输油场站巡检机器人系统及软件设计

（中信重工开诚智能装备有限公司，唐山 063020）

0 引言

输油场站是石油化工企业中一个非常重要的环节，承载着成品油的储存、运输及终端销售供给的作用。为了确保输油场站及成品油的安全，每天需要大量的专业人员对输油场站内的管路及设备进行定时巡视。这种方式危险性高、劳动强度大，而且受巡检工个人工作能力的限制，巡检质量也参差不齐。随着机器人技术的发展，一种新的利用机器人的巡检模式应运而生。巡检机器人可搭载一系列传感器，代替巡检人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等现场进行巡检、探测，有效解决巡检人员的劳动强度大、现场数据信息采集不足等问题，而且还可以对现场管道、仪表等设备的运行状况和显示信息进行监测和识别判断，有效提高输油场站的自动化和智能化水平，具有广阔的发展空间和应用前景。本文介绍了一种输油场站巡检机器人系统及其软件设计方法，在输油站中取得较好的应用效果。

1 巡检机器人系统组成

输油场站巡检机器人系统由防爆轮式巡检机器人、自动充电装置、无线基站和上位机远程控制站组成。防爆轮式巡检机器人、无线基站和上位机远程控制站通过无线方式进行通信。

1.1 防爆轮式巡检机器人

防爆轮式巡检机器人是巡检系统中的主体，防爆轮式巡检机器人主要由轮式运动底盘、智能双视云台、挥发性有机物探测器、前后导航组件、避障传感器、防爆扬声器、天线、拾音器以及自动充电组件等组成，巡检机器人外观结构如图1所示。

轮式运动底盘包括防爆驱动机构和车轮，防爆驱动机构共有四组，具有相同的机械结构且相互独立，均由防爆壳体组件、驱动电机、减震缓冲器、减速机和驱动轴组成；四组独立防爆驱动机构各具有一个独立的减震缓冲器，组成四组独立的长行程悬挂装置；当机器人在崎岖地面行走移动时，四组独立的长行程悬挂装置可保证每个车轮与地面完全接触，避免车轮出现打滑现象。

智能双视云台上搭载有高清摄像机和热成像仪，用于对现场设备进行高效巡视。摄像机镜头装有雨刷，能够清理镜头玻璃上的水渍和浮土等，使监控画面维持在较清晰的状态。

挥发性有机物探测器用于实时监测成品油的泄漏情况，采用新一代真空纳米陶管光致电离（PID）检测技术，内置高性能隔膜气泵，响应迅速，恢复时间快。

红外避障传感器用于检测机器人行进路程中障碍物的情况，该传感器集发射与接收于一体，检测距离可以根据要求进行调节，调节范围为0～3米，该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、使用方便等特点。巡检机器人在前、后各安装一个避障传感器，可有效避免与障碍物的碰撞，提高机器人运行过程中的安全性能。

为了使巡检机器人按照规定的路线进行巡检，在巡检机器人前、后方底部装有磁导航传感器。该磁导航传感器具有低功耗、灵敏度高的特点，采用16点检测，点间距1cm，使巡检机器人高速或转弯时不易丢失导航信号。

图1 防爆轮式巡检机器人外观结构

1.2 无线基站

在巡检机器人的工作区域设有无线基站，多台无线基站之间通过光纤进行连接，使整个巡检机器人工作区域都被无线网络覆盖，以实现与远程控制站（服务器）的连接通讯。巡检机器人检测到的数据信息通过无线传输，上传至上位机服务器进行监控、分析、告警等。

1.3 上位机远程控制站

上位机远程控制站（服务器）访问巡检机器人采集的信息，然后进行分析处理，如有异常自动报警，或通过网络转接发送短信给用户及上传给上级部门，供专家团队决策。客户端通过服务器可以对现场巡检机器人进行远程操控，如关键点复查等操作。巡检机器人上位机操作界面由系统、控制、查询、配置等部分组成，程序启动后，默认为系统界面，通过选择菜单栏，可进入相应的界面。系统界面主要分为：菜单栏、状态栏、状态信息栏、操作栏、系统信息栏、报警信息栏、可见光视频图像、红外热像等部分。如图2所示。

图2 上位机系统界面

1.4 自动充电装置

巡检机器人可以进行自身状态识别，实现自诊断功能，当检测到电量低后，自动返回充电。巡检机器人自动充电装置由充电桩和防爆充电控制箱组成，两设备之间由电缆进行连接，在安全区完成自动充电。机器人在运行过程中，自身检测到电量低于设定值后，自动寻找充电桩，进行充电。到达充电时间，根据预先设定模式，继续巡检或休眠。自动充电接触部采用电气闭锁技术，不充电时或故障状态下，触点禁止带电，以保证运行安全。在防爆区域也可以进行手动应急充电操作。

2 巡检机器人系统软件设计

巡检机器人系统软件由两大部分构成，分别为机器人本体嵌入式控制软件和上位机监控识别软件。

2.1 机器人本体嵌入式控制软件

机器人本体控制软件程序主要完成对巡检机器人本体的控制功能、自诊断功能以及和上位机的通讯功能。机器人本体嵌入式控制软件首先对底层程序进行配置和初始化，如单片机时钟、GPIO接口、串口、CAN、IIC、DAC、ADC、看门狗等，然后对应用层初始化，主要配置与上位机通讯点表、伺服电机工作模式及状态、各类传感器初始数据等。最后进入循环程序，不断执行报警处理函数、命令执行函数和通讯处理函数三个模块函数。报警处理函数完成对自身状态识别判断，如前方是否有障碍物、是否存在电池电量、电机故障、传感器故障等。命令执行函数是上位机下发命令的执行模块，逻辑性较强。如自动模式、手动模式、到点检位逻辑操作等等。通讯处理函数主要完成采集所有传感器数据、自身电量数据及与上位机通讯。机器人本体嵌入式控制软件主流程图如图3所示。

图3 机器人本体嵌入式控制软件主流程图

2.2 上位机监控与识别软件

2.2.1 机械式仪表读数识别方法

上位机监控与识别软件采用C++语言进行开发设计，一是负责对巡检机器人上传的数据进行分析处理、异常报警及记录存档，实时刷新界面，浏览视频；二是对巡检监测的设备，如仪表、阀门等的工作状态进行识别。巡检机器人到达巡检位后，上传到位信号及点检位卡片号，通过卡片号调用相应云台预制点，初步寻找仪表或者阀门位置，通过分析确定目标在画面中的位置进行闭环调节，再次捕获清晰的目标照片进行状态、数据识别。

输油场站内的目标主要包括机械仪表（压力表、温度表等）、电子仪表（流量计等）、阀门（球阀、截止阀、蝶阀等）等。经过预先标定，将每处需要拍照检测的目标观测点设置为云台的预置点，机器人通过导航及RFID定位运行到点检位，自动调用云台预制位后进行拍照，为了避免出现抓拍中无目标漏检问题出现，先抓拍一张视野较大的全景图，通过算法分析锁定目标位置。然后根据每个目标的位置进行云台自动调节，得到放大的特写图，以便提高识别精准度，最后对特写图目标进行识别。

下面以机械式仪表为例，阐述一下仪表读数的识别方法。首先根据目标位置截取仪表图像，然后对图像进行灰度处理、平滑处理，去除摄像机成像过程中的噪点。接下来对图像进行二值化，采用自适应的局部阈值，这样可以避免阴影的影响。二值化分出许多刻度及其他信息，不同刻度线所在的直线会相交，它们的焦点汇聚到仪表盘的圆心位置。根据统计相交最多的点，求出圆心位置。圆心到刻度线中心的平均距离为仪表盘的半径。围绕着圆心，保留仪表盘半径内的二值信息，选取最大的联通区域为指针区域。指针联通区域的点拟合成直线，根据直线斜率求出指针的角度。机械式仪表识别程序流程图如图4所示。

图4 机械式仪表读数识别流程图

2.2.2 阀门状态识别方法

阀门开关状态判定主要分为四个步骤：

1）初始信息输入：包括阀门法兰直径长度、阀门打开和关闭长度；采集图像输入：定位阀门位置，输入待识别阀门图片。

2）定位法兰位置

在图片中寻找深蓝色区域、定位法兰区域，如果蓝色区域没有找到，则进行图片二值化，画轮廓，通过最大轮廓得到法兰区域，计算法兰占的像素数。

3）定位阀杆位置

在图片法兰区域上部查找红色区域，定位阀杆位置，如未识别到红色，则对图片进行二值化，统计中心点附近黑像素多少，定位阀杆位置，计算阀杆占的像素数。

4）确定阀门开关状态

通过法兰所占的像素数及输入的法兰直径长度，计算出每个像素代表多少毫米，阀杆占的像素数乘以每个像素代表的毫米数，即得阀杆长度；将计算后得到的阀杆长度与输入的阀门关闭时阀杆长度进行比较，如果大于某一阈值，则认为阀门是打开状态，小于某一阈值则认为阀门处于关闭状态。

3 系统应用情况

该输油场站巡检机器人系统已在某输油站成功应用，根据现场巡检工艺流程，巡检机器人24小时不间断运行，进行巡检作业，完成了输油站对油罐、过滤器、减压阀、流量计等输油设备的巡检任务以及对点检位仪表及阀门的状态识别，上位机监控画面如图5所示。应用结果表明，该巡检机器人系统数据采集准确，监控画面清晰，故障判断及时，节省了大量的人力物力，不仅替代了人工巡检工作，达到了无人值守的目的，而且减员增效效果明显，取得了较好的经济效益，该巡检机器人系统也可用于其他设备巡检领域，具有广阔的应用前景。

图5 上位机监控画面

4 结论

针对石化企业输油场站设备巡检问题，本文介绍了一种输油场站巡检机器人系统及其软件设计方法，巡检机器人完成对设备的数据采集、图像传输，无线基站完成机器人与上位机之间的无线通讯，上位机远程控制站完成现场监控和图像识别，发现故障及时报警。实际应用证明，该系统组成结构合理、功能完善，软件设计方法正确，达到了输油场站无人值守的目的。