王金釗 畢陳帥

摘 要：為解決傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測手段在高大結(jié)構(gòu)型式特種設(shè)備應(yīng)用上的局限性，本文在借鑒無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)在電力巡查、橋梁檢測等方面應(yīng)用基礎(chǔ)上，介紹了無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)組成及工作原理，探討了無人機(jī)機(jī)載檢測技術(shù)在起重機(jī)械、大型游樂設(shè)施檢驗(yàn)檢測中的應(yīng)用前景。最后比較分析了兩種檢驗(yàn)檢測手段的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對無人機(jī)機(jī)載檢測技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測上的應(yīng)用提出若干建議。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);機(jī)載檢測系統(tǒng);大型結(jié)構(gòu)特種設(shè)備;應(yīng)用前景;優(yōu)缺點(diǎn)比較

近年來，國內(nèi)外游樂設(shè)施朝著大型化、高參數(shù)、強(qiáng)刺激、新穎性等方向發(fā)展，如由荷蘭公司投資的世界第一高的208米觀覽車己在建設(shè)過程中，[1]某飛行塔類游樂設(shè)施創(chuàng)新性的引入電梯上的曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為其動(dòng)力裝置，[2]等等。隨著大量結(jié)構(gòu)高大新奇及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式的游樂設(shè)施的不斷涌現(xiàn)以及龐大結(jié)構(gòu)型式的起重機(jī)械在生產(chǎn)生活中廣泛使用，傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測方法、手段已無法滿足對該類新型設(shè)備安全性、可靠性及穩(wěn)定性進(jìn)行檢測及試驗(yàn)驗(yàn)證，亟需對新的檢驗(yàn)檢測方法、技術(shù)和手段開展相關(guān)技術(shù)研究工作，以便彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測技術(shù)的不足。

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種利用無線電遙控設(shè)備和自攜帶的程序控制裝置來操縱的無人駕駛的航空器，機(jī)上安裝有自動(dòng)駕駛儀、飛行程序控制裝置等軟硬件設(shè)備。[3]其中，民用無人機(jī)搭載有效任務(wù)載荷（如各類傳感器、攝像機(jī)、高清照相機(jī)等）能夠有效的實(shí)現(xiàn)對高處各種目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行，這是傳統(tǒng)手段所無法比擬的。目前，已有研究人員對無人機(jī)有關(guān)技術(shù)展開了相關(guān)研究工作。張啟元在介紹無人機(jī)、無人機(jī)遙感以及無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)上，探討了無人機(jī)遙感在高原基礎(chǔ)測繪更新、國土資源調(diào)查與城市管理、災(zāi)害應(yīng)急與救援、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公共安全、電力巡線及電力工程等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。[4]彭玲麗等針對橋梁常規(guī)檢測手段檢測手段中存在的缺陷，以無人機(jī)檢測四渡河大橋?yàn)閷?shí)踐案例，探討了無人機(jī)及其檢測系統(tǒng)在大型桁架結(jié)構(gòu)橋梁檢測中的應(yīng)用，對比分析了其與傳統(tǒng)檢測手段優(yōu)缺點(diǎn)。[5]經(jīng)文獻(xiàn)檢索，對無人機(jī)及其相關(guān)技術(shù)在特種設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用鮮有報(bào)道，以特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測為實(shí)踐出發(fā)點(diǎn)開展的相關(guān)研究工作則更少，僅南京市特檢院基于無人機(jī)載視覺檢測系統(tǒng)對大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)開展相關(guān)研究工作。[6]有必要對無人機(jī)機(jī)載有關(guān)檢測裝置在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域開展研究工作，作為傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測手段的有益補(bǔ)充，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

基于此，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測手段在高大結(jié)構(gòu)型式特種設(shè)備上應(yīng)用的不足，介紹了無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)組成及工作原理，探討了無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)在起重機(jī)械、大型游樂設(shè)施檢驗(yàn)方面的應(yīng)用前景。本文還比較分析了兩種檢測手段的優(yōu)缺點(diǎn)，并對無人機(jī)機(jī)載檢測技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測應(yīng)用上的給出幾點(diǎn)建議。

1 無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

事實(shí)上，單純的依靠無人機(jī)本身是不能完成任何任務(wù)的，它需要一套嚴(yán)密的控制系統(tǒng)和任務(wù)荷載系統(tǒng)等與之相配合。所謂的無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)，是一種以無人機(jī)機(jī)身為載體，根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)的不同搭載相應(yīng)的任務(wù)荷載系統(tǒng)（各類傳感器、圖像采集設(shè)備等）來實(shí)時(shí)的獲取被執(zhí)行任務(wù)對象的相關(guān)信息（針對本文涉及的高大結(jié)構(gòu)型式特種設(shè)備來說，如大型游樂設(shè)施鋼桁架結(jié)構(gòu)的變形、螺栓的銹蝕及缺失、焊縫的開裂及腐蝕等）并回傳給地面站端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以供進(jìn)一步的處理。該系統(tǒng)主要由無人機(jī)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面端站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)及其他輔助裝置組成，見圖1所示。無人機(jī)的作用是為任務(wù)荷載系統(tǒng)提供一個(gè)搭載平臺(tái)，相應(yīng)的任務(wù)荷載系統(tǒng)能夠獲取被檢測對象的有關(guān)信息或數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)則是把所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娑苏拘畔⑻幚硐到y(tǒng)。地面端站信息處理系統(tǒng)、遙控設(shè)備及其他輔助裝置可以對無人機(jī)飛行姿態(tài)、懸停位置等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，對被檢測對象可能存在的病害進(jìn)行識(shí)別和分析。

該系統(tǒng)工作原理為：利用無人機(jī)能夠在任意高處懸停的特點(diǎn)，借助搭載的任務(wù)荷載系統(tǒng)，地面端站檢測人員通過地面遙控系統(tǒng)操控搭載有不同任務(wù)荷載系統(tǒng)的無人機(jī)，飛抵被觀察對象相關(guān)區(qū)域?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)，通過機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)蕉苏拘畔⑻幚硐到y(tǒng)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在處理終端顯示出來和出具檢測報(bào)告。

2 無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)在特種設(shè)備上的應(yīng)用舉例

2.1 在起重機(jī)械檢驗(yàn)上的應(yīng)用

起重機(jī)械是工業(yè)生產(chǎn)生活中廣泛使用的特種設(shè)備，由于它一般服役于露天的高溫、高壓、粉塵等惡劣環(huán)境，且常規(guī)性的對其關(guān)鍵受力部件進(jìn)行例行檢查及維修屬于高空作業(yè)，其高危險(xiǎn)性極易導(dǎo)致事故頻發(fā)。[7]針對高大型結(jié)構(gòu)的起重機(jī)（如橋式、門式、塔式、門座式起重機(jī)等），由于其結(jié)構(gòu)較高、跨度大等特點(diǎn)，存在某些結(jié)構(gòu)部件（如門式起重機(jī)的主梁下蓋板和支腿上部，門座式起重機(jī)的象鼻梁和人字架頂部，塔式起重機(jī)的塔帽頂端和臂架端部等）是檢驗(yàn)人員難以到達(dá)或及時(shí)到達(dá)也難以靈活的操作常規(guī)儀器開展正常的檢驗(yàn)檢測工作。針對檢驗(yàn)過程中存在諸如上述的檢查盲區(qū)是必須消除的，需要研究新的檢驗(yàn)手段來對這些受力集中的關(guān)鍵部件進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

利用無人機(jī)能夠在任意位置懸停、近距離觀察等特點(diǎn)，搭載高清照相機(jī)、高清攝像機(jī)對檢驗(yàn)人員難以檢測的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行拍照、拍攝，并把采集的圖像等數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼K端數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)，供地面檢驗(yàn)人員觀察、分析位于常規(guī)檢查盲區(qū)的結(jié)構(gòu)部位是否存在病害。圖2（a）為利用無人機(jī)搭載高清相機(jī)對門式起重機(jī)進(jìn)行全面檢查，圖2（b）、（c）、（d）分別為機(jī)載相機(jī)對支腿下部位、支腿與主梁結(jié)合的法蘭部位及主梁下蓋板采集回傳到終端的照片。

通過采集及回傳的數(shù)據(jù)，借助有關(guān)圖像處理軟件對地面端站接收的圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，根據(jù)起重機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對檢測部位進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)圖2分析可知，機(jī)載相機(jī)懸停在指定的關(guān)鍵部位所拍攝照片清晰度能夠達(dá)到肉眼觀察的精度（亞毫米級(jí)，圖b）所示），所拍照部位不存在嚴(yán)重銹蝕、螺栓缺失等病害現(xiàn)象。再結(jié)合傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測方法，對其他項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)，最終判斷該設(shè)備運(yùn)行狀況是否合格。

2.2 在大型游樂設(shè)施檢驗(yàn)上的應(yīng)用

游樂設(shè)施是公園中常見的載人設(shè)備，是特種設(shè)備中的“特種設(shè)備”，其運(yùn)行的安全性直接關(guān)乎乘客生命財(cái)產(chǎn)安全。但由于我國游樂設(shè)施行業(yè)發(fā)展較遲緩，在生產(chǎn)（含設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、修理及維護(hù)保養(yǎng)，下同）使用、監(jiān)管及檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)中仍存在諸多不足，導(dǎo)致事故時(shí)有發(fā)生。[1]目前，我國制定并依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)

范通過對在批量生產(chǎn)前的樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)文件鑒定、型式試驗(yàn)和安裝后的驗(yàn)收檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)及使用單位的日常檢查、維護(hù)保養(yǎng)等多道程序來保證游樂設(shè)施運(yùn)行的安全性和可靠性。但受到設(shè)備的規(guī)模、結(jié)構(gòu)的高大新穎、運(yùn)動(dòng)形式的多自由度耦合、關(guān)鍵零部件或子系統(tǒng)不可拆卸性等諸多限制，檢驗(yàn)人員難以對該類設(shè)備某些難以達(dá)到區(qū)域的易磨損、銹蝕等關(guān)鍵零部件進(jìn)行檢驗(yàn)檢測，加之現(xiàn)行有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有待進(jìn)一步修訂、完善，[2]則存在的未檢盲區(qū)會(huì)給設(shè)備運(yùn)行遺留下潛在的安全隱患。通常意義上的檢驗(yàn)是使設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)，用相關(guān)專業(yè)儀器僅能夠?qū)σ子诓鹦蛾P(guān)鍵零部件及有關(guān)子系統(tǒng)的靜態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行檢測，而無法實(shí)現(xiàn)對設(shè)備在運(yùn)行中表現(xiàn)出某些變化的性能特征參數(shù)（如電機(jī)的溫升等）進(jìn)行檢測。

筆者曾對我市某B級(jí)飛行塔類游樂設(shè)備“高空飛翔”（見圖3）在監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)中存在諸多問題進(jìn)行深入地分析和探討，這里僅對該設(shè)備某些結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢驗(yàn)中存在其他問題進(jìn)行論述，其主要性能參數(shù)及其他有關(guān)問題見文獻(xiàn)[2]。該設(shè)備主體結(jié)構(gòu)為三個(gè)鋼桁架塔節(jié)次第累疊，配重側(cè)和乘人座艙側(cè)通過最頂端鋼桁架塔節(jié)四個(gè)固定的定滑輪分別吊掛在鋼絲繩的兩端，實(shí)現(xiàn)配重側(cè)和座艙側(cè)此升彼降的運(yùn)動(dòng)形式。累加起來的鋼桁架塔節(jié)是在設(shè)備安裝完成后不可拆卸的，運(yùn)行高度為29.5m，設(shè)備高度高達(dá)40m，那么塔節(jié)間的結(jié)構(gòu)件間（如塔身弦桿、腹桿）焊縫由于服役環(huán)境靠近水源是否易于出現(xiàn)脫漆、銹蝕、裂紋等現(xiàn)象，頂端桁架端面反繩定滑輪及其支撐軸及軸承類關(guān)鍵零件是否會(huì)出現(xiàn)過度磨損、潤滑不良導(dǎo)致異常發(fā)熱等現(xiàn)象（雖然該軸按無限壽命設(shè)計(jì)，但惡劣的服役環(huán)境及復(fù)雜運(yùn)行工況等存在導(dǎo)致其失效的可能性），沿著塔節(jié)桁架布置的電氣部件（如頂端限位開關(guān)）是否存在破損，等等。常規(guī)檢驗(yàn)只能通過檢驗(yàn)人員采取安全保護(hù)措施攀爬到高處使用有關(guān)儀器對設(shè)備結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢查，由于活動(dòng)空間的限制會(huì)導(dǎo)致高空作業(yè)檢驗(yàn)效率低、危險(xiǎn)性大等缺點(diǎn)。

針對諸如此類的問題，應(yīng)該研究新的驗(yàn)檢測技術(shù)手段作為解決方案。無人機(jī)通過搭載相關(guān)檢測任務(wù)荷載系統(tǒng)提供了一個(gè)很好的手段，通過搭載高像素專業(yè)拍照采集系統(tǒng)（如高清照相機(jī)、高清攝像機(jī)等）及有關(guān)熱成像設(shè)備等，利用無人機(jī)能夠在任意高空位置指定區(qū)域懸停觀測特點(diǎn)，對設(shè)備可能存在病害的關(guān)鍵零部件進(jìn)行拍攝、探測，傳輸?shù)降孛娑苏緮?shù)據(jù)處理顯示平臺(tái)，檢驗(yàn)人員通過該平臺(tái)或者借助專業(yè)圖像數(shù)據(jù)處理軟件對該部位進(jìn)行分析。

針對塔頂關(guān)鍵的軸、軸承類等零部件、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、高處的電動(dòng)機(jī)及有關(guān)的電氣部件等，根據(jù)它們在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的發(fā)熱、摩擦磨損變形、疲勞斷裂等物理特征，從而可直接或間接的導(dǎo)致這些部件溫度較背景溫度會(huì)發(fā)生明顯變化。利用無人機(jī)搭載紅外熱成像儀能夠接收設(shè)備運(yùn)行中的紅外輻射能量，從而可以動(dòng)態(tài)的獲取這些部位的表面溫度分布信息，初步判斷它們否存在異常狀態(tài)或故障點(diǎn)，就可以對設(shè)備的安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。如在液壓系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，缸體與活塞之間的機(jī)械摩擦、壓力損失等都會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致油液粘度，引起液壓油溫度異常上升，通過溫度分布疏密程度可判斷可能存在病害位置。通過搭載高分辨率CCD相機(jī)或其他圖像采集器材可檢查高處塔節(jié)桁架弦桿、腹桿是否嚴(yán)重變形，桿間的焊縫是夠存在宏觀裂紋，螺栓及開口銷是否缺失，等等。

此外，利用無人機(jī)搭載攝像監(jiān)控系統(tǒng)還可以從高空對景區(qū)客流流量、客流密度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和全局巡查。一旦發(fā)生緊急危險(xiǎn)情況，可以為使用單位處置應(yīng)急事故、救援、疏散客流量等工作提供及時(shí)有效信息，為事故應(yīng)急救援有效實(shí)施和輔助事故調(diào)查提供有力技術(shù)支撐。

3 無人機(jī)機(jī)載檢測技術(shù)與傳統(tǒng)檢測手段優(yōu)缺點(diǎn)的比較

根據(jù)《游樂設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（試行）》、[8]《DB33T 834-2011 起重機(jī)械維護(hù)保養(yǎng)管理規(guī)范》，[9]使用單位需要對設(shè)備進(jìn)行常態(tài)化檢查和維護(hù)保養(yǎng)（如日、周、月、年周期性檢查和維護(hù)保養(yǎng)）以及法定的監(jiān)督檢驗(yàn)與定期檢驗(yàn)。這些常規(guī)性的檢驗(yàn)檢測、檢查與維修是在設(shè)備停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行的，借助有關(guān)檢驗(yàn)檢測儀器對各子系統(tǒng)、零部件等進(jìn)行測試。在涉及項(xiàng)目檢驗(yàn)檢測完成后再單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，顯然無法觀測到設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)性能。下表列舉比較傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測手段與無人機(jī)機(jī)載檢測技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。

4 建議與前景展望

筆者通過文獻(xiàn)檢索與閱讀，對無人機(jī)及其有關(guān)檢測技術(shù)在特種設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用給出如下建議與展望。

1）無人機(jī)及其相關(guān)技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域應(yīng)用及研究鮮見報(bào)導(dǎo)，針對大型結(jié)構(gòu)型式特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測過程存在的難題，應(yīng)借鑒其他行業(yè)新的檢測技術(shù)手段（如本文借鑒無人機(jī)機(jī)載檢測技術(shù)在電力、橋梁等上的應(yīng)用），并開展面向檢驗(yàn)檢測實(shí)際的研究工作。

2）針對高大結(jié)構(gòu)的特種設(shè)備，應(yīng)根據(jù)隨機(jī)資料、設(shè)計(jì)審查報(bào)告等明確該類設(shè)備檢驗(yàn)檢測過程存在的盲區(qū)和難題，進(jìn)一步開展無人機(jī)機(jī)載任務(wù)荷載系統(tǒng)的研究。如通過在設(shè)備上合理的布置各種傳感器，可以實(shí)時(shí)測試設(shè)備運(yùn)行過程動(dòng)態(tài)性能參數(shù)（加速度、溫升、關(guān)鍵受力部件的應(yīng)力應(yīng)變等），彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測手段僅能對靜態(tài)性能進(jìn)行檢查。此外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在電梯[10]、起重機(jī)械[11]等特種設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)檢索，卻并未發(fā)現(xiàn)其在游樂設(shè)施上的應(yīng)用。應(yīng)深入研究游樂設(shè)施運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，分析其關(guān)鍵受力部件，開展物聯(lián)網(wǎng)在游樂設(shè)施方面應(yīng)用的研究工作。

3）無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)存在一些難題需解決。例如，圖2（d）所示的A區(qū)域，主梁下蓋板出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象。事實(shí)上，由于拍照角度的限制，才會(huì)導(dǎo)致“假性彎曲”的現(xiàn)象，應(yīng)該用圖像處理、機(jī)器視覺等方面技術(shù)來進(jìn)行消除。此外，游樂設(shè)施服役環(huán)境大多為戶外，光線等背景環(huán)境可能對采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，等等。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測手段在高大結(jié)構(gòu)型式特種設(shè)備使用上存在的不足，無人機(jī)機(jī)載檢測技術(shù)可以很大程度上彌補(bǔ)之。本文旨在介紹了無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)組成及工作原理，探討了無人機(jī)機(jī)載檢測系統(tǒng)在大型結(jié)構(gòu)的起重機(jī)械、游樂設(shè)施檢驗(yàn)方面的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)檢測手段比較分析了優(yōu)缺點(diǎn)。對無人機(jī)在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測方面做了有益的嘗試，豐富了檢驗(yàn)檢測技術(shù)手段，有助于提高設(shè)備運(yùn)行的安全狀況。但囿于無人機(jī)及其機(jī)載荷載系統(tǒng)等方面的技術(shù)發(fā)展有待進(jìn)一步完善，應(yīng)該結(jié)合多種檢驗(yàn)檢測方法，發(fā)揮各自優(yōu)勢，才能夠客觀全面評(píng)估設(shè)備安全狀況。

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