輸油場(chǎng)站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

（中信重工開(kāi)誠(chéng)智能裝備有限公司，唐山 063020）

0 引言

輸油場(chǎng)站是石油化工企業(yè)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，承載著成品油的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及終端銷售供給的作用。為了確保輸油場(chǎng)站及成品油的安全，每天需要大量的專業(yè)人員對(duì)輸油場(chǎng)站內(nèi)的管路及設(shè)備進(jìn)行定時(shí)巡視。這種方式危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且受巡檢工個(gè)人工作能力的限制，巡檢質(zhì)量也參差不齊。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，一種新的利用機(jī)器人的巡檢模式應(yīng)運(yùn)而生。巡檢機(jī)器人可搭載一系列傳感器，代替巡檢人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢、探測(cè)，有效解決巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息采集不足等問(wèn)題，而且還可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道、儀表等設(shè)備的運(yùn)行狀況和顯示信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別判斷，有效提高輸油場(chǎng)站的自動(dòng)化和智能化水平，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。本文介紹了一種輸油場(chǎng)站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)及其軟件設(shè)計(jì)方法，在輸油站中取得較好的應(yīng)用效果。

1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

輸油場(chǎng)站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由防爆輪式巡檢機(jī)器人、自動(dòng)充電裝置、無(wú)線基站和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制站組成。防爆輪式巡檢機(jī)器人、無(wú)線基站和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制站通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行通信。

1.1 防爆輪式巡檢機(jī)器人

防爆輪式巡檢機(jī)器人是巡檢系統(tǒng)中的主體，防爆輪式巡檢機(jī)器人主要由輪式運(yùn)動(dòng)底盤、智能雙視云臺(tái)、揮發(fā)性有機(jī)物探測(cè)器、前后導(dǎo)航組件、避障傳感器、防爆揚(yáng)聲器、天線、拾音器以及自動(dòng)充電組件等組成，巡檢機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輪式運(yùn)動(dòng)底盤包括防爆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和車輪，防爆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共有四組，具有相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)且相互獨(dú)立，均由防爆殼體組件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減震緩沖器、減速機(jī)和驅(qū)動(dòng)軸組成；四組獨(dú)立防爆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各具有一個(gè)獨(dú)立的減震緩沖器，組成四組獨(dú)立的長(zhǎng)行程懸掛裝置；當(dāng)機(jī)器人在崎嶇地面行走移動(dòng)時(shí)，四組獨(dú)立的長(zhǎng)行程懸掛裝置可保證每個(gè)車輪與地面完全接觸，避免車輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

智能雙視云臺(tái)上搭載有高清攝像機(jī)和熱成像儀，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行高效巡視。攝像機(jī)鏡頭裝有雨刷，能夠清理鏡頭玻璃上的水漬和浮土等，使監(jiān)控畫面維持在較清晰的狀態(tài)。

揮發(fā)性有機(jī)物探測(cè)器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成品油的泄漏情況，采用新一代真空納米陶管光致電離（PID）檢測(cè)技術(shù)，內(nèi)置高性能隔膜氣泵，響應(yīng)迅速，恢復(fù)時(shí)間快。

紅外避障傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人行進(jìn)路程中障礙物的情況，該傳感器集發(fā)射與接收于一體，檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0～3米，該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、使用方便等特點(diǎn)。巡檢機(jī)器人在前、后各安裝一個(gè)避障傳感器，可有效避免與障礙物的碰撞，提高機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的安全性能。

為了使巡檢機(jī)器人按照規(guī)定的路線進(jìn)行巡檢，在巡檢機(jī)器人前、后方底部裝有磁導(dǎo)航傳感器。該磁導(dǎo)航傳感器具有低功耗、靈敏度高的特點(diǎn)，采用16點(diǎn)檢測(cè)，點(diǎn)間距1cm，使巡檢機(jī)器人高速或轉(zhuǎn)彎時(shí)不易丟失導(dǎo)航信號(hào)。

圖1 防爆輪式巡檢機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)

1.2 無(wú)線基站

在巡檢機(jī)器人的工作區(qū)域設(shè)有無(wú)線基站，多臺(tái)無(wú)線基站之間通過(guò)光纖進(jìn)行連接，使整個(gè)巡檢機(jī)器人工作區(qū)域都被無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制站（服務(wù)器）的連接通訊。巡檢機(jī)器人檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳輸，上傳至上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控、分析、告警等。

1.3 上位機(jī)遠(yuǎn)程控制站

上位機(jī)遠(yuǎn)程控制站（服務(wù)器）訪問(wèn)巡檢機(jī)器人采集的信息，然后進(jìn)行分析處理，如有異常自動(dòng)報(bào)警，或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接發(fā)送短信給用戶及上傳給上級(jí)部門，供專家團(tuán)隊(duì)決策?？蛻舳送ㄟ^(guò)服務(wù)器可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡檢機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，如關(guān)鍵點(diǎn)復(fù)查等操作。巡檢機(jī)器人上位機(jī)操作界面由系統(tǒng)、控制、查詢、配置等部分組成，程序啟動(dòng)后，默認(rèn)為系統(tǒng)界面，通過(guò)選擇菜單欄，可進(jìn)入相應(yīng)的界面。系統(tǒng)界面主要分為：菜單欄、狀態(tài)欄、狀態(tài)信息欄、操作欄、系統(tǒng)信息欄、報(bào)警信息欄、可見(jiàn)光視頻圖像、紅外熱像等部分。如圖2所示。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)界面

1.4 自動(dòng)充電裝置

巡檢機(jī)器人可以進(jìn)行自身狀態(tài)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自診斷功能，當(dāng)檢測(cè)到電量低后，自動(dòng)返回充電。巡檢機(jī)器人自動(dòng)充電裝置由充電樁和防爆充電控制箱組成，兩設(shè)備之間由電纜進(jìn)行連接，在安全區(qū)完成自動(dòng)充電。機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，自身檢測(cè)到電量低于設(shè)定值后，自動(dòng)尋找充電樁，進(jìn)行充電。到達(dá)充電時(shí)間，根據(jù)預(yù)先設(shè)定模式，繼續(xù)巡檢或休眠。自動(dòng)充電接觸部采用電氣閉鎖技術(shù)，不充電時(shí)或故障狀態(tài)下，觸點(diǎn)禁止帶電，以保證運(yùn)行安全。在防爆區(qū)域也可以進(jìn)行手動(dòng)應(yīng)急充電操作。

2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件由兩大部分構(gòu)成，分別為機(jī)器人本體嵌入式控制軟件和上位機(jī)監(jiān)控識(shí)別軟件。

2.1 機(jī)器人本體嵌入式控制軟件

機(jī)器人本體控制軟件程序主要完成對(duì)巡檢機(jī)器人本體的控制功能、自診斷功能以及和上位機(jī)的通訊功能。機(jī)器人本體嵌入式控制軟件首先對(duì)底層程序進(jìn)行配置和初始化，如單片機(jī)時(shí)鐘、GPIO接口、串口、CAN、IIC、DAC、ADC、看門狗等，然后對(duì)應(yīng)用層初始化，主要配置與上位機(jī)通訊點(diǎn)表、伺服電機(jī)工作模式及狀態(tài)、各類傳感器初始數(shù)據(jù)等。最后進(jìn)入循環(huán)程序，不斷執(zhí)行報(bào)警處理函數(shù)、命令執(zhí)行函數(shù)和通訊處理函數(shù)三個(gè)模塊函數(shù)。報(bào)警處理函數(shù)完成對(duì)自身狀態(tài)識(shí)別判斷，如前方是否有障礙物、是否存在電池電量、電機(jī)故障、傳感器故障等。命令執(zhí)行函數(shù)是上位機(jī)下發(fā)命令的執(zhí)行模塊，邏輯性較強(qiáng)。如自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、到點(diǎn)檢位邏輯操作等等。通訊處理函數(shù)主要完成采集所有傳感器數(shù)據(jù)、自身電量數(shù)據(jù)及與上位機(jī)通訊。機(jī)器人本體嵌入式控制軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人本體嵌入式控制軟件主流程圖

2.2 上位機(jī)監(jiān)控與識(shí)別軟件

2.2.1 機(jī)械式儀表讀數(shù)識(shí)別方法

上位機(jī)監(jiān)控與識(shí)別軟件采用C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，一是負(fù)責(zé)對(duì)巡檢機(jī)器人上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、異常報(bào)警及記錄存檔，實(shí)時(shí)刷新界面，瀏覽視頻；二是對(duì)巡檢監(jiān)測(cè)的設(shè)備，如儀表、閥門等的工作狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。巡檢機(jī)器人到達(dá)巡檢位后，上傳到位信號(hào)及點(diǎn)檢位卡片號(hào)，通過(guò)卡片號(hào)調(diào)用相應(yīng)云臺(tái)預(yù)制點(diǎn)，初步尋找儀表或者閥門位置，通過(guò)分析確定目標(biāo)在畫面中的位置進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，再次捕獲清晰的目標(biāo)照片進(jìn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)識(shí)別。

輸油場(chǎng)站內(nèi)的目標(biāo)主要包括機(jī)械儀表（壓力表、溫度表等）、電子儀表（流量計(jì)等）、閥門（球閥、截止閥、蝶閥等）等。經(jīng)過(guò)預(yù)先標(biāo)定，將每處需要拍照檢測(cè)的目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置為云臺(tái)的預(yù)置點(diǎn)，機(jī)器人通過(guò)導(dǎo)航及RFID定位運(yùn)行到點(diǎn)檢位，自動(dòng)調(diào)用云臺(tái)預(yù)制位后進(jìn)行拍照，為了避免出現(xiàn)抓拍中無(wú)目標(biāo)漏檢問(wèn)題出現(xiàn)，先抓拍一張視野較大的全景圖，通過(guò)算法分析鎖定目標(biāo)位置。然后根據(jù)每個(gè)目標(biāo)的位置進(jìn)行云臺(tái)自動(dòng)調(diào)節(jié)，得到放大的特寫圖，以便提高識(shí)別精準(zhǔn)度，最后對(duì)特寫圖目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

下面以機(jī)械式儀表為例，闡述一下儀表讀數(shù)的識(shí)別方法。首先根據(jù)目標(biāo)位置截取儀表圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理、平滑處理，去除攝像機(jī)成像過(guò)程中的噪點(diǎn)。接下來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行二值化，采用自適應(yīng)的局部閾值，這樣可以避免陰影的影響。二值化分出許多刻度及其他信息，不同刻度線所在的直線會(huì)相交，它們的焦點(diǎn)匯聚到儀表盤的圓心位置。根據(jù)統(tǒng)計(jì)相交最多的點(diǎn)，求出圓心位置。圓心到刻度線中心的平均距離為儀表盤的半徑。圍繞著圓心，保留儀表盤半徑內(nèi)的二值信息，選取最大的聯(lián)通區(qū)域?yàn)橹羔槄^(qū)域。指針聯(lián)通區(qū)域的點(diǎn)擬合成直線，根據(jù)直線斜率求出指針的角度。機(jī)械式儀表識(shí)別程序流程圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械式儀表讀數(shù)識(shí)別流程圖

2.2.2 閥門狀態(tài)識(shí)別方法

閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)判定主要分為四個(gè)步驟：

1）初始信息輸入：包括閥門法蘭直徑長(zhǎng)度、閥門打開(kāi)和關(guān)閉長(zhǎng)度；采集圖像輸入：定位閥門位置，輸入待識(shí)別閥門圖片。

2）定位法蘭位置

在圖片中尋找深藍(lán)色區(qū)域、定位法蘭區(qū)域，如果藍(lán)色區(qū)域沒(méi)有找到，則進(jìn)行圖片二值化，畫輪廓，通過(guò)最大輪廓得到法蘭區(qū)域，計(jì)算法蘭占的像素?cái)?shù)。

3）定位閥桿位置

在圖片法蘭區(qū)域上部查找紅色區(qū)域，定位閥桿位置，如未識(shí)別到紅色，則對(duì)圖片進(jìn)行二值化，統(tǒng)計(jì)中心點(diǎn)附近黑像素多少，定位閥桿位置，計(jì)算閥桿占的像素?cái)?shù)。

4）確定閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)

通過(guò)法蘭所占的像素?cái)?shù)及輸入的法蘭直徑長(zhǎng)度，計(jì)算出每個(gè)像素代表多少毫米，閥桿占的像素?cái)?shù)乘以每個(gè)像素代表的毫米數(shù)，即得閥桿長(zhǎng)度；將計(jì)算后得到的閥桿長(zhǎng)度與輸入的閥門關(guān)閉時(shí)閥桿長(zhǎng)度進(jìn)行比較，如果大于某一閾值，則認(rèn)為閥門是打開(kāi)狀態(tài)，小于某一閾值則認(rèn)為閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

該輸油場(chǎng)站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)已在某輸油站成功應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巡檢工藝流程，巡檢機(jī)器人24小時(shí)不間斷運(yùn)行，進(jìn)行巡檢作業(yè)，完成了輸油站對(duì)油罐、過(guò)濾器、減壓閥、流量計(jì)等輸油設(shè)備的巡檢任務(wù)以及對(duì)點(diǎn)檢位儀表及閥門的狀態(tài)識(shí)別，上位機(jī)監(jiān)控畫面如圖5所示。應(yīng)用結(jié)果表明，該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，監(jiān)控畫面清晰，故障判斷及時(shí)，節(jié)省了大量的人力物力，不僅替代了人工巡檢工作，達(dá)到了無(wú)人值守的目的，而且減員增效效果明顯，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)也可用于其他設(shè)備巡檢領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控畫面

4 結(jié)論

針對(duì)石化企業(yè)輸油場(chǎng)站設(shè)備巡檢問(wèn)題，本文介紹了一種輸油場(chǎng)站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)及其軟件設(shè)計(jì)方法，巡檢機(jī)器人完成對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、圖像傳輸，無(wú)線基站完成機(jī)器人與上位機(jī)之間的無(wú)線通訊，上位機(jī)遠(yuǎn)程控制站完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和圖像識(shí)別，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)合理、功能完善，軟件設(shè)計(jì)方法正確，達(dá)到了輸油場(chǎng)站無(wú)人值守的目的。