毀風(fēng)險，提高檢測效率。嚴(yán)禎榮等人[14]針對螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫裂紋的產(chǎn)生特性，開發(fā)了一種專用微型超聲波檢測探頭和超聲波檢測儀器，在狹小的檢測面積上實現(xiàn)了雙面鰭片焊縫缺陷檢測，能夠方便、有效地應(yīng)用到超超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁檢修環(huán)節(jié)。

3 火電廠機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 移動平臺

火電廠機(jī)器人主要分為軌道式、輪式和履帶式。軌道式機(jī)器人可以搭載濕度、溫度、深度攝像頭等傳感器，在固定的軌道上運行，軌道可以貼近地面也可以安裝在吊頂，檢測范圍限于軌道周圍。機(jī)器人在軌道上運行不必?fù)?dān)心偏離既定路線且定位更加容易[15]，在電廠中可以用于輸煤廊道和狹長管道的監(jiān)測。為實現(xiàn)更大的檢測范圍和實現(xiàn)更好的檢測效果，需要重點關(guān)注軌道的布局、機(jī)器人的供電方式[16]、爬坡和彎道處的速度控制以及在需要穿越密閉空間時應(yīng)在穿越處因加裝控制門等。輪式機(jī)器人具有運行平穩(wěn)，移動靈活的特點，爬坡和越障能力一般，可以搭載多種類型的傳感器和機(jī)械臂，主要用于生產(chǎn)區(qū)的巡邏檢測，利用自主無線充電[17]可以保障機(jī)器人的續(xù)航能力，提高設(shè)備安全性和有利于實現(xiàn)機(jī)器人的無人化巡檢。履帶式機(jī)器人具有較強的爬坡和越障能力，配合磁吸附技術(shù)[18]，可以輕松在豎直壁面上運動，適用于管道和豎直壁面的檢測清理，但這種結(jié)構(gòu)自重較大，對其載重能力一般，搭載設(shè)備盡量輕便化，對不同的傳感器的接入方式重點研究，以實現(xiàn)多樣化的檢測功能。

3.2 自主導(dǎo)航

火電廠機(jī)器人主要用于代替人進(jìn)行巡檢或者檢修，通常沒有人為引導(dǎo)，故需要較高的定位精度和穩(wěn)定的自主導(dǎo)航能力。機(jī)器人的工作環(huán)境大多處于封閉昏暗，遮擋較多，無法依靠單一的GPS技術(shù)或者RFID技術(shù)進(jìn)行精確定位和自主導(dǎo)航，需要采用多傳感器融合技術(shù)。王消為[19]提出一種雙目視覺與激光雷達(dá)信息融合的組合導(dǎo)航方法，充分利用來自不同傳感器的數(shù)據(jù)信息提供的冗余信息，以提高移動機(jī)器人環(huán)境特征定位的精確性和特征識別的可靠性，建立包含世界坐標(biāo)系的路標(biāo)數(shù)據(jù)庫，并獲得全局環(huán)境下的特征地圖進(jìn)而實現(xiàn)移動機(jī)器人的自主導(dǎo)航。馮劉中[20]基于信息融合理論和機(jī)器人導(dǎo)航定位基本原理，將地圖構(gòu)建與地圖匹配作為導(dǎo)航定位信息融合的一部分,將環(huán)境特征提取作為局部絕對定位的一種信息來源，融入到多傳感器融合算法中，為基于多傳感器信息融合的導(dǎo)航定位提供了一種新的方法和途徑。

3.3 檢測技術(shù)

檢測技術(shù)是機(jī)器人實現(xiàn)其功能的核心?；痣姀S機(jī)器人主要的檢測需求包括儀表表盤示數(shù)讀取、開關(guān)狀態(tài)識別、氣液泄漏辨別和管壁檢測等。儀表表盤數(shù)據(jù)包括對指針型[21]、刻度型和和電子示數(shù)型等儀表的讀數(shù)，利用圖像識別和深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行讀取，需要注意消除光線干擾和指針抖動的影響，保證讀數(shù)準(zhǔn)確。開關(guān)狀態(tài)識別類型根據(jù)開關(guān)種類可以分為顏色辨別、旋鈕角度識別和開關(guān)上下位置識別。由于開關(guān)柜內(nèi)的開關(guān)分布密集、數(shù)量眾多，標(biāo)識編號相似，在開關(guān)的狀態(tài)識別之前首先要保證開關(guān)位置和標(biāo)識準(zhǔn)確識別[22]。氣體泄漏檢測可以利用氣體檢測裝置，如用金屬氧化物傳感器檢測氫氣泄漏[23]和紅外成像技術(shù)等進(jìn)行檢測[24]。液體泄漏可以分為滲漏、滴漏和線漏等，滴漏和線漏等較明顯的泄漏可以采用可重復(fù)利用的液體傳感器進(jìn)行檢測[9]，但是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)滴漏甚至線漏現(xiàn)象時，設(shè)備的安全性已經(jīng)大大降低。滲漏表現(xiàn)不明顯，滲漏檢測是防患于未然的關(guān)鍵，目前還沒有有效簡便的檢測方法，應(yīng)當(dāng)是未來研究的重點方向。鍋爐爐膛管壁檢測可以采用超聲波和渦流等技術(shù)，對管壁進(jìn)行無損檢測[25]。超聲波檢測的應(yīng)用范圍廣，包括管材、焊接縫和復(fù)合材料等，適宜檢驗厚度較大的工件，容易受探頭掃查區(qū)域的平整度和粗糙度影響，需要在表面涂抹耦合劑才能獲得更精確的檢測精度，無法對嚴(yán)重腐蝕的表面進(jìn)行檢測，利用超聲成像技術(shù)可以克服其缺陷顯示不直觀、難以判斷的缺點[26]。渦流檢測是根據(jù)導(dǎo)體在交變磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的變化來判斷導(dǎo)體狀態(tài)和性質(zhì)，檢測范圍大，采用多通道的探頭可以縮短檢測時間[27]。遠(yuǎn)場渦流對管道的周向裂紋具有很好的檢測能力，軸向裂紋檢測能力一般[28]，通過采用馬鞍形的外置式探頭可以顯著提高鍋爐爐管檢測覆蓋率和效率[8]。

3.4 多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺

隨著機(jī)器人技術(shù)在火電廠的深層應(yīng)用，會有更多的功能類型的機(jī)器人參與到火電廠的各項工作中，多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)不僅能夠應(yīng)對復(fù)雜多變的應(yīng)用場景，同時也能高效整合已有資源，充分發(fā)揮各類機(jī)器人的優(yōu)勢，降低開發(fā)成本，縮短從研發(fā)到應(yīng)用的時間。為了確保各個機(jī)器人之間能夠準(zhǔn)確有序地完成各自分工，需要建立一個統(tǒng)一的多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺。將所有機(jī)器人用一個統(tǒng)計的平臺進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)交互，使參與到同一任務(wù)的機(jī)器人采用完全集中的運動規(guī)劃，即由一個集中的規(guī)劃器來規(guī)劃所有機(jī)器人的運動[29]，使它們之間的運動不會相互干擾。張?zhí)豙30]從無人機(jī)自身位姿估計、稠密制圖、基于地面機(jī)器人領(lǐng)航的協(xié)同控制和旋翼機(jī)與地面機(jī)器人間的數(shù)據(jù)通信這4個方面，對輕小型旋翼無人機(jī)與地面機(jī)器人（UGV）在無衛(wèi)星導(dǎo)航信號條件下的自主協(xié)同運動進(jìn)行研究，取得良好的實驗效果。同時，建立多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺可以整合來自各個機(jī)器人的檢測數(shù)據(jù)、自身的運行狀態(tài)，方便對各個機(jī)器人進(jìn)行實時監(jiān)測和管理。統(tǒng)一的管理平臺需要建立規(guī)范的數(shù)據(jù)接口體系并保障機(jī)器人與平臺、機(jī)器人與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)通信暢通高效，確保來自不同制造廠商的機(jī)器人、不同類型的檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)能夠被準(zhǔn)確識別、接收和傳達(dá)。

4 結(jié)束語

對移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行介紹，對國內(nèi)火電廠機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并對火電站機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)從移動平臺、自主導(dǎo)航、檢測技術(shù)和多機(jī)器人聯(lián)合管理平臺4個方面進(jìn)行梳理分析。機(jī)器人已經(jīng)在火電廠的智能巡點檢，機(jī)、爐、電、輔、環(huán)關(guān)鍵主輔機(jī)設(shè)備重要部件的劣化評估、預(yù)測性維護(hù)等方面得到應(yīng)用，并獲得良好的效果，未來它在電廠將有更多的應(yīng)用場景，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境感知及檢測技術(shù)會有更高的要求，要充分掌握功能需求和應(yīng)用環(huán)境，選擇合適的移動平臺和儀器儀表傳感器技術(shù)，可以在原有的機(jī)器人上擴(kuò)展新的功能，采用多機(jī)器人協(xié)作的方式實現(xiàn)新的應(yīng)用需求。