无人机机载检测技术在特种设备检验检测中应用探讨

王金钊 毕陈帅

摘 要：为解决传统检验检测手段在高大结构型式特种设备应用上的局限性，本文在借鉴无人机机载检测系统在电力巡查、桥梁检测等方面应用基础上，介绍了无人机机载检测系统组成及工作原理，探讨了无人机机载检测技术在起重机械、大型游乐设施检验检测中的应用前景。最后比较分析了两种检验检测手段的优缺点，并针对无人机机载检测技术在特种设备检验检测上的應用提出若干建议。

关键词：无人机;机载检测系统;大型结构特种设备;应用前景;优缺点比较

近年来，国内外游乐设施朝着大型化、高参数、强刺激、新颖性等方向发展，如由荷兰公司投资的世界第一高的208米观览车己在建设过程中，[1]某飞行塔类游乐设施创新性的引入电梯上的曳引驱动系统作为其动力装置，[2]等等。随着大量结构高大新奇及复杂运动形式的游乐设施的不断涌现以及庞大结构型式的起重机械在生产生活中广泛使用，传统检验检测方法、手段已无法满足对该类新型设备安全性、可靠性及稳定性进行检测及试验验证，亟需对新的检验检测方法、技术和手段开展相关技术研究工作，以便弥补传统检验检测技术的不足。

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种利用无线电遥控设备和自携带的程序控制装置来操纵的无人驾驶的航空器，机上安装有自动驾驶仪、飞行程序控制装置等软硬件设备。[3]其中，民用无人机搭载有效任务载荷（如各类传感器、摄像机、高清照相机等）能够有效的实现对高处各种目标任务进行执行，这是传统手段所无法比拟的。目前，已有研究人员对无人机有关技术展开了相关研究工作。张启元在介绍无人机、无人机遥感以及无人机遥感系统的组成基础上，探讨了无人机遥感在高原基础测绘更新、国土资源调查与城市管理、灾害应急与救援、环境保护、农业生产、公共安全、电力巡线及电力工程等领域的应用前景。[4]彭玲丽等针对桥梁常规检测手段检测手段中存在的缺陷，以无人机检测四渡河大桥为实践案例，探讨了无人机及其检测系统在大型桁架结构桥梁检测中的应用，对比分析了其与传统检测手段优缺点。[5]经文献检索，对无人机及其相关技术在特种设备领域应用鲜有报道，以特种设备检验检测为实践出发点开展的相关研究工作则更少，仅南京市特检院基于无人机载视觉检测系统对大型起重机结构开展相关研究工作。[6]有必要对无人机机载有关检测装置在特种设备检验检测领域开展研究工作，作为传统检验检测手段的有益补充，具有很强的实际意义。

基于此，为弥补传统检验检测手段在高大结构型式特种设备上应用的不足，介绍了无人机机载检测系统组成及工作原理，探讨了无人机机载检测系统在起重机械、大型游乐设施检验方面的应用前景。本文还比较分析了两种检测手段的优缺点，并对无人机机载检测技术在特种设备检验检测应用上的给出几点建议。

1 无人机机载检测系统架构及工作原理

事实上，单纯的依靠无人机本身是不能完成任何任务的，它需要一套严密的控制系统和任务荷载系统等与之相配合。所谓的无人机机载检测系统，是一种以无人机机身为载体，根据所执行任务的不同搭载相应的任务荷载系统（各类传感器、图像采集设备等）来实时的获取被执行任务对象的相关信息（针对本文涉及的高大结构型式特种设备来说，如大型游乐设施钢桁架结构的变形、螺栓的锈蚀及缺失、焊缝的开裂及腐蚀等）并回传给地面站端数据处理系统，以供进一步的处理。该系统主要由无人机、任务荷载系统、数据传输系统、地面端站数据处理系统、遥控系统及其他辅助装置组成，见图1所示。无人机的作用是为任务荷载系统提供一个搭载平台，相应的任务荷载系统能够获取被检测对象的有关信息或数据，数据传输系统则是把所采集的数据传输到地面端站信息处理系统。地面端站信息处理系统、遥控设备及其他辅助装置可以对无人机飞行姿态、悬停位置等进行实时监控和调整，对被检测对象可能存在的病害进行识别和分析。

该系统工作原理为：利用无人机能够在任意高处悬停的特点，借助搭载的任务荷载系统，地面端站检测人员通过地面遥控系统操控搭载有不同任务荷载系统的无人机，飞抵被观察对象相关区域实时采集数据，通过机载数据传输系统传输到端站信息处理系统，对采集的数据进行处理，并在处理终端显示出来和出具检测报告。

2 无人机机载检测系统在特种设备上的应用举例

2.1 在起重机械检验上的应用

起重机械是工业生产生活中广泛使用的特种设备，由于它一般服役于露天的高温、高压、粉尘等恶劣环境，且常规性的对其关键受力部件进行例行检查及维修属于高空作业，其高危险性极易导致事故频发。[7]针对高大型结构的起重机（如桥式、门式、塔式、门座式起重机等），由于其结构较高、跨度大等特点，存在某些结构部件（如门式起重机的主梁下盖板和支腿上部，门座式起重机的象鼻梁和人字架顶部，塔式起重机的塔帽顶端和臂架端部等）是检验人员难以到达或及时到达也难以灵活的操作常规仪器开展正常的检验检测工作。针对检验过程中存在诸如上述的检查盲区是必须消除的，需要研究新的检验手段来对这些受力集中的关键部件进行重点检查。

利用无人机能够在任意位置悬停、近距离观察等特点，搭载高清照相机、高清摄像机对检验人员难以检测的结构部位进行拍照、拍摄，并把采集的图像等数据传输到地面终端数据显示平台，供地面检验人员观察、分析位于常规检查盲区的结构部位是否存在病害。图2（a）为利用无人机搭载高清相机对门式起重机进行全面检查，图2（b）、（c）、（d）分别为机载相机对支腿下部位、支腿与主梁结合的法兰部位及主梁下盖板采集回传到终端的照片。

通过采集及回传的数据，借助有关图像处理软件对地面端站接收的图像等数据进行分析、处理，根据起重机械相关标准及规范对检测部位进行评估。根据图2分析可知，机载相机悬停在指定的关键部位所拍摄照片清晰度能够达到肉眼观察的精度（亚毫米级，图b）所示），所拍照部位不存在严重锈蚀、螺栓缺失等病害现象。再结合传统检验检测方法，对其他项目进行检验，最终判断该设备运行状况是否合格。

2.2 在大型游乐设施检验上的应用

游乐设施是公园中常见的载人设备，是特种设备中的“特种设备”，其运行的安全性直接关乎乘客生命财产安全。但由于我国游乐设施行业发展较迟缓，在生产（含设计、制造、安装、改造、修理及维护保养，下同）使用、监管及检验等环节中仍存在诸多不足，导致事故时有发生。[1]目前，我国制定并依据有关标准及规

范通过对在批量生产前的样机进行设计文件鉴定、型式试验和安装后的验收检验、定期检验及使用单位的日常检查、维护保养等多道程序来保证游乐设施运行的安全性和可靠性。但受到设备的规模、结构的高大新颖、运动形式的多自由度耦合、关键零部件或子系统不可拆卸性等诸多限制，检验人员难以对该类设备某些难以达到区域的易磨损、锈蚀等关键零部件进行检验检测，加之现行有关的标准及规范有待进一步修订、完善，[2]则存在的未检盲区会给设备运行遗留下潜在的安全隐患。通常意义上的检验是使设备处于停机状态，用相关专业仪器仅能够对易于拆卸关键零部件及有关子系统的静态性能参数进行检测，而无法实现对设备在运行中表现出某些变化的性能特征参数（如电机的温升等）进行检测。

笔者曾对我市某B级飞行塔类游乐设备“高空飞翔”（见图3）在监督检验和定期检验中存在诸多问题进行深入地分析和探讨，这里仅对该设备某些结构现场检验中存在其他问题进行论述，其主要性能参数及其他有关问题见文献[2]。该设备主体结构为三个钢桁架塔节次第累叠，配重侧和乘人座舱侧通过最顶端钢桁架塔节四个固定的定滑轮分别吊挂在钢丝绳的两端，实现配重侧和座舱侧此升彼降的运动形式。累加起来的钢桁架塔节是在设备安装完成后不可拆卸的，运行高度为29.5m，设备高度高达40m，那么塔节间的结构件间（如塔身弦杆、腹杆）焊缝由于服役环境靠近水源是否易于出现脱漆、锈蚀、裂纹等现象，顶端桁架端面反绳定滑轮及其支撑轴及轴承类关键零件是否会出现过度磨损、润滑不良导致异常发热等现象（虽然该轴按无限寿命设计，但恶劣的服役环境及复杂运行工况等存在导致其失效的可能性），沿着塔节桁架布置的电气部件（如顶端限位开关）是否存在破损，等等。常规检验只能通过检验人员采取安全保护措施攀爬到高处使用有关仪器对设备结构件进行检查，由于活动空间的限制会导致高空作业检验效率低、危险性大等缺点。

针对诸如此类的问题，应该研究新的验检测技术手段作为解决方案。无人机通过搭载相关检测任务荷载系统提供了一个很好的手段，通过搭载高像素专业拍照采集系统（如高清照相机、高清摄像机等）及有关热成像设备等，利用无人机能够在任意高空位置指定区域悬停观测特点，对设备可能存在病害的关键零部件进行拍摄、探测，传输到地面端站数据处理显示平台，检验人员通过该平台或者借助专业图像数据处理软件对该部位进行分析。

针对塔顶关键的轴、轴承类等零部件、液压传动系统、高处的电动机及有关的电气部件等，根据它们在运行过程中出现的发热、摩擦磨损变形、疲劳断裂等物理特征，从而可直接或间接的导致这些部件温度较背景温度会发生明显变化。利用无人机搭载红外热成像仪能够接收设备运行中的红外辐射能量，从而可以动态的获取这些部位的表面温度分布信息，初步判断它们否存在异常状态或故障点，就可以对设备的安全运行状态进行评估。如在液压系统的能量转换和传递过程中，缸体与活塞之间的机械摩擦、压力损失等都会产生热量，导致油液粘度，引起液压油温度异常上升，通过温度分布疏密程度可判断可能存在病害位置。通过搭载高分辨率CCD相机或其他图像采集器材可检查高处塔节桁架弦杆、腹桿是否严重变形，杆间的焊缝是够存在宏观裂纹，螺栓及开口销是否缺失，等等。

此外，利用无人机搭载摄像监控系统还可以从高空对景区客流流量、客流密度等进行实时监测和全局巡查。一旦发生紧急危险情况，可以为使用单位处置应急事故、救援、疏散客流量等工作提供及时有效信息，为事故应急救援有效实施和辅助事故调查提供有力技术支撑。

3 无人机机载检测技术与传统检测手段优缺点的比较

根据《游乐设施安全技术监察规程（试行）》、[8]《DB33T 834-2011 起重机械维护保养管理规范》，[9]使用单位需要对设备进行常态化检查和维护保养（如日、周、月、年周期性检查和维护保养）以及法定的监督检验与定期检验。这些常规性的检验检测、检查与维修是在设备停机状态下进行的，借助有关检验检测仪器对各子系统、零部件等进行测试。在涉及项目检验检测完成后再单独进行运行试验，显然无法观测到设备在运行状态时动态性能。下表列举比较传统检验检测手段与无人机机载检测技术优缺点。

4 建议与前景展望

笔者通过文献检索与阅读，对无人机及其有关检测技术在特种设备领域的应用给出如下建议与展望。

1）无人机及其相关技术在特种设备检验检测领域应用及研究鲜见报导，针对大型结构型式特种设备检验检测过程存在的难题，应借鉴其他行业新的检测技术手段（如本文借鉴无人机机载检测技术在电力、桥梁等上的应用），并开展面向检验检测实际的研究工作。

2）针对高大结构的特种设备，应根据随机资料、设计审查报告等明确该类设备检验检测过程存在的盲区和难题，进一步开展无人机机载任务荷载系统的研究。如通过在设备上合理的布置各种传感器，可以实时测试设备运行过程动态性能参数（加速度、温升、关键受力部件的应力应变等），弥补传统检测手段仅能对静态性能进行检查。此外，物联网技术已在电梯[10]、起重机械[11]等特种设备领域得到广泛应用。经检索，却并未发现其在游乐设施上的应用。应深入研究游乐设施运动特点，分析其关键受力部件，开展物联网在游乐设施方面应用的研究工作。

3）无人机机载检测系统存在一些难题需解决。例如，图2（d）所示的A区域，主梁下盖板出现弯曲变形现象。事实上，由于拍照角度的限制，才会导致“假性弯曲”的现象，应该用图像处理、机器视觉等方面技术来进行消除。此外，游乐设施服役环境大多为户外，光线等背景环境可能对采集数据产生影响，等等。

5 结语

针对传统检验检测手段在高大结构型式特种设备使用上存在的不足，无人机机载检测技术可以很大程度上弥补之。本文旨在介绍了无人机机载检测系统组成及工作原理，探讨了无人机机载检测系统在大型结构的起重机械、游乐设施检验方面的应用，并与传统检测手段比较分析了优缺点。对无人机在特种设备检验检测方面做了有益的尝试，丰富了检验检测技术手段，有助于提高设备运行的安全状况。但囿于无人机及其机载荷载系统等方面的技术发展有待进一步完善，应该结合多种检验检测方法，发挥各自优势，才能够客观全面评估设备安全状况。

参考文献：

[1]林伟明.典型游乐设施复杂工况下风险评估及故障预防研究[D].北京化工大学，2013.

[2]毕陈帅，卞敬，周蕊，等.基于曳引系统的某飞行塔类游乐设施监督检验和定期检验研究[J].中国特种设备安全，2017，33（1）：35-40.

[3]黄涛.小型无人机在公共安全领域的应用前景展望[J].第二届今日财富论坛，2015：416.

[4]张启元.无人机遥感在青藏高原的应用现状及前景探讨[J].青海师范大学学报（自然科学版），2015（4）：68-71.

[5]彭玲丽，黄少旭，张审审，等.浅谈无人机在桥梁检测中的应用与发展[J].交通科技，2015（6）：42-44.

[6]南京市特检院继续推进大型起重机结构无人机载智能视觉检测系统研究[EB/OL].http：//www.njtjy.org.cn/art/2016/10/27/art_2851_471614.html，2016-10-27.

[7]王福绵.2006—2011年起重机械事故统计分析与防范[J].中国特种设备安全，2013，29（2）：49-51.

[8]游乐设施安全技术监察规程（试行）[S].2003.

[9]起重机械维护保养管理规范[S].2011.

[10]张吉祥.基于物联网技术的电梯远程实时监测系统的研究[D].南京林业大学，2013.

[11]徐凯.基于物联网的起重机风险评估系统的研究[D].南京航空航天大学，2013.