李杭　王戰(zhàn)

摘要：筆者通過實地考察浙江能源嘉華電廠，閱讀分析了大量國內外相關案例后，研究開發(fā)了一套巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測處置系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)全天候實時巡檢，接收紅外、紫外線光譜，能自動探測明火，自動報警并完成應急處置裝置響應動作，在事故初期就作出應急處置。相較于市面上已有機器人更加智能化。

關鍵詞：巡檢機器人;光譜自探測;智能感知;應急處置

一、研究背景和意義

（一）研究背景

電力能源與國家經(jīng)濟的快速發(fā)展、社會生產(chǎn)的穩(wěn)定運行息息相關，這對能源行業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的安全性、可靠性提出了更高的要求。電廠是能源產(chǎn)業(yè)非常重要的組成部分，電廠設備的穩(wěn)定、安全運行是實現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障，因此電廠設備的運維巡檢是非常重要的工作。

目前，電廠設備安全巡檢作業(yè)方式主要包括：人工巡檢和機器人巡檢。人工巡檢是工作人員攜帶檢測設備對高壓設備和電力輸電線進行監(jiān)視。由于電廠電力設備或輸電線路所處地理位置十分復雜，增加了人工巡檢的難度，人工巡檢方法不但勞動強度大、效率低、檢測精度低、可靠性差、成本高，而且對許多高壓設備或輸電線路存在的安全隱患不易發(fā)現(xiàn)。隨著移動機器人技術與自動化技術的發(fā)展，將機器人技術與電力應用相結合，為電網(wǎng)的維護提供了新的巡檢方式，即機器人巡檢代替人工巡檢，極大地提高了工作效率。經(jīng)過調查研究發(fā)現(xiàn)，目前市面上的巡檢機器人仍存在一些不足，當緊急情況發(fā)生時，機器人只能夠實現(xiàn)異常報警，不能夠在事故發(fā)生初期就進行應急處置，若異常位置較遠且過于隱蔽，等應急人員到達現(xiàn)場，已經(jīng)錯過了最佳應急時機，事故仍會造成巨大損失。因此，研究開發(fā)一套巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測處置系統(tǒng)勢在必行，可以彌補現(xiàn)有巡檢機器人的不足，更智能、更全面地實現(xiàn)電廠電力設備的無人化巡檢需求。

（二）研究意義

伴隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，社會用電量不斷提升，對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性提出了更高挑戰(zhàn)，變電、輸電、配電等電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的巡檢需求進一步提高。目前大多數(shù)電力公司仍主要采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，即利用看、聽、聞等感知手段，對電力設備運行狀態(tài)進行查驗和記錄，此種方式存在著人力成本高、巡檢手段單一、巡檢數(shù)據(jù)主觀性強、受天氣影響大、數(shù)據(jù)管理分散等問題，逐漸無法滿足準確、實時、高頻率的電力設備巡檢需求。在電力公司日常運行發(fā)電工程中，如果巡檢不徹底、不及時，電力設備的高負荷運行，容易引發(fā)配電室火災，極大的威脅了電力公司的安全生產(chǎn)和人員安全。因此，有部分電廠已經(jīng)采用機器人巡檢代替人工，使人力、物力投入大幅度減少，有效防止了電氣過載和現(xiàn)場跑冒滴漏等問題引發(fā)的事故。

經(jīng)過調查發(fā)現(xiàn)，市面上的巡檢機器人只是單一地代替人工，并不能在異常情況發(fā)生時就迅速作出應急響應。若緊急情況發(fā)生，等待應急人員到達現(xiàn)場，事故往往已經(jīng)難以控制，仍然會造成巨大損失。所以，筆者開發(fā)設計了一套巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測處置系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了目前市面上所存在巡檢機器人的日常巡檢功能，還具有應急處置功能。當發(fā)現(xiàn)異常情況，例如設備溫度過高、電氣過載、現(xiàn)場跑漏等，可在第一時間作出應急措施，極大地減少事故發(fā)生概率，降低電廠損失，本系統(tǒng)也具有很好的市場前景和實際意義。

（三）國內外研究現(xiàn)狀

電廠巡檢機器人主要應用于高壓配電室，對配電室設備進行非接觸式帶電監(jiān)視與巡檢，將機器人技術、行為規(guī)劃技術、巡檢技術等相結合，代替或輔助人工完成變電站設備巡檢作業(yè)。機器人通信聯(lián)動技術使得機器人在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)異樣即可聯(lián)動應急處置裝置。

電廠巡檢機器人研究工作始于20世紀80年代，日本、加拿大等發(fā)達國家先后開展了電廠配電室巡檢機器人的研究工作。到了90年代，國內一些科研機構和電力公司陸續(xù)開展了電廠巡檢機器人的研究工作，并研發(fā)了一種基于雙軌道式變電站巡檢機器人BIG MOUSE，該巡檢機器人適用于500kV變電站，其檢測系統(tǒng)配置云臺、輔助照明，以及可見光攝像機、紅外熱像儀等信息采集設備，可自主獲取變電站設備信息，但是由于一些關鍵技術等問題，僅在少數(shù)電廠進行了試用，并停止了后續(xù)的研發(fā)。隨后隨著科技的進步，電廠巡檢機器人得到了快速的發(fā)展。

目前，市面上的巡檢機器人都只是代替了人工進行單一的巡檢，是一種基于自主導航與定位、自主充電的全天候室外移動平臺，攜帶可見光攝像儀、紅外熱像儀、拾音器等多種檢測設備，以非接觸方式采集變電站設備信息，通過圖像處理、模式識別等技術實現(xiàn)對設備過熱、外觀異常、開關分合狀態(tài)的識別，可完成配電室儀表、油位計指針位置讀數(shù)的識別。發(fā)現(xiàn)異常，只能實現(xiàn)報警和數(shù)據(jù)上報，不能實現(xiàn)應急處置，會錯失防止事故發(fā)生的最佳時機。綜上所述，電廠巡檢機器人仍存在很大的發(fā)展空間，現(xiàn)研究開發(fā)一套巡檢機器人安全應急光譜自探測處置系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但具備傳統(tǒng)機器人的巡檢功能，還集成了紅外光譜自探測處置裝置，可對異常設備進行實時處理，極大地減少事故發(fā)生的概率。

二、系統(tǒng)概述

（一）功能簡述

巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測應急處置系統(tǒng)面向各大發(fā)電廠配電室、泵房等場所的安檢工作需求。主要功能有：

（1）實時進行紅外線接收。

（2）自動探測明火火焰、高溫區(qū)域。

（3）異常自動報警。

（4）應急處置裝置自動旋轉定位。

（5）自動對準開閥門噴射。

（6）自動閉閥復位，遠程控制等。

（二）相比于普通巡檢機器人系統(tǒng)的優(yōu)勢

1.普通巡檢機器人系統(tǒng)

現(xiàn)有的巡檢機器人系統(tǒng)模式單一，只是簡單的代替人工進行日常巡檢，在事故發(fā)生初期，機器人發(fā)出報警，不能夠進行應急處置。若異常區(qū)域較遠、區(qū)域隱蔽，或人員不好進入，則不能在第一時間進行處置，錯過最佳的救援時機，造成財產(chǎn)損失，甚至人員傷亡。所以仍具有一定的局限性和優(yōu)化空間。073338A2-ABD6-4819-8ACD-7AE2FED2902A

2.巡檢機器人安全應急光譜自探測處置系統(tǒng)

巡檢機器人安全應急光譜自探測處置系統(tǒng)不但具有普通巡檢機器人的巡檢功能，還集成了一套光譜自探測應急處置裝置，具有自動控制功能，當機器人發(fā)出報警，應急處置裝置立即動作，若設備溫度過高，設備出現(xiàn)明火，應急處置裝置可實現(xiàn)智能滅火，極大地降低了事故發(fā)生概率，減少財產(chǎn)損失和人員傷亡。相比較于普通巡檢機器人更加智能、更加全面，具有更加廣闊的應用前景。

（三）系統(tǒng)的通信系統(tǒng)簡介和功能特點

1.網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡通信系統(tǒng)可以滿足機器人安全應急紅外線光譜自探測應急處置系統(tǒng)關鍵設備實時、高效、安全以及應用的數(shù)據(jù)通信需求：機器人安全應急紅外線光譜自探測應急處置系統(tǒng)能夠實時接收來自第三方機器人管控平臺的控制指令，包括遠程控制機器人的啟動與停止，控制光學傳感器、紅外傳感器等，也能夠實時接收來自云端機器人操作系統(tǒng)的自動更新。機器人安全應急紅外線光譜自探測應急處置系統(tǒng)能夠實時向第三方機器人管控平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，光譜傳感系統(tǒng)可以向巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測應急處置系統(tǒng)和第三方機器人管控平臺發(fā)送傳感知信息數(shù)據(jù)，反饋現(xiàn)場的動作狀態(tài)。

2.機器人平臺應急裝置的功能特點

（1）自動控制功能：應急裝置具有完成全方位監(jiān)控、探測火情、定位判定火源、啟動系統(tǒng)、定位噴射、持續(xù)噴射、停止或重復啟閉噴水等全過程的控制能力（當機器人平臺處在半自動狀態(tài)下，能自行預警定位，不噴射介質，需要總控確認命令進行噴射）。該裝置由自行探測定位裝置和介質容器以及軟件系統(tǒng)組成，應急滅火過程不需依賴手工操作。整個系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)火災、火災確認、應急啟動系統(tǒng)、應急噴射至停止噴射的全過程都是主動完成的。

（2）遠程控制手動狀態(tài)：通過機器人可見光AI視覺識別煙火預警或者熱成像高溫預警定位功能，在機器人終端軟件應急處置窗口結合圖像定位的熱煙火區(qū)域，操作窗口可以對應急裝置進行左右控制旋轉、啟動噴射、停止、視頻監(jiān)控等操作。

（3）遙控控制功能：通過應急預警裝置專用遙控器可以對裝置進行啟動、停止、手動定位等操作。

（4）工作狀態(tài)指示功能：電源指示、機械運行狀態(tài)指示、通信數(shù)據(jù)發(fā)送、火情指示等。

（5）自定位功能：應急裝置感應火源，啟動轉動機構尋找火源時，通過程序特殊處理，遇到火點后運算定位確定火源，使火點最終定位更加準確，可增加計算機圖文管理系統(tǒng)，實現(xiàn)更直觀地操作。

（6）智能感知：AI三檢機器人安全應急紅外線光譜自探測應急處置系統(tǒng)平臺搭載多種光譜傳感器設備對電廠現(xiàn)場火情數(shù)據(jù)進行采集、檢測等。

（7）應急處置：當監(jiān)控范圍內發(fā)生火情時，該裝置系統(tǒng)能迅速捕捉到火情信息并上傳到系統(tǒng)平臺，在短時間內準確定位并進行應急噴射，噴射后自動閉合閥門，不會造成大量污染，甚至火災后的水漬災害。如果火勢復燃，該系統(tǒng)會重新啟動，進行循環(huán)滅火。

3.光譜傳感機械結構系統(tǒng)介紹

當光譜探測傳感器接收到微小火苗中的紅紫外線后，緊急預警傳輸?shù)綑C械結構內置的控制處理中心，同時驅動設備的水平電機進行設備旋轉，通過窄縫光譜分析定位法進行水平定位，同時在自動狀態(tài)下自行啟動自帶閥門和微型高壓倉，對準著火點的火苗進行介質噴射，噴射過程有左右5°的角度搖擺，以確保延緩火勢的發(fā)展，同時發(fā)出聲光警報等一系列的預警措施。

該應急救援滅火系統(tǒng)具備較高的智能性，它將計算機技術、紅外、紫外傳感技術、信號處理及判別技術、通信技術、機電控制自動化技術有機結合起來，具有全方位火焰光譜監(jiān)控、探測火災、定位火源、啟動泡沫/干粉滅火系統(tǒng)、持續(xù)噴射、重復啟閉等全過程的控制能力。同時，該裝置由自行探測定位裝置和介質容器以及軟件系統(tǒng)組成，應急滅火過程不需依賴手工操作。整個系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)火災、火災確認、應急啟動系統(tǒng)、應急噴射至停止噴射的全過程都是自動完成的。當監(jiān)控范圍內發(fā)生火情時，該裝置系統(tǒng)能迅速捕捉到火災信息上傳到系統(tǒng)平臺，在短時間內準確定位、應急噴射，滅火劑使用率高，噴射后自動閉合閥門，不會造成大量污染或水漬危害。如果發(fā)生復燃，該系統(tǒng)還會重新啟動，循環(huán)滅火。此外，該系統(tǒng)還具有安裝簡單、工期短、外形美觀等特點。

（四）系統(tǒng)綜合管理

1.運行模式

系統(tǒng)應支持全自動和遠程控制模式。全自動模式可實現(xiàn)自動運行、自動探測、自動定位、自動滅火、自動復位。遠程控制模式是可通過后臺機器人平臺軟件的控制窗口實現(xiàn)對應急裝置的遠程控制，包括：控制方向、遠程噴射、復位等。

2.系統(tǒng)安全

系統(tǒng)架構應在網(wǎng)絡分區(qū)、訪問控制、安全審計、運維審計等方面進行統(tǒng)一規(guī)劃設計，各個系統(tǒng)規(guī)劃設計方案應體現(xiàn)網(wǎng)絡安全防護內容，以便統(tǒng)一納入公司互聯(lián)網(wǎng)平臺網(wǎng)絡安全防護體系。

三、系統(tǒng)的硬件要求

（一）工作環(huán)境

在如下工作環(huán)境中機器人能正常工作：

工作環(huán)境溫度：+1℃～+55℃;

相對濕度：≤92%。

（二）傳感裝置

傳感裝置至少包含以下類型：

1.紅紫外線光譜傳感器

AE-S708/4和AE-S708/5紅外熱釋電傳感器通過兩個工作于不同波段的紅外熱釋電傳感器將火焰燃燒參數(shù)轉換為電信號，之后將信號輸入工業(yè)計算芯片進行比較、運算和處理，配合IrⅡdetecter@anysafe專用智能控制軟件，可以及時發(fā)出信號，監(jiān)視狀態(tài)≤15mA，報警狀態(tài)≤35m。采用傳感器硬件補償和智能軟件補償結合模式，可有效補償因溫度、環(huán)境變化和元器件長期工作產(chǎn)生的漂移，可有效抑制非火焰干擾源的影響，如陽光（直射和反射）、常用人工光源、背景輻射源、熱移動物體、電焊等。電路部分主要包括傳感器、低噪聲放大器、工業(yè)處理單元、外圍輸出和驅動電路、電源和EMC電路等。

2.微型可見光攝像機

支持PC linux系統(tǒng)，可集成于嵌入式設備中。支持外觸發(fā)閃光燈同步拍，一臺電腦接多個相機可穩(wěn)定工作，長時間下不掉線、不丟幀。SUA全系列支持U3VISION協(xié)議，可無縫支持HALCON、LabVIEW等視覺軟件。

四、結語

文章結合現(xiàn)有研究成果，詳細敘述了巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測處置系統(tǒng)的主要功能和技術參數(shù)，充分展示了機器人集成應急處置裝置的巨大優(yōu)勢，具有很好的應用前景。利用機器人在發(fā)電廠對電力設備進行巡檢，是配電室巡檢的一種技術手段，是智能電網(wǎng)發(fā)展的方向，也是特種機器人研究的新應用領域。因此，具備應急處置功能的巡檢機器人必將迎來新的市場熱潮。

本系統(tǒng)仍有繼續(xù)優(yōu)化的空間，比如系統(tǒng)硬件性能的再優(yōu)化，應急處置系統(tǒng)的響應速度再提升，以及整個巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測處置系統(tǒng)集成程度的再提高，擁有更好性能的同時又具有更小的體積，以實現(xiàn)對更加惡劣、狹小環(huán)境實行巡檢保護?？傊?，巡檢機器人安全應急紅外線光譜自探測處置系統(tǒng)具有很廣闊的發(fā)展前景和應用價值。

參考文獻：

[1]范維澄，劉乃安.中國火災科學基礎研究進展與展望[J].中國科學技術大學學報，2006，36（01）：1-8.

[2]杜蘭萍，沈友弟，厲劍，等.我國消防安全形勢、差距和對策研究[J].消防科學與技術，2002（05）：3-13.

[3]GB 50338-2003 固定消防炮滅火系統(tǒng)設計規(guī)范[S].中華人民共和國公安部，2003.

[4]GB 50016-2014（2018年版） 建筑設計防火規(guī)范[S].公安部天津消防研究所和公安部四川消防研究所會同有關單位，2018

[5]GB 50338-2003 固定消防炮滅火系統(tǒng)設計規(guī)范[S].中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中華人民共和國建設部，2003.073338A2-ABD6-4819-8ACD-7AE2FED2902A