基于机器人的电厂泵房无人值守系统应用研究

李峰 王战 范海东 孟瑜炜

（1 浙江浙能技术研究院有限公司，杭州，311121；2 浙江省浙能工业信息工程省级重点企业研究院，杭州，311121）

0 引言

电力工业是国民经济支柱产业。针对我国能源发展和能源结构转型的需求，为更好地提升能源转换效率，促进能源和信息深度融合，构建“智能发电、智慧电厂”作为发电企业提升管理、提升市场竞争优势的创新变革举措，既是信息化和工业化深度融合的成果，而且对于实施供给侧改革、创新驱动发展战略也有着重要意义。

随着国民经济的快速发展、发电厂规模日益扩大，人力用工成本日益上涨以及人力资源日益紧缺，传统的电厂运行维护工作亟待通过技术手段实现减员增效，而机器人、云平台、大数据、工业物联网、人工智能等智能化技术的快速发展为电厂无人值守系统的研究和应用提供了有利条件。

近年来，机器人技术快速发展，智能机器人正逐步获得更多的感知与决策认知能力，变得更加灵活、灵巧与通用，开始具有更强的环境适应能力和自主能力，能够适配于更加复杂多变的应用场景，并真正走向实用。循环水泵是发电厂重要设备，其运行可靠性对电厂生产具有重要作用，通过构建基于机器人的智能系统，火电厂可以摆脱循泵房对传统人工检查的依赖，对设备运行情况及环境状态实现现场数据智能采集、移动监视、远程监控、智能分析，以及多模式人机交互，实现火电厂泵房的无人化值守。

1 循环水泵房无人值守业务需求

1.1 循环水泵房工作情况

某火力发电厂两台1000MW 发电机组循环水系统设置一间循泵房，内部配置循泵、旋转滤网及冲洗水系统、循泵冷却水及润滑水系统、原有循泵出口蝶阀及液压油系统、循泵配电室等。循泵房离主厂房距离较远且自动化程度不高，泵房中主要包括几块不同的功能区，设备及仪表分布较为分散，有部分需要监测的设备所在位置环境较为恶劣，人工巡检不易到达，还有部分区域的自动化程度不高，查看运行状况需要复杂的工序。

该电厂逐年推进设备控制系统改造，将传统仪表改造为数据远传，实现了就地控制和DCS（分散控制系统）集控[1-2]；增设了工业视频监视系统，在关键位置设置固定摄像头，实现对环境的局部监测；建设巡点检系统，优化巡检管理方式，实现巡检数据录入数据库。通过以往的自动化改造和信息化建设，该电厂提高了泵房设备运行的可靠性，简化了人工工作强度，但仍然存在大量需要人工监测的区域。目前，电厂的循环水泵房安排专人值守，执行定期巡检抄表、“跑、冒、滴、漏”等环境检查；在循泵设备启停时，仍然需要人工现场运行检查；在遇到隐患时，仍然需要人员现场进行应急处置。

另外，虽然通过改造提升了循泵房管理的手段，但是当前项目建设中自动化技术和信息技术没有有效融合，各项目成果没有形成集中管控示范效应，机器人没有得到应用，电厂对循泵房的监视仍然需要大量的人工干预，无法达到无人值守的应用目标。

具体问题包括3 个方面。

1）人工巡检方式存在着人力成本高、较大人员安全风险问题，而且人工巡检手段单一、巡检数据主观性强、数据管理分散等，无法满足数据全面准确获取和数据有效存储分析等要求。巡点检系统只是有效规范人工巡检过程，录入数据操作仍然很复杂，工作量并没有减少。

2）在环境监控方面，电厂当前只部署有固定摄像头的视频监控系统，由于受到条件限制，存在很大的监控盲区，很难真正满足电厂对环境全方位监测覆盖的要求。

3）传统的电厂升级改造，其工业自动化和信息化建设往往是独立开展的，各个系统之间集成困难，没有与大数据平台结合，运行维护系统的r 作人员往往要同时使用多套系统进行监测分析，分析决策依靠人工经验，进而增加了运行人员的工作压力。

1.2 无人值守循泵房技术要求

随着智能技术的快速发展，智能电厂建设提出了“少人值守、清洁高效、本质安全、智慧决策”的目标。电厂通过以生产服务机器人为主体配合多种智能检测装置，并与设备及信息系统进行集成，运用先进的传感器和测量技术、设备自动化和智能控制技术、大数据分析决策等技术建设循泵房无人值守系统，实现循泵房无人化、智能化运行。

无人值守系统需具备以下几项关键能力。

1）系统融合的统一管控平台。

无人值守系统需要在一套管控平台上实现对循泵房环境及设备运行的全面监测和及时报警。在满足工控系统网络信息安全的要求下，通过一个平台能够实现对机器人的管控，实现机器人作业规划、远程监视和遥控操作；实现与DCS 系统联动，实现现场抄表数据和DCS 系统数据的比对和任务协同；实现与设备管理、运行巡检等系统的融合，实现流程优化、人机协同、智能决策功能。

2）安全可靠的智能设备和机器人系统。

当前，在DCS 系统能够获取就地数据、实现远程控制的情况下，仍然需要巡检人员定期抄表，这是为了对数据进行验证，增加数据的可靠性，对此，替代人工巡检的机器人要求能够对现场仪表进行精准的识别，并和DCS系统数据进行对比判断，以确保机器人识别数据的准确性。再者，生产现场环境复杂，会对机器人造成腐蚀、干扰等损坏，需要在机器人设计时充分考虑材料和结构，机器人软件平台同样需要增加可靠性，减少故障发生。另外，机器人也存在对现场造成破坏的风险，需要在机器人自动导航和路径规划中进行区域限制，严防机器人误动操作。

3）全面的环境识别。

人工现场巡检除了抄表工作外，对环境的感知、对设备“跑、冒、滴、漏”检查，对潜在危险隐患识别分析，这些才是巡检工作的重点。无人值守系统需具备对现场表计的自动识别与数据统计功能，对现场环境温度、湿度、烟雾等环境信息的监测功能，对设备运转噪音、渗漏等异常的状态监测功能，需具备对现场作业人员和异常闯入对象的识别功能；机器人对外部环境有检测和感觉功能、对本体健康状况监测和位置定位等功能，通过传感器进行测量、识别，判断作业条件的变化等。

4）精准的执行控制。

在应急响应、设备启停和设备检修时，就地设备仍然有需要人工介入操作的情况，无人值守系统需具备处理简单的就地操作程序。当需要操作员执行时，无人巡检系统也能够协助操作人员进行操作过程检查、对作业人员进行安全监督等功能；当需要对指定设备进行巡检和操作时，现场机器人也能够精准地到达指定位置，执行指定任务。

5）智能的大数据分析。

为解决以往巡检数据未得到充分利用的情况，无人值守系统需要将数据接入大数据平台，通过深度学习算法的应用，提升图像识别的适应性和准确性；通过多维度的数据关联分析和数据挖掘等技术，结合专家系统等管理工具，进行辅助决策与判断，从而提升运维管理水平。

6）安全的网络通信。

电厂的生产区域有严格的安全防护要求。机器人终端与云平台的数据指令交互、与DCS 系统的数据集成都需要考虑数据传输和通信安全。网络通信的安全防护不仅事关机器人操作的安全性，还有可能对电厂生产大区网络带来安全隐患。网络通信影响机器人遥操作安全的因素主要是数据传输的延时、数据传输的丢包、数据传输的乱序，任何环节出现问题都会给遥操作的安全构成威胁，使机器人遥操作系统无法完成操作任务或者出现危险性的执行后果。

2 无人值守系统体系架构和关键技术

为了满足无人值守循泵房技术要求，该系统需要建设采用三维实景AR 平台，以沉浸式手段再现电厂循泵房场景，现场机器人实现无人循泵房全面自动的巡视，系统具有智能化的远程操控，可对循泵房的设备及其他设施进行安全管控，及时实现对生产过程中出现异常问题的发现、分析及判断。系统满足了电厂“以设备为核心”的管理需求，实现了对设备全方位、多维度、一体式的操控模式。

2.1 云—边—端体系架构

该系统基于云—边—端融合的系统体系架构，现场端设备以机器人为主体，辅以智能传感器，运用人工智能及物联网技术，构建提供多样化服务的无人值守系统。机器人是可移动的智能终端，搭载多种智能传感装置和执行器，提供全方位的现场状态感知和精准执行；而云端则是整个系统的大脑，提供性能优异的技术、存储和应用服务，提供无人值守系统的管理功能；在泵房设置边缘计算装置，可以解决机器人终端能力受限和云端计算的实时响应的问题，增强机器人智能水平。

通过云端的管控平台，该系统可以实现多个机器人及智能传感器的监测和控制，通过云端系统汇集所有现场的视觉、语音和环境信息，接入工控系统数据，经过云端大脑智能分析处理，达到与机器人的协同合作和对数据的决策分析能力；根据服务要求无缝地在终端计算（机器人本体）、边缘计算和云计算之间分布和协同，以达到性能最优的实时安全计算；无人值守系统还可提供在云端管控平台上开发各种功能的应用，为系统提供功能拓展。

图1 无人值守系统云—边—端体系架构

2.2 云端智能管控平台

为了让机器人具备智能感知、人机协作功能，并同时最大限度地保障机器人的运行安全，故需要构建云端管控平台，云端智能管控平台通过大规模计算力来构建机器人的大脑中枢系统，通过深度学习、强化学习等人工智能技术，通过信息物理系统的智能融合，以及多模态智能交互，来训练提升机器人的智能。

云端智能管控平台包括机器人综合智能平台、设备实时监测和预警系统、机器人巡检任务和管控系统、虚拟现实监测和机器人遥操作平台等内容。

2.2.1 机器人综合智能平台

机器人综合智能平台包括机器学习、机器视觉、自然语言处理的大数据分析和机器人运动智能、行为智能等功能，以实现终端机器人多模态感知融合、自适应交互的能力。

2.2.2 设备实时监测和预警系统

该子系统收集终端机器人和智能传感装置上传的现场环境和仪表数据，在云端大数据平台保存和分析，以实现对循泵房环境和设备的实时监测和故障预警分析，并且打通设备管理系统，实现设备缺陷管理和工作票执行的工作流管理。

2.2.3 机器人巡检任务管控系统

该子系统通过对机器人等智能终端进行云端管控，对机器人电池电量进行能量管理，对设备固件进行健康管理，对机器人巡检路线进行规划和优化，根据设备及表计重要性，自动根据巡检结果调整其他巡检任务，自动调整设备的巡检频率，并且每次巡检能够生成巡检报表。

2.2.4 机器人遥操作平台

该平台远程监测机器人，需要人机交互自然和便捷的使用环境。通过三维可视化建模，循泵房在系统上体现出真实的数字孪生空间，保证虚拟模型上能够及时清晰地显示循泵房实时数据，循泵房中各设备位置、建筑物、以及各区域划分等，使得操作人员可在人机交互界面直接查看，同时还可直接查看巡检机器人所在位置、巡检路况及周围环境等信息。通过专用的AR 设备，建立快捷的人机互动机制，操作人员能达到身临其境的真实感觉，实时监测电厂内设备的工作状态，在需要远程遥控操作的时候能够更好地控制机器人。

2.3 终端机器人及智能传感装置

为实现对现场环境的全面感知和精准执行，整个系统需要根据现场的特点，从成本和监控要求的角度考虑合理布置机器人和智能传感装置。对于机器人不易到达及实时监测要求高的关键位置，设置固定或可局部移动的智能传感装置；对于只需定期巡视的位置，设置终端机器人，并且设置合适的巡检周期，以实现对整体环境和仪表的监测；在需要就地执行功能的地方，笔者考虑进行现场控制系统改造升级以及开展机器人辅助操作研究，机器人的应用要考虑现场应急响应的要求，机器人具备一定的故障定位、应急救援以及报警能力。

智能巡检机器人整合机器人技术、设备非接触检测技术、多传感器融合技术、模式识别技术、导航定位技术以及物联网技术等，能够实现电厂循泵房全天候、全方位、全自主智能巡检和监控，有效降低劳动工人强度，降低电厂运维成本，提高正常巡检作业和管理的自动化和智能化水平，同时，机器人为智能电厂和无人值守电厂提供创新型的技术检测手段和全方位的安全保障，可以更快推进循泵房无人值守的研发进程。机器人需具备以下功能条件。

图2 机器人硬件架构

2.3.1 机器人结构设计

机器人采用柔性、模块化、轻量化设计，还需要根据现场环境进行本体安全设计。机器人需具备定位系统自诊断技术、自主导航技术、超声停障技术、安全碰撞开关等功能，以保障机器人运行时安全，机器人也应避免环境对其造成损坏，时同要避免机器人对现场设备和人员造成损害。

2.3.2 机器人自主移动模块

该部分主要分为驱动控制与定位导航两个功能模块。驱动控制根据现场条件和机器人的工作空间，按照运动形式，可分为轮式机构、履带式机构、腿式机构、组合式机构以及其他运动形式，实现机器人移动和转向。定位导航在技术上具备环境感知和自主导航功能，通过激光雷达等各类环境传感器获取机器人周边的环境信息，并对获取的数据进行分类、目标识别、静/动态障碍物检测等，机器人在遇到障碍物变化时，需要具备避障检测功能，具备实施规划路径和避障策略设置功能。

2.3.3 多传感器智能感知模块

在机器人本体上，选配可见光摄像机、红外热像仪和声音采集等检测设备，机器人能将所采集的视频和声音上传至云端智能平台供训练分析用。机器人配备的可见光摄像机能对设备外观、开关分合状态及仪表指示等进行采集，并将视频实时上传；配备在线式红外热成像仪能对设备工作温度进行监测和采集，监测跑、冒、滴、漏等各类安全隐患，并能将红外视频及温度数据实时传输；机器人配备拾音器能够对设备噪音进行采集和远传，并可与标准音频进行智能比较，输出比较曲线，辅助集控人员判断相关设备工作状态；设置必要的麦克风和音响，在应急处置时具备与现场人员和集控人员交互的功能。

2.3.4 机器人智能控制及遥操作

机器人可根据自主感知计算分析控制机械臂的操作，也可以由远端进行操作规划以及遥控操作执行，在辅助操作人员时，具有人机协助功能。

机器人主要包括机械臂、视觉伺服以及其对应的驱动控制电路。当控制模块通过无线网卡接受到远端控制发送的控制命令后，驱动控制电路根据控制命令要求，相应地驱动机械臂各关节部位转动，使机械臂的空间位姿达到控制要求，同时利用视觉伺服系统获取环境背景信息，辅助控制调整机械臂的位姿及操作方式，提升机器人遥操作可靠性及准确性

2.3.5 机器人能源管理

该模块通过高效能源技术、节能控制技术、能源补给技术和能源利用技术，实现持续可靠的机器人能源供应，保障机器人长期有效运行。

2.3.6 机器人通信

机器人工作方式灵活，运动自由，因此适合采用无线通信的方式接入整体通信网络。机器人通信模块要具备多种无线接入方式，具备接收与发送无线信号的能力，能够及时准确地传递数据，以保证系统的快速平稳。

2.4 系统通信网络

系统通信网络完成云端管控平台、边缘计算网关和终端机器人之间的双向数据传输，包括来自机器人的实时视频图像、智能传感器数据、机器人巡检状态和由云端管控平台发出的各种命令和视频遥控操作等，要求具有带宽高、距离远、抗干扰能力强等特点，特别是运用遥操作和虚拟现实监测功能更要求通信网络高可靠、低时延。5G 通信网络的部署很好地解决了该应用的需求，运用URLLC 业务可满足对时延和可靠性要求非常高的机器人的运动控制和远程操控。另一方面，部署高带宽的5G 网络，也可以降低机器人对计算和图像推理能力的要求，对机器人终端计算和控制性能的要求降低，可以满足机器人智能升级和灵活部署的需求。

机器人由于部署在电厂生产区域中，所以机器人自身的网络安全要求极为严格。如采用公网或电厂管理区网络部署，则会对无人值守系统以及电厂网络信息安全带来极大隐患，所以需构建机器人安全专网。在机器人和边缘计算网关以及云端管控平台之间采用安全专网，严格控制和互联网的连接，在边缘计算网关和云端管控平台之间部署防火墙和认证装置，设置严格的准入和认证机制，确保接入的用户进行安全策略部署，确保传递到机器人的指令安全可信任。

3 无人值守系统高级应用

3.1 循泵房数字孪生

循泵房应用三维可视化技术和数据采集集成构建数字孪生体，保证电厂现状信息准确，呈现的内容真实有效，在集控远程监测无人值守厂房时能够带来更好的体验感，使远程值班人员对现场状况的判断更加准确，避免出现偏差信息给日常运维工作带来误导。

数字孪生通过三维激光扫描技术建立电厂三维场景，其设备位置、建筑物、以及各区域划分均可在人机交互界面直接查看，同时还可直接查看巡检机器人所在位置、巡检路况及周围环境信息等。实现机器人巡检结果在设备数字孪生体中的交互式呈现，方便管理者对设备进行统一管理，及时掌握设备变动情况。另外，对接其他智能传感器和信息系统，可实现数字孪生系统和云端管控平台以及电厂生产信息系统、实时视频监控等系统的深度融合，能直接展示3D 场景、动态视频画面、设备运行状态以及设备信息等，对电厂现有应用业务进行多样、直观、生动的一体化展示。

本系统通过将机器人巡检数据和电厂设备管理系统、大数据分析系统的融合，整合现有系统资源，发挥最大功效，实现设备全生命周期、生产运行全过程的数字孪生展示。

3.2 机器人精准环境识别监测

本巡检机器人系统，搭载了红外热像仪及高清摄像机，采用激光制导及视觉识别技术，定时自动从充电点出发，按照设定的路线行走；能实时自动监测运行设备工作状态，在各个监控点采集表计读数、设备表面温度，将监测数据实时处理分析后反馈至云端管控平台，按预先设定的预警值发出报警信号通知运行人员，提高运行人员对设备缺陷识别的准确性和及时性；同时，能对机器人自身状态进行实时监测和反馈，实现机器人安全可靠运行。

传统采用固定位置状态监测的方法依赖于云台装置和机器人的预置位参数和转角参数，被监控目标位置确定的精度取决于云台装置的转角精度及机器人的定位精度，所以，传统方式获得设备工作温度与设备真正工作温度将存在较大的偏差，从而产生异常测温信息。本系统通过运用人工智能技术，对不同位置采集的红外热成像图片进行半自动空间匹配对准，合成一幅包含各图像序列信息的宽视角场景的、完整的、高清晰的红外全景图像，再通过人工标注设备信息进行计算形成的设备样本数据后，在巡检过程中可实现设备的精确位置及工作温度采集；运用数据分析，更可对异常的温度实现自动识别和报警；同样的方法也可以运用到声纹识别；通过对机器人采集的数据进行人工智能大数据分析，可以全面准确地实现无人值守循泵房的精准环境识别。

3.3 循泵房设备监测预警及故障诊断

本系统运用机器人巡检采集的数据，比对工业控制系统采集的表计数据，引入设备知识图谱和故障诊断库，通过大数据分析系统和专家诊断系统，运用多模态学习算法解决高维状态空间里的自学习评估问题，对循泵房设备进行状态监测和故障诊断；将设备健康工况下的标杆状态和异常状态下的故障信息建立模型，机器人在进行巡检时，实时将采集的信息与标杆状态进行比较，当发现异常时及时报警并进行故障诊断，并指导操作人员应急处置。

3.4 虚拟现实监测和遥控操作

本系统通过循泵房数字孪生的建立，在包含实时信息、三维静态图像以及机器人动作完全仿真的虚拟空间中，一切元素按照一定的规则与集控操作人员进行交互，虚拟空间既可独立于真实世界之外（使用VR 技术），也可叠加在真实世界之上（使用AR 技术），甚至与真实世界融为一体（使用MR 技术）；通过虚拟现实技术增强现场体验感，可使得远程值班人员更好监测现场情况，当需要远程遥控操作机器人时，也能够更方便地进行控制。当前终端AR、VR 设备的普及，数据传输带宽的增强都为虚拟现实监测带来了可行性。

4 结语

随着人工智能技术及5G 技术的发展应用，机器人替代人工实现无人值守已成为智能电厂发展的必然趋势，机器人将成为未来智能电厂中不可或缺的角色。本系统应用实现无人值守循泵房需要以机器人为基础，辅以各种智能技术的运用，通过云—边—端架构实现机器人的智能监测、精准执行和云端平台统一管控、数据分析，通过提高系统的可靠性和安全性，最终实现智能电厂无人值守循泵房。