面向火电&水电场景的智能巡检机器人解决方案
目前下游需求强劲，巡检机器人产业日渐成熟。机器人产业在慢慢发展起来，但现在仍面临许多困境。传统巡检方式的问题与挑战其实就是四个部分。
——范冬林深圳市赛为智能股份有限公司AI产品总监
为快速适应新形势下发展要求，精准把握行业发展趋势，引领行业方向，促进新技术、新成果和新产品在智慧电厂领域的转化应用，华北电力大学技术转移转化中心与上海电力大学技术转移中心、中国华电集团有限公司生产技术部、中关村华电能源电力产业联盟等单位于2020年9月27-28日在上海联合举办“2020年智慧电厂论坛（第一期）”。北极星电力网、北极星电力APP对会议进行全程直播。
深圳市赛为智能股份有限公司AI产品总监范冬林作了题为《面向火电&水电场景的智能巡检机器人解决方案》的演讲。
各位领导，各位专家，同仁，下午好！
下面由我给大家带来我们公司对于智能巡检机器人所做所为以及所思所感，题目是《面向火电&水电场景的智能巡检机器人解决方案》。其实今天听了一天，学了一天，也是干货满满，很多专家都是智能化信息化偏软一些，后面我给大家来点硬菜。我们公司全称叫深圳市赛为智能股份有限公司，成立于1997年2010年在深交所上市，股票代码300044，今年涨的不少大家可以关注。
公司定位人工智能软硬件产品以及解决方案服务商，我们现在是深圳市上市公司经营能力十强，目前人员是1300人，年营业额是20亿+，目前有深圳软件园，有很多小伙伴应该都是邻居，还有就是合肥赛为智能，智能巡检的研发生产，很多部分还有测试，都是放在合肥赛为智能，因为房子多土地大，还有我们在文化教育方面，我们全资控股的大学，马鞍山学院，六个亿控制北京开心人公司，就是以前偷菜这些平台，还有最后湖南赛吉智慧城市，大概15个亿建设期15年。
这是几个产业分布还有智慧城市有很多三批的项目，轨道交通也是我们一个主营业务，还有包括现合肥地铁，深圳地铁，目前是有超过二十家城市交通公司的业务，超过100个工程项目，现在第三块人工智能板块，有智能巡检机器人，还有人工智能，还有文化教育板块。这是科研实力简单的解释，集团拥有国家高新技术企业4家，院士工作站2个，博士后工作站2个，今年明年还会增加。
这是主题行业场景的覆盖，面向火电还有水电场景机器人的覆盖，这是行业场景的全区图，目前有两大系列的机器人，那边是轮式机器人，有五款产品，还有五款产品也正在研发当中，还有包括场景有智慧电力，还有发电还有电网，还有用电还有电缆隧道还有智慧地铁，有隧道有变电站，还有智慧眼睛还有我们马钢在中国保五，电缆隧道，智慧的冷闸热闸期间的智能巡检，还有IDS智能巡检这些，智慧化工这些化工场站，化工车检都是有毒物害的一些气体，易燃易爆，现在也已经实现了机器人的防爆设计还有智慧隧道。
我们直接上干货。解决方案目录，分成四块，一是知易行难，电厂巡检挑战；第二个打破常规，赛为应对之道；第三行以见效，水电场景落地；第四拍案叫绝，火箭场景落地。
这是传统巡检方式所面临的问题与挑战。其实就四块，标准化率低，低效还有环境苛刻，这些环境苛刻人就不愿意去巡检。还有就是这个巡检集体有什么好处呢？其实是更安全更精益更准确更及时，更安全导致人工性很安全，很危险的地方让机器人去就可以很危险很苛刻，粉尘很大让机器人去巡检人就不需要去。还有就是更精益，及其代替人力，还有每天一次巡检，甚至可以调整为每小时一次巡检每两小时一次巡检。还有状态识别更准确机器人运行是通过固定的程序，固定的代码，固定路线，每次一致性很快高，就把这个结束掉，利用老工程师经验的办法，把经验给模型化，算法化，知识化，数据化，给它影射到机器人那里，让机器人像一个老专家一样去巡检。所以基于5个大数据分析以及人工智能算法等技术，巡检机器人将更加耳聪目明，心灵手巧。
现在趋势怎么样？机器人行业发展到什么程度？给大家简单进行汇报。目前下游需求强劲，巡检机器人产业日渐成熟。机器人产业现在在慢慢的发展，有很多面临困境，企业经营效应有很多挑战需要降本增效，我们需要巡检机器人提出需求还有要求，我们厂矿运维，还有变电站运维，还有IT运维，电力运维，仓储运维。
第二打破常规，赛为应对之道。解决方案之一，是挂轨式机器人，什么叫挂轨式，就是只能在轨道上进行运行，定位。产品1，是面向场景的，我们叫GE100型机器人，产品2，SE100面向输煤栈桥以及电缆隧道+储蓄场场景的，还有防爆的，我们也申请做防爆的认证。左边是机器的硬件，右边是配合机器人硬件的急控系统是软件系统历史存储，数据展示还有一些数据的分析，这是巡演机器人结构的组成。跟大家讲一下，最上面是运行的轨道，再往下X控制核电池，电机还有一些硬件的模块，下面是一个升降机构，它主要是靠升降机构，30公分一节，目前是8节1.8，升降范围还是很广，还有局部放电，感知模块这个小黑盒子，一氧化碳二氧化碳还有臭氧检测，还有烟雾光照等等感知就靠下面小盒黑子。再往下大家也知道，可见光红用光有一些仪表状态，红外主要是设备的一个温度检测。
解决方案一第二个产品叫SE100型巡演机器人，这个跟我介绍这个原理基本上一致，但是不同的是安全性，稳定性各种各样专业场景的防护更高了，要求更高。所以叫SE100型巡检小钢跑，小巧灵活，专业输煤栈桥，越是环境苛刻上它越靠谱越稳定。
轮式巡检机器人系列包括左边比较小一点的，右边脖子比较高，还有可以看的上下范围广，还有比如说搭配，3.0系统。
这是NB600型，叫巡检小旋风，文武双全，实力担当，专注电厂全场景。
这是LE100型的机器人，跟我刚才介绍的小的有什么不一样？是一样的，它叫专注于电厂全场景，它可以在室内也可以在室外，大太阳下面，下雨下雪，基本是太严重基本上都可以实现巡检防护等级也高，也是IP66现在在做防爆。这是室内的是LE10型巡检，左右穿插动作灵活，专注于配电网。
我把赛为公司主要几个产品介绍完了，接下来看一下功能，什么叫智能巡检？第一仪表判读，看指针表这些数字表正不正常可以拍出来还有读数是多少就一个判断机制。还有就是红外侧温，温度异常变化可以正常的一个报警，还有主动报警，还有局部放电系统，在高压所，电房有一些设备会局部放电可以进行局部放电检测，这是机器人相对人工巡检的优势，人工巡检隔很长一段时间拿着局部放电设备有专门人员使用局部放电设备进行一个局部放电检测，机器人每一次巡检，每天巡检，甚至每半个小时巡检均可以设备进行局部放电检测。
第五环境检测，就是环境面，包括一些各种各样的气体不限于列出来的几种气体，还有很多气体还有包括30多种气体的一个接口，线上需要检测哪种气体可以试配检测装置还有温湿度还有光线还有烟感，还有数据分析的功能，还有图表展示还有分析，所以数据的横向与纵向对比，还有同样设备，在同样环境里面，如果发生的变化，横向分析，把A设备跟二设备进行分析，实现同样的功能，有什么变化，有什么趋势？今天A设备柜面温度23，B设备33度两个品牌型号的设备温差为什么那么大？会要对A设备进行纵向分析，把这一次识别结果，今天识别的结果跟上个月，甚至去年上半年所有分析的结果做一个趋势分析趋势判断。
第七状态识别，除了仪表那些以外还有就是噪音识别，还有设备完好情况的识别，我们在采取一些机制识别出来，这要实现我们厂内老专家工程师良好经验，还有知识库，印设在算法当中。还有解决方案，机器人巡检三板斧机器人+监控系统+环境联动，为什么加环境联动，刚才讲机器人巡检，检测识别，巡检完识别完以后干什么，除了把巡检内容，巡检结果把它传递给我们后台监控人员以外，还要去做一些执行的动作，巡演机器人要准备作业东西包括灯光空调，还有视频温湿度等等。
第三块就开始讲具体场景落地，行以见效水电场景落地。这是出需电站，这是非常刚需的一个场景包括开关站。这是偏配电房巡检的需求，有柜体表面完好性还有温度局部放电间还有压板开关还有指示灯还有指针表数字表。
这是主副厂房的场景，包括我们水泵水轮机，发电机状态，还有有一些设备状态，跑冒滴露等，还有开关站场景，压力表温度表，开关的油压表还有一些测温的第四个是GIS室场景，还有温度气体温湿度等等，还有表计识别等等，机器人可以全天候进行观察巡检，以及的一个动作还有执行。
这个场景也很刚需。我最近了解是安徽本地的一个储蓄电站，它的是在65度-75度之间，高度400米，这个巡检基本上所的都不太愿意巡检这个地方很累，环境也苛刻，主要巡检需求，还有完好度，还有接触的弯曲度还有支架有没有变形，还有没有松动，包括有没有结构变形有没有大裂缝有没有漏水，还有照明系统，灯现在在不在还有灭火球还在不在位置在位置目前状态怎么样，还有等等这些需求，不限于我列举出来的，温度，照明，数据表以及人员的定位，还有一些其他智能信息化在电厂里面也可以做，但是今天主要聚焦我们巡检机器人。
第四块拍案叫绝，火电场景落地，为什么叫拍案叫绝，场景更多，火电也多，火电位置可能有的比较偏远，六大场景样样精通，还有哪个场景输煤栈桥，这个场景比较多！还有真的做好的也比较少，硬件还有软件做好真正做好的寥寥无几，我们赛为是一家，还有化水车间等等，打造火电全场景方案。
还有这是我们输煤栈桥的需求是否有温度是否有洒落，靠什么送？输送机，有皮带有托辊有一些钢架他们状态怎么样？有没有破损还有输煤栈桥这个区域怎么样？有没有漏损，墙面有没有破损，之前通过一些传感器，还有一些红外可见光采集装饰，把这些信息采集到以后再通过专家知识库对它进行检测，这是一个说明栈桥主要的功能需求煤粉温度，还有滚轮温度，结构异常识别皮带机异常识别，皮带撕裂槛车，要识别这些功能走是用比较原始的手段还没有办法用非常数字化的一个方式。
这是我们的变配电房之前说过就不说，这是升压站，升压发完电把电压升到电网里面，包括家电包括变压器声音还有一些安防等等这是第四块，主厂房的场景，主厂房巡检机器人，这在合肥当地一家发电企业的项目，基本上就是告诉大家，各位专家，各位同仁，机器人可以在水电场景，可以在火电场景，可以去读表，可以去抄表，可以去看他的声音，听他的声音，可以检测是否有滴漏是否有变形，是否有温度异常有一些场景比较特殊机器人不一定可以过得过去，但是我们可以对这些不能覆盖到的场景可以使用一些物联网，包括摄像头包括传感器分布式采集手段
这是我们化水车间场景做的一些需求，包括设备表面，管路，接头，阀门，开关声音，还有指针表，数字表颜色现在的状态。还有最后火电场景储煤厂站可以做什么？可以在这里的布局可以实时分析储煤量是多少，目前可以实现正常电厂五分钟一次一个循环，五分钟报一次储煤量是多少。
好，讲那么多，其实就是告诉大家，我们深圳市赛为智能股份有限公司是什么，我们是中国运维勤俭类专家，我们可以做什么可以基于5G，AI，大数据分析类技术，实现对火电厂，水电厂全场景的覆盖，目前分享就是这些，这是我们的联系方式，大家拍一下后面方便联系，谢谢大家。
（来源：北极星电力网，如需转载请完整转载全文不允许删减）
火电厂锅炉智能巡检无人机的应用及方案设计
引言
近些年随着工业互联网、大数据、人工智能等新兴技术的迅猛发展，无人飞行器（简称无人机）凭借其灵活性高、成本低等特点，在对危险区域或人类不方便抵达的空间开展巡检、探测等领域有着广阔的应用需求。目前在户外场景飞行的无人机应用较为成熟，其可以深入应用于农林植保、电力巡线、石油管道巡检、国土测绘、人工降雨、航空遥感、抢险救灾、地质勘测、安全巡逻、物流快递、医疗救护、海洋遥感、新闻报道等诸多行业场景。但在复杂密闭的空间，特别是类似火力发电厂锅炉的高空、高尘、双盲（无GPS、无光照）的工业场景下，无人机进行智能飞行、高清拍摄和图像处理，存在着诸多技术难题，这已经成为工业无人机行业亟待解决的最重要课题之一。下面将以具有高度代表性的火电厂锅炉炉膛巡检用无人机为例，进行相关的阐述和研究。
1火电厂锅炉智能巡检无人机的应用需求
火力发电机组经过20多年的跨越式发展，中国已经发展成为世界最大装机容量的国家。近些年火力发电行业如何融合大数据、人工智能等新技术革命提高设备管理水平和安全生产水平，促进火力发电厂的智能化改造和产业升级，已经成为火电行业急需解决的重要课题。
火电厂的锅炉是电厂核心的发电生产设备之一。其体积庞大，特别是超超临界的百万等级锅炉，其最高约100m左右，内部跨度可达60m，深度40m左右。锅炉内部煤粉燃烧的环境复杂恶劣，需要长期在超超临界高温高压参数的水蒸气条件下长期稳定的运行。因此，设备可靠性和巡检质量的要求非常高，保障锅炉安全运行具有至关重要的意义。对锅炉停机检测的工作，一般采用搭设大型脚手架或升降式大平台后进行人工检测法。检验员在脚手架上通过目测或仪器发现锅炉炉内可能存在的腐蚀、裂纹、变形、磨损等缺陷。这种传统的检测方式需要搭建大量脚手架等准备工作，工作量庞大、工期长、危险系数高，并且对检验员的技能和经验要求较高。因此，研发设计适应于此密闭空间的工业无人机，利用其对锅炉炉膛内部进行自主飞行和高清拍摄，将影像实时传输至外部进行计算处理，智能识别内部缺陷等劣化问题并进行实时评估，这种提升改造对传统的火力发电厂具有非常大的吸引力。
2国内外无人机应用及技术研究情况
2.1无人机应用现状
商用无人机一般分两类：一类为面向普通消费者的消费型无人机，这类产品市场范围大，制造成本低，技术门槛偏低，中国无人机制造商在这个领域占据了全球七成以上的市场份额;第二类为工业无人机，主要面向特定行业用户，需要具备较高的技术、品质和可靠性。因此，研发周期长、投入高。
2.2无人机导航与感知技术研究现状
无人机的飞行需要导航，即按照指定精度要求，正确引导无人机沿着预定的航迹在指定的时间内到达目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、Wi-Fi室内导航、蓝牙室内定位技术、超宽带UWB室内定位技术、视觉导航、激光雷达导航等。
2.3密闭空间无人机应用现状
目前，国际上已初步开展了无人机在密闭工业场景中的巡检工作的研究，主要通过在机身外部增加防护罩的形式，可以对无人机的安全飞行进行有效保护。然而，在锅炉炉膛等密闭空间内若需自主飞行检测时，还需克服并解决如下问题，才能让无人机在锅炉炉膛内的飞行巡检更具效率。
1）无人机在锅炉中无法自主悬停。目前，无人机通常采用卫星导航或视觉导航方式。然而，在锅炉卫星信号拒止、黑暗的“双盲”环境中，卫星导航、视觉导航均无法使用，无人机无法进行自主定位。因此，上述两款无人机在锅炉膛进行检测作业时，对操作人员提出了较高的要求。尤其是当无人机在锅炉炉膛飞行时，操作人员无法观察到无人机，操作难度较大。
2）无人机在锅炉中无法实现三维自主避障。目前两款无人机是通过防护罩形式实现避障的，其存在一定不足：一方面，锅炉内一些细长的突出结构，可能会穿过防护罩，影响飞行安全;另一方面，防护罩在与炉壁碰撞时，虽然不会导致飞行事故，但会影响操作体验与影像质量。因此，需要研究基于传感器与智能算法的主动式避障方法。
3）无法确定无人机拍摄影像在锅炉中的位置。目前两款无人机在拍摄锅炉影像后，难以与其对应的炉体位置相对应。由于炉体内不同部位相似度较高，在记录大量影像后，即使发现缺陷也无法得知缺陷所在的具体位置。因此，需要研究无人机在锅炉中的相对定位方法，在此基础上推算拍摄影像在炉体内对应的位置，从而形成对影像的有效记录。
4）飞行器续航时间短。目前无人机的飞行时间在
10min～15min之间，无法满足远距离、长时间的飞行。一旦失去动力，需频繁更换蓄电池。对于炉膛较高的锅炉，飞行过程中需预估飞行时间，如中断飞行需更换电池，较难完成检测任务。
3密闭空间智能巡检无人机的研发目标
无人机在锅炉炉膛内飞行巡检时，无人机处于卫星拒止、无可见光的“双盲”环境中，这样的环境对无人机的感知、导航和控制技术都提出了很高的技术创新要求，研发目标如下：
3.1无卫星信号、无光照、强电磁干扰复杂环境下的无人机精确导航
锅炉炉膛属于金属封闭式环境，无人机进行锅炉检测作业时处于无卫星信号、无光的“双盲”环境中。目前商用无人机的智能飞控、增稳悬停、航线规划、避障等功能的实现均是以视野开阔或光线良好为前提。无人机通过GPS、惯性导航和人工视觉模块来获取位置、姿态、速度、障碍物距离等数据进行综合运算，从而实现增稳、悬停、避障、航线规划等智能功能。但在锅炉内GPS信号被遮挡，指南针受到金属结构干扰，视觉传感器因为光线黑暗无法工作。因此，为保障飞行器的安全飞行，需要结合新型导航技术，针对锅炉环境构建无人机的自主导航方法。
3.2锅炉无光照环境下障碍物感知与自主避障
锅炉炉膛检测作业主要为近观检测任务，指通过对锅炉表面的近距离观察，对其焊缝开裂、表面缺陷等问题进行排查。为了得到高分辨率的炉体影像信息，飞行器需要沿炉壁近距离飞行。为保障飞行器的安全飞行，需要对炉体内的复杂结构进行精确感知与建模。同时，无人机要能够自主感知环境、合理规划路径并及时躲避障碍物，否则存在无人机与炉壁碰撞，导致事故的风险。
3.3面向复杂锅炉检测任务的无人机系统设计
锅炉炉膛巡检任务要求无人机携带相机，在黑暗、封闭、强电磁干扰的炉体环境中，通过自主巡航和近观检测获得有效识别炉体结构中裂缝、变形、腐蚀等缺陷的图像信息。然而，检验过程中容易受到光照、浮尘、电磁干扰等不利因素影响，无人机难以稳定悬停并拍摄出清晰可靠的检测图像;另外，检测工作任务重、耗时长，现有无人机所采用的蓄电池供电系统难以满足无人机对工作效率的要求。因此，综合考虑锅炉检测任务对无人机感知、导航与控制的需求，需要对锅炉检验无人机硬件系统结构进行针对性设计。
3.4锅炉复杂环境下的无人机自主容错导航
传统商用无人机的智能飞控、增稳悬停、航线规划、避障等功能的实现均是以开阔或光线良好为前提。从原理上讲，无人飞机是通过GPS、惯性导航和人工视觉模块来获取当前位置信息、高度信息、姿态数据、当前速度、障碍物距离数据进行综合运算，从而实现增稳、悬停、避障、航线规划等智能功能。但在炉膛内，GPS信号被遮挡，指南针受到金属结构干扰，人工视觉模块因为光线暗淡无法工作，导致无人机部分智能功能丧失，在飞行中会出现明显的漂移，需要地面控制人员依靠丰富的经验控制飞行姿态。在黑暗、封闭的环境下，无人机控制难度与作业安全风险增大。无人机在此环境下的可靠定位成为突出问题，解决该环境下的自主定位是难点之一。
3.5基于三维模型的锅炉检测模拟与数据复现
在无人机研制过程中，需要进行大量的飞行控制系统半物理实时仿真和科研试飞试验，而飞行数据的观测、分析和处理是一个非常重要的环节。然而随着飞行数据量的增大，这种简单的方法越来越不能满足新要求。同时，锅炉实地检测通常需要耗费大量精力，传感器的真实数据往往来之不易，锅炉检测模拟环境的搭建以及锅炉数据的仿真复现可以减轻极大工作量。
4密闭空间智能无人机巡检研发关键技术
锅炉炉膛环境为无GPS、无光照的“双盲环境”，传统无人机基于GPS或视觉传感器的定位方法在此环境下不适用。因此，无人机高精度定位是本项目关键技术之一。锅炉均由金属构成，会对无人机与地面端的通讯产生较大影响。除此以外，传统无人机飞行时间受蓄电池影响往往需要多次重复飞行才能实现整个锅炉的检验。因此，炉膛内无人机通讯与电源问题也是本项目关键技术之一。
综上，面向火力发电厂锅炉炉膛自主飞行检测无人机研发的关键技术如下：
4.1基于三维激光雷达的无人机定位技术
在光照条件极差的封闭锅炉环境内，传统的基于视觉传感器的语义构图技术在此环境下具有一定的不适应性，而激光雷达作为一种自主式感知传感器，不受周围光照条件影响，测距精度高，测量范围广。因此，本项目采用激光雷达作为无人机的主要感知手段。通过对激光雷达实时构图技术的研究，分析其误差原理，实现锅炉精确三维地图的构建。研究内容具体包括：基于激光雷达点云的栅格地图概率表达，基于三维点云信息的地图模型构建技术。
4.2基于三维激光雷达的炉膛障碍物感知与标识技术
三维激光雷达通过激光测距原理，可得到无人机周围实时障碍物信息。采集得到的激光雷达信息不止用于无人机的导航定位，还能用以锅炉环境的智能感知。因此，本项目采用基于激光雷达点云模型的锅炉障碍物感知与标识技术，用于无人机实时自主避障功能。研究内容具体包括：激光雷达点云感知与处理、炉膛障碍物自主标识技术。
4.3异步异构传感器多源信息融合技术
无人机在锅炉复杂环境下要实现平稳安全飞行仅依靠单一传感器是无法实现的。从定位角度说，单一传感器无法满足无人机控制所需的高频高精度位姿解算;从安全飞行角度说，单一传感器信息有限，无法满足对无人机周边障碍物全方位检测。基于以上分析，需要深入研究多种异步异构传感器信息融合算法以实现高精度位姿解算以及无人机周边环境全方位感知。
4.4无人机雷达点云数据与锅炉模型匹配技术
无人机通过三维激光雷达可以感知炉膛内的距离信息，从而形成点云数据。通过相关性匹配算法，将该点云数据与锅炉内炉膛模型相匹配，可以得到无人机在锅炉中的相对位置。进而，通过相机与炉膛的距离、角度信息，可以推算拍摄图像在锅炉中对应的部位，从而为检测提供准确的参考。
4.5密闭空间无人机的供电方案设计
锅炉检验属于长时间作业任务，无人机在一次飞行作业中通常需要在空中停留长达一个小时甚至更长时间，面向这种特殊的长时间作业任务，需要对无人机的供电方案进行针对性的设计。研究内容具体包括：基于系留无人机解决方案的无人机有线供电系统设计，考虑地空电力传输故障的无人机机载备用供电方案设计，大功率高可靠性无人机系统地面端电源设计。
5结论
密闭空间锅炉炉膛采用智能无人机巡检有着低成本、高效率、高智能等显著优势，在锅炉炉膛高效检测工作中发挥了巨大作用，这对提升传统火力发电行业的智能化具有较大的价值。
随着技术的发展，无人机平台将可以搭载测厚设备、光谱分析设备等，可以对锅炉进行更加全面地检测，从而达到代替人工的目的。此外，通过本课题研究取得的无人机相关技术，也可在船舱、核电站、油罐、大型管道等其它密闭空间的工业环境的检测中得到推广应用。
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