王志偉 唐 欣 張 煜

1 天津港物流發(fā)展有限公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

在航運(yùn)全球化的背景下,世界各國(guó)的港口建設(shè)正處于快速發(fā)展時(shí)期。隨著全球?qū)κa(chǎn)品需求的激增,集裝箱港口的?；吠掏铝恳苍谘杆僭鲩L(zhǎng),港口管理水平面臨巨大挑戰(zhàn),作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增大,導(dǎo)致安全管理事故頻發(fā)。為提高管理水平,學(xué)者們深度剖析過(guò)去發(fā)生的重大事件,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并提出改進(jìn)政策。Hua等和常芳等針對(duì)天津港?；繁ㄊ录M(jìn)行分析,提出天津港是由于管理混亂和監(jiān)督不力最終導(dǎo)致了嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故[1-2]。Khan等通過(guò)專家判斷、最大似然估計(jì)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)等方法進(jìn)行分析,結(jié)果表明安全隱患、監(jiān)管不善和違規(guī)行為仍然是?；肺锪魇鹿收T因中最突出的因素[3]。由此,作業(yè)區(qū)域巡檢成為?；肺锪鞯闹攸c(diǎn)工作。

港口危化品作業(yè)區(qū)涵蓋的主要設(shè)備裝置包括:集裝箱堆場(chǎng)、液體罐箱堆場(chǎng)以及配套的安全、環(huán)保、消防設(shè)施等。巡檢任務(wù)需要在各類易燃易爆、有毒有害的采集站、運(yùn)輸線、化工廠或存儲(chǔ)區(qū)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景中,排除設(shè)備裝置的潛在風(fēng)險(xiǎn),例如箱體表面溫度檢測(cè)、通過(guò)表計(jì)判斷溫度和壓力是否正常、檢測(cè)地面水跡或泄漏現(xiàn)象、現(xiàn)場(chǎng)人員安全行為檢測(cè)等。

傳統(tǒng)模式為人工巡檢,存在作業(yè)環(huán)境惡劣,缺乏危化品專業(yè)知識(shí)導(dǎo)致無(wú)法應(yīng)付突發(fā)狀況等問(wèn)題。因此,在港口巡檢任務(wù)中,運(yùn)用智能機(jī)器人自動(dòng)巡檢取代人工巡檢已成為新的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段,智能巡檢技術(shù)已取得初步進(jìn)展,Zhao等采用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)傳感層數(shù)據(jù)采集技術(shù),設(shè)計(jì)了一種警用機(jī)器人智能安全巡邏系統(tǒng)[4];同時(shí),在日常列車巡檢、選煤廠、海上油田等不同行業(yè)的業(yè)務(wù)場(chǎng)所也陸續(xù)出現(xiàn)了智能巡檢機(jī)器人,應(yīng)用效果良好[5-7]。然而,危化品場(chǎng)站各種生產(chǎn)裝置、設(shè)施設(shè)備均處于室外海邊環(huán)境,與內(nèi)陸巡檢環(huán)境相比,需要考慮海風(fēng)侵蝕、防腐防潮、溫差大等情況,在這樣的環(huán)境條件下巡檢,對(duì)機(jī)器人的性能要求極高。因此,研發(fā)智能巡檢機(jī)器人,并將其應(yīng)用于?；范褕?chǎng)巡檢。

2 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)框架及結(jié)構(gòu)

2.1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)框架

智能巡檢系統(tǒng)由防爆機(jī)器人本體、機(jī)器人管控平臺(tái)、充電系統(tǒng)、防爆通信模塊和服務(wù)器組成,每一部分包含不同的功能模塊,承擔(dān)各自的工作任務(wù)(見(jiàn)圖1)。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)框架

防爆機(jī)器人搭載導(dǎo)航設(shè)備和感知設(shè)備,以全自主或半自主方式替代或輔助人工進(jìn)行巡檢;機(jī)器人管控平臺(tái)將機(jī)器人的巡視內(nèi)容、時(shí)間路線、算法報(bào)表管理融為一體,支持超過(guò)10 000臺(tái)以上的機(jī)器人聯(lián)合巡檢全過(guò)程管理;充電系統(tǒng)為智能防爆機(jī)器人提供充電和維修場(chǎng)所,車載充電連接器受電端與固定充電裝置充電端實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)并實(shí)施充電,全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,無(wú)需人工干預(yù);防爆通信模塊采用無(wú)線自組網(wǎng),支持WIGI及4G通訊,后方控制臺(tái)實(shí)時(shí)接收機(jī)器人采集的圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等信息,并進(jìn)行及時(shí)處理。

2.2 智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

智能巡檢機(jī)器人用于堆場(chǎng)自動(dòng)巡更巡檢和安全管理,巡檢內(nèi)容包括設(shè)備跑冒滴漏檢測(cè)、易燃有毒氣體檢測(cè)、環(huán)境安全檢測(cè)和儀器儀表讀數(shù)檢測(cè)等。自動(dòng)巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2。高清攝像頭用于采集環(huán)境圖像進(jìn)行分析,紅外熱成像采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)用于分析,環(huán)境傳感器采集環(huán)境中的有毒有害氣體進(jìn)行分析,語(yǔ)音對(duì)話模塊可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與后端的雙向通話,防爆云臺(tái)可搭載采集設(shè)備進(jìn)行位移和旋轉(zhuǎn),噪聲傳感器采集環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析,AI芯片將收集到的圖像、聲音、信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加工并執(zhí)行后臺(tái)命令,運(yùn)動(dòng)底盤(pán)支持機(jī)器人完成各類復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

1.高清攝像頭 2.紅外熱成像 3.環(huán)境傳感器 4.語(yǔ)音對(duì)話裝置 5.防爆云臺(tái) 6.噪聲傳感器 7.AI芯片 8.運(yùn)動(dòng)底盤(pán)圖2 智能巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人外殼采用靜電噴涂工藝,具有防腐蝕、防水、抗氧化三防功能;整體采用防爆型設(shè)備,滿足IP56防水防塵等級(jí)、Ex d IIB T4 Gb防爆等級(jí),確保智能防爆機(jī)器人在雨雪天、雷電等潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;內(nèi)部傳感、控制,采用模塊化設(shè)計(jì),標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn);搭載高清攝像頭、紅外熱成像儀、防爆云臺(tái)、AI芯片、音頻采集和播放設(shè)備等高新技術(shù)儀器,輔助智能巡檢機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境完成危險(xiǎn)源巡檢任務(wù)。

所有部件和元器件均選用寬溫度范圍的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,工作環(huán)境溫度范圍可達(dá)到-30～+60℃,工作和存儲(chǔ)環(huán)境相對(duì)濕度范圍可達(dá)5%～95%(無(wú)冷凝水),保障在炎熱或寒冷的環(huán)境下正常工作和長(zhǎng)期儲(chǔ)藏。智能巡檢機(jī)器人性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巡檢機(jī)器人性能指標(biāo)

3 智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 表計(jì)識(shí)別技術(shù)

由于缺少算法進(jìn)行圖像矯正和增強(qiáng),現(xiàn)有圖像標(biāo)定技術(shù)在進(jìn)行模板匹配和識(shí)別時(shí),受環(huán)境干擾因素較大。為提升在?；范褕?chǎng)等復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)性能,機(jī)器人采用效果更好的anchor-free方式進(jìn)行算法模型訓(xùn)練,能更靈活地識(shí)別各種目標(biāo)物。同時(shí),自主研發(fā)圖像增強(qiáng)算法,包含仿射變換矯正圖像、拉普拉斯算子清晰化圖像、超分辨率重建等功能,可以在模糊、傾斜、遮擋、暗光等場(chǎng)景下優(yōu)化識(shí)別技術(shù)。研發(fā)實(shí)例分割算法對(duì)指示燈、油位計(jì)等有顏色變化的目標(biāo)物進(jìn)行像素級(jí)別的顏色分割檢測(cè),通過(guò)CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)顏色和紋理特征進(jìn)行提取分析,再通過(guò)回歸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)分類識(shí)別,檢測(cè)顏色差異,實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈狀態(tài)的辨別。最后,為提高表計(jì)識(shí)別技術(shù)的識(shí)別范圍,使用半自動(dòng)AI訓(xùn)練平臺(tái)不斷優(yōu)化場(chǎng)景。

機(jī)器人以深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)和實(shí)例分割算法為基礎(chǔ),采用AI視覺(jué)技術(shù)讀取各類儀器,若采集的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值則產(chǎn)生預(yù)警。在光照條件好、表計(jì)完整可視的情況下,表計(jì)識(shí)別功能準(zhǔn)確率大于等于96.5%;異常表計(jì)識(shí)別的識(shí)別準(zhǔn)確率大于等于90.5%?？勺R(shí)別儀表類型眾多,包括指針儀表、數(shù)字儀表、柱形儀表、磁翻板液位計(jì)、油位計(jì)、開(kāi)關(guān)、閥門、指示燈等,在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的普適性。

3.2 罐體測(cè)溫識(shí)別技術(shù)

堆場(chǎng)巡檢時(shí),罐體檢測(cè)流程復(fù)雜,異常情況繁多,需檢測(cè)出設(shè)備的溫度、腐蝕現(xiàn)象、內(nèi)部積污現(xiàn)象、裂痕現(xiàn)象、氣體泄露現(xiàn)象等,單一設(shè)備、算法難以滿足所有需求,機(jī)器人需搭載多種儀器提升綜合性能。

智能巡檢機(jī)器人搭載甲烷激光遙測(cè)儀,利用甲烷對(duì)長(zhǎng)波紅外線具有較強(qiáng)吸收能力的特性,遠(yuǎn)距離檢測(cè)80 m半徑范圍內(nèi)甲烷氣體泄露數(shù)據(jù),精確鎖定泄漏點(diǎn),并發(fā)出預(yù)警;搭載紅外熱成像儀,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備表面溫度進(jìn)行采集,對(duì)重點(diǎn)溫度觀察設(shè)備進(jìn)行精確測(cè)溫,并將紅外圖像及溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控系統(tǒng),若設(shè)備溫度異常則發(fā)出預(yù)警;采用PID光離子探測(cè)方式和電化學(xué)探測(cè)方式,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)氧氣、一氧化碳、硫化氫等易燃易爆、有毒有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)立即示警。

同時(shí),針對(duì)設(shè)備腐蝕和設(shè)備裂紋等瑕疵檢測(cè)問(wèn)題,機(jī)器人采用可見(jiàn)光融合紅外光的檢測(cè)方法。罐體測(cè)溫識(shí)別技術(shù)在算法模型加入FPN網(wǎng)絡(luò)金字塔結(jié)構(gòu)以及GAN對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò),提高可見(jiàn)光圖像質(zhì)量和小目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確度,再融合紅外圖像上裂紋和腐蝕處的溫度差異特征進(jìn)行最終判斷。罐體測(cè)溫識(shí)別功能對(duì)腐蝕、裂紋等細(xì)小目標(biāo)檢測(cè)的精度能達(dá)到95%以上。

3.3 跑冒滴漏識(shí)別技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)對(duì)工作設(shè)備進(jìn)行跑冒滴漏檢測(cè),只采用紅外技術(shù),存在較大的局限性和誤識(shí)別率。針對(duì)上述問(wèn)題,智能巡檢機(jī)器人搭載高精度云臺(tái)+高清攝像機(jī)精準(zhǔn)定位泄漏點(diǎn),對(duì)焦拍照發(fā)送至后端平臺(tái),平臺(tái)顯示泄漏位置的坐標(biāo)并預(yù)警,實(shí)現(xiàn)原油與水混合物管道泄露檢測(cè)、跑冒滴漏夜間識(shí)別和陰影區(qū)分識(shí)別。機(jī)器人采取可見(jiàn)光融合紅外光進(jìn)行跑冒滴漏的檢測(cè)方法,通過(guò)Mask RCNN進(jìn)行像素級(jí)分割檢測(cè)泄露物、融合紅外圖像的溫度矩陣以及二值化圖像,實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的泄露檢測(cè)。不僅如此,跑冒滴漏算法還可同時(shí)完成高溫液體滲漏檢測(cè)和原油泄露預(yù)警。

實(shí)際應(yīng)用效果表明,該技術(shù)通過(guò)可見(jiàn)光與紅外溫度相互驗(yàn)證的方法檢測(cè)管道可能泄露點(diǎn)位,提高了最終識(shí)別的準(zhǔn)確率。

4 智能巡檢機(jī)器人安全性設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段,充分考慮智能機(jī)器人在危化品堆場(chǎng)中巡檢將面臨的故障情況,提出相應(yīng)解決辦法,并形成了一套完整的安全性設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖3)。當(dāng)機(jī)器人無(wú)法識(shí)別故障原因時(shí),系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的報(bào)警并通知人員到場(chǎng)分析,在人工及時(shí)響應(yīng)的情況下事故不會(huì)持續(xù)擴(kuò)大,保障了?；范褕?chǎng)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 智能巡檢機(jī)器人安全性設(shè)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)?；肺锪魇鹿暑l發(fā)的主要原因——對(duì)安全隱患和違規(guī)行為監(jiān)督不力,研發(fā)了一種智能巡檢機(jī)器人,由智能化的機(jī)械設(shè)備代替人工進(jìn)行堆場(chǎng)危險(xiǎn)源巡檢工作,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決安全隱患,防止發(fā)生生產(chǎn)事故。實(shí)際應(yīng)用表明效果良好,有助于提升?；肺锪鞯陌踩a(chǎn)水平。