浅谈机器人在国内火电厂的应用研究

陈家颖，章伟杰，张 强，郭 荣

（上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 201100）

0 引言

2018年中国的火电发电装机容量位114367万千瓦，比2017年增长了3.50%，占总发电装机容量的60.20%[1]。火电是国内电力生产的主体，火电厂高效稳定运转是国内经济民生的重要保障。近年来经济发展对电力需求不断增大，火电规模的随之扩大，对火电机组运行的安全性和稳定性的要求更加严格。从国家高技术研究发展计划（863计划）、国家重点研发计划到《新一代人工智能发展规划》等国家战略规划中，机器人技术始终得到充分的肯定和重视，是未来高新产业发展的重要基石。

机器人具有出色的环境感知能力和精确的控制能力，能代替人类执行危险复杂的任务，使其能在众多的领域得到应用。火电厂机器人以移动机器人为主，根据应用场景其又可分为检测机器人、操作机器人和维修机器人3种[2]。检测机器人通过对开关柜、辅机设备和管道的巡查测量，收集温度、振动及气液泄漏数据。操作机器人主要涉及代替人开展开关柜带电操动开关、灰库清灰等高危作业。维修机器人的应用，包括对水冷壁管道裂纹的检测、尾部烟道的磨损分析及灰渣铁锈的清洁处理等。

本文针对近年来移动机器人技术的一些主要研究进展进行介绍，并分析国内火电厂机器人技术研究现状，梳理分析火电厂机器人应用中的关键技术，以及未来的发展趋势。

1 移动机器人技术的发展情况

“移动”是区分移动机器人与其他类型机器人的重要特征，它要求机器人具备移动能力，包括遥控操纵或者自主移动，具备环境感知能力和环境适应性。移动机器人可以分为轮式、履带式、腿足式、仿人形、水下和飞行机器人等。世界第一台移动机器人Shakey诞生于1972年，它依靠电子摄像机、三角测距仪及碰撞传感器等进行环境感知，通过无线通信由两台计算机控制及规划行动路径[3]。1988年，由Smith、Self和Cheeseman提出SLAM[4]（Simultaneous Localization and Mapping）, 即同步定位与建图，利用摄像头等传感器实时更新本体坐标和根据周围环境特征建图，使机器人在未知环境中实现自主定位和导航。1997年，探测机器人Sojourner Rover登录火星，由于缺乏自我定位条件，它只能依靠科学家的远程操纵在着陆器附近进行小范围探索[5]。2000年，本田公司开发的人形机器人ASIMO身高1.3m，体重48kg，可以通过提前改变重心完成许多复杂灵活的动作，依靠足迹规划器进行避障导航[6]。2012年6月，中国船舶科学研究中心自主研发的作业型深海潜水器“蛟龙号”，长、宽、高分别是8.2m、3.0m与3.4m，最大荷载是240kg，最大速度为25 n mile/h，在海试中破纪录的下潜至7062.68m，并进行了水下的探测作业。2020年，波士顿动力公司的机器人Spot在海上油井服役[7]，它能以1.6m/s,运行90min，搭载立体摄像机，具有360°的视野，轻松完成避障，可以有效载重14kg，搭配定制传感器或者机械臂，用于完成读取仪表，检测气体泄漏等工作。

2 国内火电厂机器人技术应用现状

一方面，火电厂的设备具有连续运转时间长，安全可靠性要求高的特点，因此需要对大量设备的运行状态进行定时定点检测，需要投入大量的人员和检测设备进行日常的点巡检工作，而一台搭载着多样检测仪器，能实现测温、识别开关状态、读取仪表示数及自动充电的智能巡检机器人，不但能代替人类完成点巡检工作，而且还能降低巡检风险；另一方面，由于经济性的原因，火电厂现在实行的是定期检修，检修时间短，通常一个小修周期仅10～15天，这对设备检测的准确性和快速性有很高的要求。以锅炉水冷壁检测为例，从停炉冷却到环境温度降至能够允许人员进入就需要2～3天，还需要搭建脚手架，由检修人员相互配合，手持检测仪器对每根管子进行检测标记，而利用水冷壁检测机器人[8]不但能减少人员投入，提高检测的准确性，还能缩短检测时间，降低检测人员操作安全风险。

张燕东[9]等人研制的智能巡检机器人集成了跑冒滴漏检测、声音泄漏检测、激光测振及拾音等功能，在电厂中示范应用，达到预期效果，在专家系统、立体巡检方面还可以进一步优化，以满足无人巡检的要求。陈建忠[10]等人研制的输煤廊道巡检机器人采用分体式结构，链条形构型，根据编码器和RFID定位，可以测量温度、声音和振动，通过图像识别技术辨别开关柜状态、皮带跑偏和漏煤，能够有效预防皮带跑偏、廊道火灾等事故发生，解决了输煤廊道难以实时监测，监管不足的问题，提高了设备运转的安全性。张学剑等人[11]设计的流化床锅炉水冷壁壁厚检测的永磁吸附式爬壁检测机器人，优化了永磁吸附结构，提高了机器人的负重能力，能够搭载更多检测设备，提高检测效率。姬鄂豫[12]等人将WSD清洗机器人用于600MW机组的凝汽器清洗，采用智能化控制，用高压水清理凝汽器内壁和管口，相比传统的胶球清洗和优化反冲洗方式，不仅节约了成本，而且操作简单，耗时短，清洗效果良好，提高了凝汽器的清洗效率。吴小辉[13]研发了一种发电机在线检测机器人系统，能够在不抽转子的情况下实现发电机的可视化检测、定子槽楔松动和定子铁心电磁缺陷检测，完成发电机定子关键部件的劣化评估，降低抽转子造成的设备损毁风险，提高检测效率。严祯荣等人[14]针对螺旋管圈水冷壁鳍片焊缝裂纹的产生特性，开发了一种专用微型超声波检测探头和超声波检测仪器，在狭小的检测面积上实现了双面鳍片焊缝缺陷检测，能够方便、有效地应用到超超临界锅炉螺旋管圈水冷壁检修环节。

3 火电厂机器人关键技术

3.1 移动平台

火电厂机器人主要分为轨道式、轮式和履带式。轨道式机器人可以搭载湿度、温度、深度摄像头等传感器，在固定的轨道上运行，轨道可以贴近地面也可以安装在吊顶，检测范围限于轨道周围。机器人在轨道上运行不必担心偏离既定路线且定位更加容易[15]，在电厂中可以用于输煤廊道和狭长管道的监测。为实现更大的检测范围和实现更好的检测效果，需要重点关注轨道的布局、机器人的供电方式[16]、爬坡和弯道处的速度控制以及在需要穿越密闭空间时应在穿越处因加装控制门等。轮式机器人具有运行平稳，移动灵活的特点，爬坡和越障能力一般，可以搭载多种类型的传感器和机械臂，主要用于生产区的巡逻检测，利用自主无线充电[17]可以保障机器人的续航能力，提高设备安全性和有利于实现机器人的无人化巡检。履带式机器人具有较强的爬坡和越障能力，配合磁吸附技术[18]，可以轻松在竖直壁面上运动，适用于管道和竖直壁面的检测清理，但这种结构自重较大，对其载重能力一般，搭载设备尽量轻便化，对不同的传感器的接入方式重点研究，以实现多样化的检测功能。

3.2 自主导航

火电厂机器人主要用于代替人进行巡检或者检修，通常没有人为引导，故需要较高的定位精度和稳定的自主导航能力。机器人的工作环境大多处于封闭昏暗，遮挡较多，无法依靠单一的GPS技术或者RFID技术进行精确定位和自主导航，需要采用多传感器融合技术。王消为[19]提出一种双目视觉与激光雷达信息融合的组合导航方法，充分利用来自不同传感器的数据信息提供的冗余信息，以提高移动机器人环境特征定位的精确性和特征识别的可靠性，建立包含世界坐标系的路标数据库，并获得全局环境下的特征地图进而实现移动机器人的自主导航。冯刘中[20]基于信息融合理论和机器人导航定位基本原理，将地图构建与地图匹配作为导航定位信息融合的一部分,将环境特征提取作为局部绝对定位的一种信息来源，融入到多传感器融合算法中，为基于多传感器信息融合的导航定位提供了一种新的方法和途径。

3.3 检测技术

检测技术是机器人实现其功能的核心。火电厂机器人主要的检测需求包括仪表表盘示数读取、开关状态识别、气液泄漏辨别和管壁检测等。仪表表盘数据包括对指针型[21]、刻度型和和电子示数型等仪表的读数，利用图像识别和深度学习算法进行读取，需要注意消除光线干扰和指针抖动的影响，保证读数准确。开关状态识别类型根据开关种类可以分为颜色辨别、旋钮角度识别和开关上下位置识别。由于开关柜内的开关分布密集、数量众多，标识编号相似，在开关的状态识别之前首先要保证开关位置和标识准确识别[22]。气体泄漏检测可以利用气体检测装置，如用金属氧化物传感器检测氢气泄漏[23]和红外成像技术等进行检测[24]。液体泄漏可以分为渗漏、滴漏和线漏等，滴漏和线漏等较明显的泄漏可以采用可重复利用的液体传感器进行检测[9]，但是当设备出现滴漏甚至线漏现象时，设备的安全性已经大大降低。渗漏表现不明显，渗漏检测是防患于未然的关键，目前还没有有效简便的检测方法，应当是未来研究的重点方向。锅炉炉膛管壁检测可以采用超声波和涡流等技术，对管壁进行无损检测[25]。超声波检测的应用范围广，包括管材、焊接缝和复合材料等，适宜检验厚度较大的工件，容易受探头扫查区域的平整度和粗糙度影响，需要在表面涂抹耦合剂才能获得更精确的检测精度，无法对严重腐蚀的表面进行检测，利用超声成像技术可以克服其缺陷显示不直观、难以判断的缺点[26]。涡流检测是根据导体在交变磁场中产生的感应电流的变化来判断导体状态和性质，检测范围大，采用多通道的探头可以缩短检测时间[27]。远场涡流对管道的周向裂纹具有很好的检测能力，轴向裂纹检测能力一般[28]，通过采用马鞍形的外置式探头可以显著提高锅炉炉管检测覆盖率和效率[8]。

3.4 多机器人联合管理平台

随着机器人技术在火电厂的深层应用，会有更多的功能类型的机器人参与到火电厂的各项工作中，多机器人协同作业不仅能够应对复杂多变的应用场景，同时也能高效整合已有资源，充分发挥各类机器人的优势，降低开发成本，缩短从研发到应用的时间。为了确保各个机器人之间能够准确有序地完成各自分工，需要建立一个统一的多机器人联合管理平台。将所有机器人用一个统计的平台进行管理和数据交互，使参与到同一任务的机器人采用完全集中的运动规划，即由一个集中的规划器来规划所有机器人的运动[29]，使它们之间的运动不会相互干扰。张特[30]从无人机自身位姿估计、稠密制图、基于地面机器人领航的协同控制和旋翼机与地面机器人间的数据通信这4个方面，对轻小型旋翼无人机与地面机器人（UGV）在无卫星导航信号条件下的自主协同运动进行研究，取得良好的实验效果。同时，建立多机器人联合管理平台可以整合来自各个机器人的检测数据、自身的运行状态，方便对各个机器人进行实时监测和管理。统一的管理平台需要建立规范的数据接口体系并保障机器人与平台、机器人与机器人之间的数据通信畅通高效，确保来自不同制造厂商的机器人、不同类型的检测设备的数据能够被准确识别、接收和传达。

4 结束语

对移动机器人技术的发展情况进行介绍，对国内火电厂机器人技术的现状进行研究，并对火电站机器人的关键技术从移动平台、自主导航、检测技术和多机器人联合管理平台4个方面进行梳理分析。机器人已经在火电厂的智能巡点检，机、炉、电、辅、环关键主辅机设备重要部件的劣化评估、预测性维护等方面得到应用，并获得良好的效果，未来它在电厂将有更多的应用场景，对其结构设计、环境感知及检测技术会有更高的要求，要充分掌握功能需求和应用环境，选择合适的移动平台和仪器仪表传感器技术，可以在原有的机器人上扩展新的功能，采用多机器人协作的方式实现新的应用需求。