挂轨巡检机器人在风机机舱内的应用

陈珍CHEN Zhen；刘积喜LIU Ji-xi；冼小强XIAN Xiao-qiang；甘杨成GAN Yang-cheng；徐光平XU Guang-ping；冯冰FENG Bing；杨文明YANG Wen-ming

（①广东粤电阳江海上风电有限公司，阳江 529800；②北京中安吉泰科技有限公司，北京 100000）

0 引言

风能作为一种可再生的清洁能源，对缓解能源危机和减少碳排放总量有着重要作用，是清洁能源体系的核心组成部分，是我国实现碳中和、碳达峰目标的重要能源形式，近年来受到越来越多的重视。风电机组作为将风能转化为电能的核心装备，其安全高效的运行是风电能源供应的有力保障。而风电机舱作为承载风电机组的核心关键部件的地方，其内部设备、参数是否正常运行，对风电机组的可靠稳定运行起着至关重要的作用。

目前，针对风电机舱内巡检作业只有采用人工方式，即按照既定的巡检计划，检修人员定期爬到机舱内部，对机舱的内部情况、各项参数等做检查。由于风电场建设的位置多在偏远山区、海上等交通不便的地方，尤其是海上风场，做一次巡检成本较高，当风机在保修期内时，其巡检工作是由设备厂商承担，但是当设备出保，巡检工作将交给风场自己完成，将面临成本高、频次低、实时性差、工人安全保障等问题，因此亟需采用新型的自动化、智能化的方式，在提高巡检实时性的同时，实现低成本、安全、高效、可靠的机舱巡检。

机舱内巡检内容内容包括发电机、主轴、齿轮箱等设备是否正常运转，检查仪表读数，设备是否报警，是否有异响、高温、跑冒滴漏等现象，并对设备的关键部位进行检查。针对前述巡检工作存在的问题，经我方充分调研论证，研制适合在风机机舱内运行，搭载摄像头、云台、升降杆、传感器等设备的挂轨巡检机器人，结合人工智能、大数据技术，满足关键巡检要求。

1 机器人介绍

风电机舱巡检机器人系统是在风机机舱内部悬挂轨道，机器人运行在轨道之上，自动完成指定巡检任务，对检查点按照预设的检查方式获取检查数据，并将结果存入软件系统，通过软件系统的可视化模块展示。该系统包含机器人本体和软件系统两部分，具备核心能力如下：

①全方位多通道联合检测：除传统的红外测温、可见光检测外，有害气体泄漏成像检测、红外成像检测、振动检测、异响分析等全方位多通道联合检测方式，将状态检（监）测的技术水平提高到了一个新的高度。

②全方位运动系统：机器人可根据现场实际条件，采用激光导航或其他导航方式，可以沿既有路径前进、后退、转向，具备超声避障功能，也可以根据设备检测角度自助升降云台，使检测更加灵活、更加方便、更加准确。

③全实时通信传输系统：机器人采用了MESH无缝漫游通信系统，将机器人检测的各类数据实时传回基站，并实时交由大数据处理系统进行分析处理。作为该系统的通讯备份，装换车载工控可在无缝漫游通讯系统的情况下确保机器人稳定运行。

④可视化实时监测：基于数字孪生、大数据及三维模型等技术构建的实时可视化监测系统，能够在三维模型中看到机器人当前的位置，检查点数据等信息。

⑤智能识别：通过搭载的可见光摄像头，结合智能识别模型，机器人具备多种识别分析能力，包括表计识别、跑冒滴漏识别、异响分析等。

⑥大数据分析处理系统：巡检机器人有强大的后台大数据平台支持。基站大数据平台将获取的经模式识别后的数据及其它设备的检测数据进行关联分析后，生成实时检测分析报告，同时发至上级大数据处理中心进行进一步综合分析。

⑦全系统灵活配置：由于采用了实时数据传输及定位技术，云台可以不受预置位数量限制，达到一机多点检测，一次巡检完成对多个检测点的检查。

⑧多维感知识别系统：无论是SF6气体泄漏成像检测、紫外成像检测、红外成像检测还是可见光检测，其视频数据模式识别后，均可稳定地获得相应的故障告警值和视频以及所测设备的对应信息。

2 机器人系统设计

挂轨式智能巡检机器人系统由机器人本体，轨道系统，供电系统和通信系统沟通。

2.1 机器人本体

根据挂轨式智能巡检机器人的主要功能，把硬件结构划分为如下几部分：运动模块、控制模块、视频监控模块、实时监测模块（如图1、图2所示）。

2.1.1 运动模块

机器人安装有滑轮，嵌入工字型轨道两侧，滑轮分为驱动轮和导向轮，前者与电机连接具有一定的摩擦力，在电机驱动下带动机器人在轨道上运动，后者则起到转向作用，在遇到弯轨时带动机器人转向。

2.1.2 控制模块

机器人内置芯片，具有内存、cpu和磁盘等子部件以及各种接口，安装操作系统以及下位机控制平台程序，与机器人上的传感器、运动系统、云台、摄像头等设备通信，获取、转发数据，接收并下发机器人控制指令。

2.1.3 视频监控模块

视频监控模块由四部分组成，包括高清可见光相机、红外相机、云台和升降杆。可见光相机、红外相机安装在云台上，与升降杆连接，在升降杆电机的带动下上下移动，便于监控人员查看机舱内较低位置的情况，云台则提供摄像头水平和垂直方向转动的能力，从各个角度观察机舱内。

①高清可见光相机。

用于在巡检过程中拍摄实时视频和巡检点照片。高清摄像机结构大致可分为三部分：光学系统（镜头）、光电转换系统（CCD或者CMOS）以及电路系统（视频处理电路）。摄像机的工作原理是“光→电→磁→电→光”的转换过程。另外，高清摄像机带补光灯，用于光线不足环境下补光，拍摄清晰视频图像。补光灯是由红外发光二极管矩阵组成。它的工作原理是通过外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光。

②红外热像仪。

用于在巡检过程中，检测被巡检设备的温度。它的原理是通过红外探测器、光学成像物镜来接受被测物体的红外辐射能量。由探测器将红外辐射能量转换成电信号，成像装置的输出电信号，经放大处理、转换得到与被测物体表面热分布相应的热像图。

③云台。

安装、固定摄像机的支撑设备，可以进行水平和垂直两个方向转动。它的工作原理是云台内部装载了两个电动机，一个负责水平方向的转动，另一个负责垂直方向的转动。该云台垂直旋转角度为±90°，水平旋转角度为0～360°连续旋转。

④升降杆。

一端伸出机器人外壳与连接云台，一端在机器人外壳内与电机相连，带有限位开关，在升降杆运动到某个特定位置时会停止运动，防止升降杆滑落，超出运动范围。

2.1.4 实时监测模块

机器人内部具备扩展能力，为适应实际场景可搭载各种传感器或者设备，目前搭载可见光相机、红外相机、温湿度传感器、气体等传感器、拾音器等设备，实时感知机舱内的情况，并实时将数据传至后台服务器。

挂轨机器人本身是一个以挂轨方式运行的基础平台，内部具备众多扩展接口，可以根据实际场景的需要增加扩展监测模块，常见扩展模块如表1所示。

表1 检测模块及说明

2.2 轨道系统

轨道虽然不是机器人本体的一部分，但是与运动系统紧密相关，为适应运动系统的结构和应用场景而设计。采用添加了特殊金属的铝合金材质，质量轻，强度高，制作成工字型结构，两侧内凹的设计便于挂载机器人，供机器人滑轮行走，轨道的四个角采用凹槽结构，可将高强度的滑块放入其中，用于拼接轨道和悬挂。轨道的挂载采用L型连接板连接轨道和挂载点，在凹槽内放置带孔的滑块，连接板短的部分用螺丝与轨道内的滑块连接，长的部分使用长螺栓固定在风机机舱内部加强筋或者吊点位置。示意图如图3所示。

轨道拼接时，将滑块从轨道一端塞入，移动至连接部位，使用一字型连接板与滑块孔位置一一对应，再用螺丝拧紧，完成拼接。如图4所示。

2.3 供电系统

机器人的电力来自机舱电控柜的电源。考虑到机舱内空间狭窄，运行距离很短，机器人采用滑触线方式供电，可以减轻机器人的重量，无需安装充电装置。整个供电模块分为三部分，配电箱、滑触线和机器人本体的接电装置。

①配电箱。配电箱安装在机舱电控柜旁边，从电控柜空开处接电源线，与内置220V电源连接。

②滑触线。使用纳米胶贴在轨道内侧，使用耐高温的材料制作，带正负极两个槽，配电箱接出来的电源线与正负极相连，实现供电。

③接电装置。接电装置安装在在机器人顶部，有两个电刷卡在滑触线正负极上，保证机器人在各种姿态下都可以与滑触线接触，电刷与控制模块相连，为其他设备供电。

2.4 通信系统

通信模块由交换机、滑触线及载波通信板组成，通过塔基柜连入风场网络。

①交换机。交换机安装在配电箱内，与塔基柜的网线相连，接出一根网线连接到载波通信板上。

②滑触线。滑触线除了为机器人供电外，还是通信信号传输的主要通道。

③载波通信板。主要作用是利用电源线传输信号进行通信。机器人系统有两块载波通信板，一块安装在配电箱里，使用电源线与滑触线连接，做电信号、通信信号互相转换；另一块安装在机器人里。

3 机器人软件系统

除了机器人相关硬件系统外，加入人工智能、大数据据技术。

3.1 软件架构

机器人软件系统整体架构如图5所示。

①设备端。由机器人系统和智能设备组成。在机器人系统中挂载视频传感器、红外传感器、超声监测传感器等智能设备。

②边缘端。可配置不同协议和通讯接口连接巡检机器人。除实现检修机器人的任务下达及业务监控以外，还将巡检数据通过网关同步到云端应用中。提供强大的应用集成、测试、管理、控制和分发的能力。边缘服务器通过与机器人接口进行连接，可在前端显示机器人控制的环境，检测信息等。并把机器人的测试数据、机器人环境数据、指标告警数据、导航数据、日志数据等上报给云监管应用中。

③云端。机器人云应用层又分为五层，分别为数据接入层、大数据存储层、大数据计算层、服务层和应用功能层。

1）数据接入层：解决数据接入的问题，接收从边缘端传输上来的数据，然后将数据存储在存储层。

2）大数据存储层，从边缘节点上传上来的数据分为四种形态，分别为传感时序数据（例如：检测环境信息，温湿度数据等），关系型数据（例如：设备台账信息），分布式文件存储数据库（存储视频、图片等信息）。

3）数据计算层：核心层提供了离线和实时指标计算平台，支持通过配置化方式实现指标的定义和配置，实现零代码方式进行规则指标计算，同时支持人工智能分析平台，提供分类、回归、聚合、图像识别等人工智能算法，可以为大数据的深入分析提供基础。

4）服务层提供了大数据查询服务、可视化分析服务等能力，为业务应用开发提供核心能力。

5）应用功能层：提供对巡检机器人本体的控制及传感器的监测功能，机器人的配置管理、故障预警、监控看板、管理驾驶舱等功能模块。

3.2 软件功能

风电机舱巡检系统机器人软件系统功能模块具体包括如下内容：

①巡检任务管理：支持手动、自动巡检任务模式，通过编排检查点以及检查点执行的操作，定制、管理自动任务，同时具备对巡检结果的多维度查询统计分析功能；

②实时监控：基于数字孪生、三维模型、大数据技术，实现对机器人、机舱状态实时监控，帮助用户清晰、直观展示风机运行情况；

③智能模型：内置表计识别、跑冒滴漏检测等满足机舱内部巡检要求的人工智能模型，实现对机舱内部情况实时监控，实时报警；

④远程遥控功能：通过系统提供的web操控界面，实现对机器人的远程控制，包括机器人启停、云台位置控制等；

⑤管理驾驶舱：通过风机实时采集到的巡检结果数据及风机自身的实时运行数据，经汇总加工，以可视化方式动态展示，便于用户实时掌握风机运行情况。

4 结语

通过对基于数字孪生的风机可视化智能巡检系统的研究，搭建了风机三维模型，利用数字孪生技术，将风机机舱内的传感数据关联到模型中，实现风机巡检的自动化、数字化、可视化；利用机器人搭载环境监测、振动、温度、声音、气体等各类传感器、可见光及红外相机等设备，实时获取机舱内的设备、环境、音视频等数据，实现风机的远程实时监控；结合人工智能技术实现的基于视频的智能模型，配合机器人的可见光相机，使得机器人具备了进行表计识别、人员行为分析等高级巡检任务的能力。综上所述，该系统能够为风机巡检工作提供新的思路，使得风机运维向无人化、智能化迈进了一大步。