特種設(shè)備和危化品儲存容器無人機(jī)巡檢方法研究

郭 晉 楊景標(biāo)

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院 廣州 510655）

特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜鲝V泛應(yīng)用于我國重要的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，對人身和財產(chǎn)安全有較大的潛在危險性。大型塔器、乙烯球罐和原油儲罐、有毒介質(zhì)儲罐等特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜鳎绨l(fā)生泄漏、火災(zāi)甚至爆炸事故，可能造成人員傷亡、重大的經(jīng)濟(jì)損失或嚴(yán)重的環(huán)境污染，其后果將嚴(yán)重影響社會安定。

為了使特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜魈幱谡Ｊ褂脿顟B(tài)，使用單位一般會進(jìn)行經(jīng)常性的巡檢和自行檢查；設(shè)備到了檢驗周期時，檢驗機(jī)構(gòu)還會對設(shè)備的安全狀況進(jìn)行符合性驗證性質(zhì)的定期檢驗[1]。無論是巡檢、自行檢查，還是定期檢驗，都有宏觀檢查或宏觀檢驗項目，且主要是通過人工目視檢查來完成。對于大型的特種設(shè)備和危化品儲存容器，一般通過扶梯或腳手架對人工可達(dá)部位進(jìn)行目視檢查。人工攀爬不僅費(fèi)時耗力，工作效率低，勞動強(qiáng)度大，而且由于通過扶梯或腳手架難以覆蓋設(shè)備的所有部位，存在一些死角，因此很難全面發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，致使一些本應(yīng)發(fā)現(xiàn)的事故隱患未能及時發(fā)現(xiàn)。

而在巡檢管理方面，限于技術(shù)原因，目前普遍采用“翻牌”的方式。如石化廠沿用的掛牌巡檢模式，即操作人員按照一定的路線，將第一站的牌子摘下掛在第二站上，第二站的掛在第三站上，依次類推直到巡檢結(jié)束。也有的采用較為先進(jìn)的電子巡檢模式，但都需要人工參與，不可避免地存在作業(yè)死角。

目前已有將無人飛行器應(yīng)用于公共安全、救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域的研究報道[2-6]。無人飛行器巡檢相比人工徒步巡檢具有效率高、操作簡單、使用成本低、檢測范圍廣、無死角等優(yōu)點，基于無人飛行器的巡檢技術(shù)較多地應(yīng)用于電力巡檢[7-11]。

多旋翼無人飛行器通過搭載全方位高清攝像頭及視頻信號無線回傳系統(tǒng)，可通過自身攜帶的攝像機(jī)將拍攝的視頻實時傳輸?shù)降孛婵刂破脚_[12-14]。由于無人飛行器機(jī)身輕巧便于攜帶，操作輕便，可全方位、近距離拍攝受檢對象，巡檢作業(yè)無死角，無盲區(qū)。巡檢過程若發(fā)現(xiàn)問題，無人飛行器可懸停拍攝，工作人員可以對疑似問題的嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷并擬定處理措施，免除了人工攀爬、檢查等作業(yè)困難，大大降低了人工巡檢作業(yè)的危險系數(shù)和勞動強(qiáng)度。

鑒于無人機(jī)巡檢技術(shù)的優(yōu)勢，本研究的主要目的是探索將無人飛行器應(yīng)用于特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜餮矙z的可行性和適用性。

1 無人機(jī)巡檢的飛行作業(yè)流程

為了使特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜鳠o人機(jī)巡檢能達(dá)到檢驗效果，確保作業(yè)順利進(jìn)行，同時保護(hù)無人機(jī)不受損，需要制訂一套可以指導(dǎo)具體巡檢作業(yè)的工作流程。本研究采用的是筆者已搭建的無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括多旋翼無人飛行器、飛控系統(tǒng)（遙控器）、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)等四個部分[15]。

基于多旋翼無人飛行器的特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜餮矙z飛行作業(yè)流程的主要步驟簡述如下：

1）巡檢作業(yè)前，觀察受檢對象周圍較高建筑物，確認(rèn)無人飛行器返航高度。根據(jù)周圍房屋建筑、樹木、山包的高度適當(dāng)調(diào)整返航高度，防止飛行器飛到建筑物或者山包后面時，飛行器與遙控器信號被阻擋丟失信號后，飛行器會按設(shè)置好的返航高度直線飛回起飛點。

2）根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的方案和路線進(jìn)行飛行、拍攝和檢驗等作業(yè)。通過無線傳輸設(shè)備，將巡檢拍攝結(jié)果傳送至遙控器，通過連接遙控器的顯示設(shè)備可以觀察相關(guān)拍攝結(jié)果。

3）根據(jù)無人機(jī)拍攝結(jié)果，對設(shè)備的整體情況進(jìn)行判斷。

2 巡檢作業(yè)方案

巡檢方案主要是制訂將無人機(jī)應(yīng)用于特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜骱暧^檢查拍攝時的路線和內(nèi)容，實現(xiàn)對設(shè)備的宏觀檢查或檢驗。無人機(jī)巡檢路線主要是針對高聳立式和沿水平方向布置的特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜鱽磉M(jìn)行設(shè)定。

對儲存無色無味?；妨黧w介質(zhì)的容器是否發(fā)生泄漏，可借助飛行器裝載紅外相機(jī)來拍攝檢查。此外，裝載紅外相機(jī)的飛行器還可以實現(xiàn)夜間巡檢。

對設(shè)備的無人機(jī)巡檢方式可細(xì)分快速巡檢和精細(xì)巡檢兩種。快速巡檢是對設(shè)備系統(tǒng)總體運(yùn)行狀況進(jìn)行快速檢查，主要檢查設(shè)備是否完好，從宏觀角度判斷設(shè)備的安全狀況。精細(xì)巡檢是利用無人飛行器懸停功能對設(shè)備存在缺陷或異常的部位進(jìn)行精細(xì)拍攝檢查。

根據(jù)無人飛行器巡檢的拍攝結(jié)果，對設(shè)備的安全狀況進(jìn)行初步的判斷，對是否需要采取進(jìn)一步措施提供直觀的實時依據(jù)。

2.1 立式特種設(shè)備巡檢

對設(shè)備巡檢的主要內(nèi)容包括：1）設(shè)備系統(tǒng)的總體運(yùn)行狀況；2）設(shè)備、管道及其安全附件的“跑、冒、滴、漏”情況；3）現(xiàn)場安全防護(hù)、消防等設(shè)施的狀況；4）關(guān)鍵設(shè)備和重點部位的安全狀況。

對于立式設(shè)備如高聳塔器，巡檢的飛行路線如圖1所示，通過控制飛行器從設(shè)備兩側(cè)緩慢爬升，上升到預(yù)定的高度后環(huán)繞塔器中軸線進(jìn)行環(huán)繞模式飛行，同時對塔器的外表面進(jìn)行拍攝，進(jìn)行快速巡檢作業(yè)；如發(fā)現(xiàn)有問題，控制飛行器處于懸停狀態(tài)對有問題部位進(jìn)行仔細(xì)拍攝，開展精細(xì)巡檢作業(yè)。

對于普通規(guī)模的設(shè)備，一般可通過人工進(jìn)行外部宏觀檢驗，如需使用飛行器進(jìn)行檢查時，可以控制飛行器爬升到預(yù)定高度，然后圍繞設(shè)備中軸線在一個半徑范圍進(jìn)行拍攝檢查，如發(fā)現(xiàn)問題，將無人飛行器懸停后進(jìn)行仔細(xì)拍攝。

圖1 塔器的無人機(jī)巡檢路線示意圖

2.2 水平布置特種設(shè)備巡檢

沿水平敷設(shè)壓力管道是一種典型的水平設(shè)置的特種設(shè)備，其巡檢的內(nèi)容主要包括：1）管廊架上一切管線的總體運(yùn)行情況；2）管線有無“跑、冒、滴、漏”、銹蝕、損壞等現(xiàn)象；3）管廊架自身鋼結(jié)構(gòu)是否完好無銹蝕、平臺護(hù)欄是否完好無缺損及周邊有無危害到管廊安全運(yùn)行的情況；4）管廊周圍是否有對管線有安全隱患的施工活動等。

對于沿水平方向的管道，可以通過來回地飛行路線進(jìn)行巡檢，巡檢路線如圖2所示。飛行器在飛行過程中進(jìn)行拍攝，進(jìn)入快速巡檢作業(yè)狀態(tài)；如發(fā)現(xiàn)有問題，控制飛行器處于懸停狀態(tài)對有問題部位進(jìn)行仔細(xì)拍攝，開展精細(xì)巡檢作業(yè)。

2.3 利用紅外相機(jī)的巡檢

上述兩種飛行路線的巡檢方案，主要是實現(xiàn)可見光的宏觀檢查或檢驗。而對于無色無味流體介質(zhì)的泄漏、保溫層破損導(dǎo)致的溫度變化、夜間巡檢拍攝等可通過無人飛行器搭載紅外相機(jī)來實現(xiàn)。如對于危化品流體介質(zhì)的泄漏或保溫層破損導(dǎo)致的溫度變化后果，可以制定如圖3所示的巡檢路線。

通過控制飛行器在設(shè)備兩側(cè)緩慢爬升，上升到預(yù)定高度后環(huán)繞容器中軸線進(jìn)行環(huán)繞模式飛行，同時對容器的外表面泄漏情況和保溫層破損情況進(jìn)行紅外拍攝，開展快速巡檢作業(yè)；如發(fā)現(xiàn)設(shè)備有問題，控制飛行器處于懸停狀態(tài)對有問題部位進(jìn)行仔細(xì)拍攝，進(jìn)入精細(xì)巡檢作業(yè)模式。

圖2 壓力管道的無人機(jī)巡檢路線示意圖

圖3 介質(zhì)泄漏的無人機(jī)巡檢路線示意圖

3 巡檢案例分析

本研究的無人機(jī)巡檢技術(shù)采用有效像素為1600萬（分辨率為4608×3456）的云臺相機(jī)和FLIR長波紅外熱成像云臺相機(jī)（分辨率為640×512），無人機(jī)系統(tǒng)為大疆的T600型飛行器。無人機(jī)巡檢可以實現(xiàn)的效果分析如下。

1）對于立式和水平布置特種設(shè)備的無人機(jī)巡檢，宏觀檢查的效果就如人工進(jìn)行的目視檢查，可以就設(shè)備的總體運(yùn)行情況、設(shè)備外表面銹蝕情況、外表面保溫情況、安全附件運(yùn)行情況、設(shè)備的“跑、冒、滴、漏”情況等進(jìn)行拍攝檢查。

2）裝載紅外熱成像相機(jī)的飛行器，與人工巡檢不一樣，可以更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)保溫層破損情況。對某石化企業(yè)的乙烯球罐保溫層破損情況進(jìn)行檢查，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)球罐的外部保溫?fù)p壞部位為圖4中的左上角，其溫度較其他部位要高，說明該部位的保溫材料有損壞。對于普通的目視檢驗或可見光相機(jī)所拍攝的圖像，均未能有效發(fā)現(xiàn)該部位的保溫層破損。究其原因，是外保溫的保護(hù)金屬層未破損，只是保護(hù)金屬與設(shè)備外表面之間的保溫材料已脫落導(dǎo)致該部位的溫度出現(xiàn)異常。

圖4 紅外相機(jī)拍攝的溫度變化圖像

3）裝載紅外熱成像相機(jī)的飛行器，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)無色無味流體介質(zhì)的泄漏和煙霧擴(kuò)散。對某煉化企業(yè)儲罐區(qū)一原料油儲罐發(fā)生泄漏后引發(fā)火災(zāi)情況進(jìn)行拍攝，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)了設(shè)備的介質(zhì)泄漏和煙氣擴(kuò)散情況，可以清楚地看出發(fā)生泄漏的儲罐和部位，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，進(jìn)而采取應(yīng)急處置措施。

圖5 紅外相機(jī)拍攝的介質(zhì)泄漏圖像

通過裝載紅外熱成像相機(jī)，還可以實現(xiàn)無人飛行器的夜間飛行巡檢，主要是在測試基地進(jìn)行無人機(jī)夜間飛行和紅外熱成像拍攝測試。

總的來說，無人飛行器通過搭載紅外熱成像相機(jī)，可以對溫度異常、流體介質(zhì)泄漏、火災(zāi)煙霧等現(xiàn)象進(jìn)行拍攝，為人工巡檢難以發(fā)現(xiàn)這些問題提供強(qiáng)有力的輔助和補(bǔ)充。

無人機(jī)巡檢案例和測試結(jié)果表明，通過操控?zé)o人飛行器，可實現(xiàn)對特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜鞯难矙z，獲得設(shè)備安全狀況信息，為是否需要采取進(jìn)一步措施提供參考直觀的圖像依據(jù)。本方法的應(yīng)用結(jié)果體現(xiàn)了以下特點：

1）提高了巡檢工作效率，同時由于免除搭設(shè)腳手架而降低了作業(yè)成本。

2）容易對人工難以到達(dá)的位置進(jìn)行檢查。只要飛行空間允許，無人飛行器可以360°全方位進(jìn)行飛行巡檢，做到不留死角。對于外圍輔助設(shè)施復(fù)雜的設(shè)備，由于受無人機(jī)飛行路線所限，無人機(jī)距離設(shè)備比較遠(yuǎn)，需通過高分辨率的攝像機(jī)才能對設(shè)備外表面進(jìn)行有效的檢查拍攝。

3）通過搭載紅外熱成像設(shè)備，可以實現(xiàn)紅外熱成像功能和夜間巡檢，對設(shè)備外表面溫度異常、流體介質(zhì)泄漏、火災(zāi)煙霧等情況進(jìn)行拍攝，是人工夜間巡檢強(qiáng)有力的輔助手段。夜間飛行控制受到人的視線約束，無人機(jī)飛行距離有限。

通過對無人機(jī)飛行路線優(yōu)化設(shè)計，可將最優(yōu)的快速巡檢路線儲存在飛控系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)快速巡檢路線的調(diào)用；并根據(jù)需要隨時人工控制懸停，啟動精細(xì)巡檢，完成后再切換到快速巡檢路線的控制，從而降低無人機(jī)的操作難度，避免造成無人機(jī)或者設(shè)備的損壞。本研究的無人機(jī)巡檢應(yīng)用主要是研發(fā)測試，今后可望作為人工傳統(tǒng)巡檢的強(qiáng)有力補(bǔ)充。

4 結(jié)論

1）通過制定合理的基于無人機(jī)的特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜餮矙z方案和飛行路線，實現(xiàn)了無人機(jī)技術(shù)在特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜餮矙z中的應(yīng)用，結(jié)果驗證了無人機(jī)巡檢的效果和優(yōu)點。

2）搭載可見光相機(jī)和紅外熱成像相機(jī)的無人機(jī)，不僅可實現(xiàn)全方位的目視檢查，還可有效發(fā)現(xiàn)溫度異常、流體介質(zhì)泄漏、火災(zāi)煙霧等問題，為夜間巡檢和人工巡檢提供強(qiáng)有力的輔助和補(bǔ)充。

3）本方法的實施應(yīng)用是對特種設(shè)備和?；穬Υ嫒萜鹘?jīng)常性巡檢、自行檢查和定期檢驗技術(shù)手段的補(bǔ)充，大大提高了工作效率和宏觀檢驗范圍的覆蓋率。

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