CN112184078A - 一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统及其应用。该自动巡检系统包括自主导航行走装置、可开启观察孔装置、充电站、移动通信网络、综合运管平台，所述自主导航行走装置搭载视觉传感器及环境传感器，在封闭式水处理设施顶板以上进行自主移动定位巡检，并利用可垂直伸缩传感器支架，通过打开位于顶板上的可开启观察孔装置，将视觉传感器伸至封闭式水处理设施顶板以下进行巡查，之后利用移动通信网络将视频及环境感知数据实时上传至综合运管平台，实现对所采集图像与数据的智能分析与诊断决策。本发明可以兼顾封闭式水处理设施的不同层面的移动巡检及数据采集，降低运维人员的劳动强度及安全风险，显著提高封闭式水处理设施的运维效率及管理水平。
Description
技术领域
发明涉及移动巡检技术领域，具体涉及一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统及其应用。
背景技术
随着城市的快速发展，居民对周边市政基础设施的环境敏感度不断提高，为此，雨污水泵站、污水处理厂等极易散发恶臭污染源的水处理设施在建设阶段，越来越多的要求采用加盖封闭并实施除臭处理，此方法虽然降低了水处理设施对周边环境与居民身心健康的影响，但同时也带来了日常巡检维护的困难。
雨污水泵站、污水处理厂等水处理设施由于有大量设备安装运行于水面以下，处理水表面的图像特征可直接或者间接反应设备的运行状况与处理效果，例如曝气池的水面冒泡情况，沉淀池的翻泥与浮萍情况等，这些都需要进行日常巡检观察。传统的解决方法主要是在水处理构筑物的顶板设置固定观察孔，运维人员弯腰探头以目视观察池内的运行情况。由于池内无固定照明设施而光线微弱，且存在有毒有害气体，使得运维人员难以看清内部设施的运行情况从而影响其做出准确判断，同时也极大的增加了劳动强度与工作危险性。
目前的解决方法也有采用带导轨的自动巡检装置，通过安装导轨式巡检机器人对水处理设施顶板以下进行固定路径的巡检，这种方法需要在构筑物顶板以下架设固定导轨，并在结构过梁处开孔以方便巡检机器人的通过。但导轨的安装及过梁孔洞的预留需要在水处理构筑物的建设阶段实施，很难对已建水处理设施进行大规模改造。考虑到封闭式水处理设施内部存在大量腐蚀性气体，对固定导轨的材质及安装精度均具有较高的要求，且在工程建设投产后出现故障难以进行不停产的维修，这无疑大大降低了系统运行的稳定性与可靠性。同时，导轨式移动巡检装置巡检路径固定单一，无法对封闭式水处理设施顶板以上操作层设备与设施进行移动巡检，灵活性与可扩展性不足。
因此，亟待一种可用于封闭式水处理设施，兼顾综合性功能需求的巡检系统及方法，以提高水处理设施的运行维护效率及精细化管理水平。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的问题，提供一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统及其应用，达到对封闭式水处理设施的运行情况进行全面高效的巡检，为设备与设施的预防性维护提供依据的目的。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，所述封闭式水处理设施设置有可供自主导航行走装置行走的顶板，所述自动巡检系统巡检封闭式水处理设施以及设施顶板内部的区域，其特征在于，所述系统包括自主导航行走装置、可开启观察孔装置、充电站、移动通信网络、综合运管平台。
所述自主导航行走装置通过搭载视觉传感器及环境传感器，在封闭式水处理设施顶板以上进行自主移动定位巡检，所述封闭式水处理设施顶板以上区域设置二维码等特征信息标示，并设置于各巡检区域的关键设备周边以及可开启观察孔装置附近，所述特征信息标示包含区域定位信息及设备编码信息，可供自主导航行走装置结合内置地图实时扫描，获得巡检路径信息，并可采用准确合适的方向姿态迫近。
所述可开启观察孔装置设置于封闭式水处理设施上部需进行水面以下观察监视的区域，自主导航行走装置将可开启观察孔装置通过机械或电动的方式打开，利用可垂直伸缩传感器支架将视觉传感器透过顶板观察孔放置于封闭式水处理设施顶板以下，以进行相应区域视频图像数据的采集，并在完成后可关闭可开启观察孔装置。
所述充电站设置于封闭式水处理设施上部周边环境相对较好区域，自主导航行走装置在完成巡检工作后可通过特征信息标示自主返回充电。
所述移动通信网络用以提供自主导航行走装置视频及环境感知数据上传综合运管平台的网络传输条件。所述综合运管平台实现对自主导航行走装置的远程控制，并对所采集图像与数据进行综合性分析决策。
进一步地，所述自主导航行走装置包括视觉传感器、环境传感器、移动行进模块、机构执行模块、通信模块、定位模块、电池模块、存储模块。
进一步地，所述视觉传感器包括高清摄像系统及景深摄像机，该模块可完成对顶板以上操作层的广域巡检以及顶板以下生产层的重点监视，并完成周围设备环境的热成像采集，同时通过扫描厂房内部的精确特征信息标示实现对自主导航行走装置的定位及工位姿态校准。
进一步地，所述环境传感器包括有毒有害气体传感器、温湿度传感器、噪声监测传感器。
进一步地，所述机构执行模块包括可垂直伸缩传感器支架，可垂直伸缩传感器支架搭载视觉传感器设备。
进一步地，所述通信模块采用无线通信模组，可支持标准Wi-Fi及4G，5G网络。
进一步地，所述定位模块包括激光雷达，利用SLAM技术并辅助深度视觉实现精准定位。
进一步地，所述综合运管平台包括硬件设备层、软件应用层。其中，硬件设备层包括监控计算机、平板电脑、手机移动终端等人机交互设备，数据服务器，应用服务器以及交换机等通信服务设备；综合运管平台软件应用层包括实时监控模块，智能诊断模块、巡检管理模块、数据统计模块。
进一步地，所述实时监控模块对自主导航行走装置所巡检区域的视频图像数据、环境感知数据以及自主导航行走装置状态数据进行实时监控，将数据图像呈现在人机交互设备上，并能够远程下发巡检任务实现对自主导航行走装置的远程控制。
进一步地，所述智能诊断模块可根据所采集的视频图像及环境参数进行自主分析决策，当判断出封闭式水处理设施设备管道、周围环境或工艺系统运行存在异常，会立即进行报警，并提供相关的运行维护建议。
进一步地，所述巡检管理模块可提供对自主导航行走装置的状态检查复位、故障自诊断分析、巡检模式切换、权限设置管理。
进一步地，所述数据统计模块可提供历史监控图像查询、传感器数据查询、报警日志查询、历史数据曲线展示、工单报表的输出与打印。
一种用于水处理构筑物的移动巡检的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、自主导航行走装置在接到综合运管平台的启动指令后，唤醒并驶离充电站；
S2、自主导航行走装置沿指定路径移动，通过扫描二维码结合内置车载地图对所在区域进行定位；
S3、巡检移动过程中是否探测到异常情况，如人员入侵、地面积水、盖板未关闭。是转S4,否转S5；
S4、报警并发送相关异常位置定位信息，存入存储模块，复位并返回S2；
S5、所扫描二维码是否为自主导航行走装置预指定的巡检区域。是转S6,否转S2；
S6、通过二维码信息判断停留区域执行预设巡检操作任务，操作层设备运行情况巡检转S7，生产层池内巡检转S8；
S7、操作层内水泵、风机、管道等系统设备的检查，其包含S7-1、S7-2、S7-3可选；
S7-1、任务类型为操作层水泵、风机、管道等设备巡检；
S7-2、自主导航行走装置热成像摄像机对设备外表面温度进行测量；
S7-3、自主导航行走装置噪声监测传感器对设备噪声进行测量；
S8、生产层池内设备运行情况巡检，其包含S8-1、S8-2、S8-3、S8-4、S8-5。
S8-1、任务类型为生产层池内运行情况巡检；
S8-2、自主导航行走装置行驶至相应的可开启观察孔装置；
S8-3、自主导航行走装置打开可开启观察孔装置；
S8-4、自主导航行走装置生产层监控设备启动，可垂直伸缩传感器支架伸入观察孔内进行视频图像与数据采集；
S8-5、采集完成后可垂直伸缩传感器支架从可开启观察孔装置中取出，并关闭可开启观察孔装置；
S9、将所采集视频图像与数据自动存入存储模块，并实时上传至综合运管平台；
S10、是否完成本次巡检任务，是转S11，否转S2；
S11、完成巡检工作，生成本次巡检报告，自主导航行走装置自动返回充电桩。
本发明相较于现有技术，具有以下优势：
(1)本发明所提供的自动巡检系统及方法，可代替传统人工实现自主移动巡检。自主导航行走装置不存在情感、疲劳及责任心问题，能够实现高频次、大范围、无遗漏的连续巡检，从而避免了人工巡检的重复性劳动，并保证了运维人员的生产劳动安全。
(2)本发明所提供的自动巡检系统及方法可同时完成封闭式水处理设施顶板以下，及顶板以上设备与设施的移动巡检，自主导航行走装置完全在环境条件相对较好的顶板操作层移动，大大降低了恶劣环境对巡检设备的腐蚀影响，减少了整体维护周期与强度。
(3)本发明所提供的自动巡检系统及方法，针对新建或已建的加盖后的封闭式水处理设施均可装设应用，并可同时适用于多个封闭式水处理设施，相较于固定导轨式的自动巡检系统，其环境适应性更广，运行稳定性更高，移动灵活性更强，功能扩展性更全。
附图说明
图1为本发明的封闭式水处理设施的自动巡检系统的整体框架示意图；
图2为本发明的封闭式水处理设施的自动巡检系统的综合运管平台与自主导航行走装置的功能框架示意图；
图3为本发明的封闭式水处理设施的自动巡检系统中自主导航行走装置结构示意图；
图4为本发明的封闭式水处理设施的移动巡检的方法工作流程图。
图中：
1、自主导航行走装置，2、特征信息标示，3、可开启观察孔装置，4、充电站，5、移动通信网络，6、综合运管平台，7、混凝土顶板，8、机械设备，9、管道，10、机柜或固定资产，11、操作层，12、生产层；
21、硬件设备层，22、软件应用层，211、人机交互设备，212、通信服务设备，221、实时监控模块，222、智能诊断模块，223、巡检管理模块，224、数据统计模块，101、视觉感知模块，102、环境感知模块，103、可垂直伸缩传感器支架，104、移动行进模块，105、电池模块，106、存储模块，107、通信模块，108、定位模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例采用用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，该系统包括自主导航行走装置1，可开启观察孔装置3，充电站4，移动通信网络5，综合运管平台6。本实施例自动巡检系统整体框架示意图如图1。自主导航行走装置1能够在封闭式水处理设施混凝土顶板7以上进行自主移动定位巡检，同时完成封闭式水处理设施顶板以上操作层11的机械设备8、管道9、机柜或固定资产10以及顶板以下生产层12的视频图像与数据采集，为设备的维护与检修提供相关依据。
针对封闭式水处理设施混凝土顶板7以上操作层11的巡检，自主导航行走装置1在操作层移动巡检过程中，通过实时扫描特征信息标示2进行区域定位，在到达巡检区域处，通过视觉传感器101和环境传感器102对需要巡检的设备与设施进行图像与数据的采集。
针对封闭式水处理设施混凝土顶板7以下生产层12的巡检，根据构筑物的梁板布置，划分巡检探测区域，在每个探测区域预留一个圆形观察孔，为了结构与人身安全，观察孔直径一般不大于250mm，每个观察孔上部均设置一个可开启观察孔装置3，盖板上部设置有特征信息标示2，用以对每个探测区域进行编码区分。
所述可开启观察孔装置3周边设置有橡胶密封圈，用以保证对观察孔的良好密封，为保证安全，盖板采用向上开启结构，需要一定的机械力或电力驱动的方式才能打开，避免误操作。
所述充电站4设置于封闭式水处理设施上部周边环境相对较好区域，采用封闭结构，并设置电子门禁，其内部设置有暖通空调设备，清洗保养设备。当自主导航行走装置1完成巡检任务后，可自主返回进行充电，并定期进行必要的维护保养。
本实施例的自动巡检系统的综合运管平台6与自主导航行走装置1的功能框架示意图如图2。所述综合运管平台6设置于中央控制室内，该平台作为自主导航行走装置1与运维人员的重要的交互途径，是整个自动巡检系统的大脑。其作用主要为管理自主导航行走装置的巡检状态，监控自主导航行走装置巡检日常，对所采集的图像与数据进行存储并智能分析，对历史数据曲线报警日志进行查询等功能。其具体构架包括硬件设备层21与软件应用层22。所述硬件设备层21包括人机交互设备211及通信服务设备212，所述软件应用层22包括实时监控模块221，智能诊断模块222，巡检管理模块223，统计查询模块224。
所述人机交互设备211包括监控计算机、平板电脑、手机移动终端。运行维护人员在人机交互设备上登录综合运管平台软件，可实时查看所采集的视频图像与数据，并实现对自主导航行走装置的远程控制。
所述通信服务设备212包括数据服务器、应用服务器、网络交换机。其作用在于为综合运管平台软件的运行提供基础，存储巡检所采集的视频图像数据、环境信息数据，并为数据传输提供必需的网络通信条件。
所述实时监控模块221包括对自主导航行走装置所巡检区域的视频图像数据、环境感知数据以及自主导航行走装置状态数据进行实时监视，将数据图像呈现在人机交互设备上，并能够远程下发巡检任务实现对自主导航行走装置的远程控制。
所述智能诊断模块222可根据所采集的视频图像数据及环境感知数据进行智能分析决策；当判断出封闭式水处理设施设备管道、周围环境或工艺系统运行存在异常，会立即进行报警，并提供相关的运行维护建议。
所述巡检管理模块223可提供对自主导航行走装置的状态检查复位、故障自诊断分析、巡检模式切换、权限设置管理。
所述统计查询模块224可提供历史监视图像查询、传感器数据曲线查询、报警日志查询、工单报表的输出与打印。
所述自主导航行走装置1具体实施方案包括视觉传感模块101，环境传感模块102，结构执行模块103，移动行进模块104，电池模块105，存储模块106，通信模块107，定位模块108。
所述视觉传感器101包括高清摄像系统、景深摄像机，该模块可完成对顶板以上操作层的广域巡检以及顶板以下生产层的重点监视，并完成周围设备环境的热成像采集，同时通过扫描厂房内部的特征信息标示实现对自主导航行走装置的定位及工位姿态校准。
所述环境传感器102包括有毒有害气体传感器、温湿度传感器、噪声监测传感器。所述有毒有害气体传感器可同时测量H2S、CH4、O2等多种气体；所述温湿度传感器可对巡检区域环境温湿度进行监测；所述噪声监测传感器能够对设备工作时的噪音波形进行采集和分析。
所述机构执行模块103包括两个可垂直伸缩传感器支架，一个负责生产层区域视觉传感器的垂直位移，一个负责操作层区域视觉传感器的垂直位移，两个可垂直伸缩传感器支架均采用耐腐蚀不锈钢制成，对有毒有害气体具备一定的防护作用。可垂直伸缩传感器支架实现将视觉传感器设备准确位移至合适位置完成相应数据参数的采集。同时，搭载视觉传感器设备的可垂直伸缩传感器支架可单独被拆卸，在外接电源的情况下，可由人工手动完成视频图像与数据的采集。
所述移动行进模块104采用四轮独立驱动的直流无刷电动机，基于标准节能设计，功耗低，待机时间长，动力充沛，适于多种地形场景。
所述电池模块105位于自主导航行走装置1中部，采用锂电池供电，能够满足不少于3小时的不间断巡检，并可快速充电，为自主导航行走装置的连续稳定运行提供保障。
所述存储模块106可为所采集的视频图像及环境数据提供存储服务，采用外置可插拔SD卡，当巡检区域移动网络通信信号薄弱或网络出现故障，无法实时上传至综合运管平台时，能将采集数据储存于存储模块中，待网络恢复条件下自动或手动上传数据。
所述通信模块107位于自主导航行走装置尾部，为上传所采集的视频图像及环境数据提供网络接入服务，该模块不仅支持标准Wifi及4G，5G的无线远程控制，也保留RJ45接口用以完成系统数据的读写与调试。
所述定位模块108位于自主导航行走装置前端，包括激光雷达，通过激光雷达所反映的情况，利用SLAM技术，结合内置车载地图，为自主导航行走装置提供其所在封闭式水处理设施中大致的工作区域位置。通过捕捉识别特征信息标示并利用深度视觉辅助，调整各执行机构以准确的位置姿态迫近，以开始所需求的巡检操作工作。
本实施例的自动巡检系统中自主导航行走装置结构示意图如图3。图中分别表示了视觉感知模块101，环境感知模块102，机构执行模块103，移动行进模块104，电池模块105，存储模块106，通信模块107，定位模块108的具体安装位置。
进一步地，本实施例的自动巡检系统在移动巡检中的应用，包括以下步骤：
S1、自主导航行走装置在接到综合运管平台的启动指令后，唤醒并驶离充电站；
S2、自主导航行走装置沿指定路径移动，通过扫描二维码结合内置车载地图对所在区域进行定位；
S3、巡检移动过程中是否探测到异常情况，如人员入侵、地面积水、盖板未关闭。是转S4,否转S5；
S4、报警并发送相关异常位置定位信息，存入存储模块，复位并返回S2；
S5、所扫描二维码是否为自主导航行走装置预指定的巡检区域。是转S6,否转S2；
S6、通过二维码信息判断停留区域执行预设巡检操作任务，操作层设备运行情况巡检转S7，生产层池内巡检转；
S7、操作层内水泵、风机、管道等系统设备的检查，其包含S7-1、S7-2、S7-3可选；
S7-1、任务类型为操作层水泵、风机、管道等设备巡检；
S7-2、自主导航行走装置热成像摄像机对设备外表面温度进行测量；
S7-3、自主导航行走装置噪声监测传感器对设备噪声进行测量；
S8、生产层池内设备运行情况巡检，其包含S8-1、S8-2、S8-3、S8-4、S8-5；S8-1、任务类型为生产层池内运行情况巡检；
S8-2、自主导航行走装置行驶至相应的可开启观察孔装置；
S8-3、自主导航行走装置打开可开启观察孔装置；
S8-4、自主导航行走装置生产层监控设备启动，可垂直伸缩传感器支架伸入观察孔内进行视频图像与数据采集；
S8-5、采集完成后可垂直伸缩传感器支架从可开启观察孔装置中取出，并关闭可开启观察孔装置；
S9、将所采集视频图像与数据自动存入存储模块，并实时上传至综合运管平台；
S10、是否完成本次巡检任务，是转S11，否转S2；
S11、完成巡检工作，生成本次巡检报告，自主导航行走装置自动返回充电桩。
需要说明的是，以上关于本发明的描述，仅为本发明的较佳实施例而已，而非以此限定本发明实施的范围，依据本发明申请专利范围及内容所作的等效变化或等同替换，以达到相同的技术效果，均应属本发明专利涵盖的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，所述封闭式水处理设施设置有可供自主导航行走装置行走的顶板，所述自动巡检系统巡检封闭式水处理设施以及设施顶板内部的区域，其特征在于，所述系统包括自主导航行走装置、可开启观察孔装置、充电站、移动通信网络、综合运管平台；其中，
所述自主导航行走装置通过搭载视觉传感器及环境传感器，在封闭式水处理设施顶板以上进行自主移动定位巡检，所述封闭式水处理设施顶板以上区域设置二维码等特征信息标示，并设置于各巡检区域的关键设备周边以及可开启观察孔装置附近，所述特征信息标示包含区域定位信息及设备编码信息，可供自主导航行走装置结合内置地图实时扫描，获得巡检路径信息，并可采用准确合适的方向姿态迫近；
所述可开启观察孔装置设置于封闭式水处理设施上部需进行水面以下观察监视的区域，自主导航行走装置通过机械或电动的方式开启观察孔装置，利用可垂直伸缩传感器支架将视觉传感器透过顶板观察孔放置于封闭式水处理设施顶板以下，以进行相应区域视频图像数据的采集，并在完成后可关闭可开启观察孔装置；
所述充电站设置于封闭式水处理设施上部周边环境相对较好区域，自主导航行走装置在完成巡检工作后可自主返回充电；
所述移动通信网络用以提供自主导航行走装置视频及环境感知数据上传综合运管平台的网络传输条件；
所述综合运管平台实现对自主导航行走装置的远程控制，并对所采集图像与数据进行综合性分析决策。
2.根据权利要求1所述的一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，其特征在于，所述自主导航行走装置包括视觉传感器、环境传感器、移动行进模块、机构执行模块、通信模块、定位模块、电池模块、存储模块。
3.根据权利要求2所述的一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，其特征在于，所述视觉传感器包括高清摄像系统及景深摄像机。
4.根据权利要求2所述的一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，其特征在于，所述环境传感器包括有毒有害气体传感器、温湿度传感器、或噪声监测传感器。
5.根据权利要求2所述的一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，其特征在于，其中的机构执行模块采用可垂直伸缩传感器支架用以搭载视觉传感器设备，该支架能够实现将视觉传感器准确位移至合适位置完成相应图像与数据的采集，且可垂直伸缩传感器支架可单独被拆卸，在外接电源的情况下，可由人工手动完成图像与数据的采集。
6.根据权利要求2所述的一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，其特征在于，其中的定位模块包括激光雷达。
7.根据权利要求1所述的一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统，其特征在于，其中的综合运管平台包括硬件设备层、软件应用层；所述硬件设备层包括监控计算机、平板电脑、手机移动终端等人机交互设备，数据服务器、应用服务器以及交换机等通信服务设备；所述软件应用层包括实时监控模块，智能诊断模块、巡检管理模块、数据统计模块。
8.根据权利要求1所述的一种用于封闭式水处理设施的自动巡检系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：
S1、自主导航行走装置在接到综合运管平台的启动指令后，唤醒并驶离充电站；
S2、自主导航行走装置沿指定路径移动，通过扫描二维码结合内置车载地图对所在区域进行定位；
S3、巡检移动过程中是否探测到异常情况，如人员入侵、地面积水、盖板未关闭。；是转S4,否转S5；
S4、报警并发送相关异常位置定位信息，存入存储模块，复位并返回S2；
S5、所扫描二维码是否为自主导航行走装置预指定的巡检区域；是转S6,否转S2；
S6、通过二维码信息判断停留区域执行预设巡检操作任务，操作层设备运行情况巡检转S7，生产层池内巡检转S8；
S7、操作层内水泵、风机、管道等系统设备的检查，其包含S7-1、S7-2、S7-3可选；
S7-1、任务类型为操作层水泵、风机、管道等设备巡检；
S7-2、自主导航行走装置热成像摄像机对设备外表面温度进行测量；
S7-3、自主导航行走装置噪声监测传感器对设备噪声进行测量；S8、生产层池内设备运行情况巡检，其包含S8-1、S8-2、S8-3、S8-4、S8-5；
S8-1、任务类型为生产层池内运行情况巡检；
S8-2、自主导航行走装置行驶至相应的可开启观察孔装置；
S8-3、自主导航行走装置打开可开启观察孔装置；
S8-4、自主导航行走装置生产层监控设备启动，可垂直伸缩传感器支架伸入观察孔内进行视频图像与数据采集；
S8-5、采集完成后可垂直伸缩传感器支架从可开启观察孔装置中取出，并关闭可开启观察孔装置；
S9、将所采集视频图像与数据自动存入存储模块，并实时上传至综合运管平台；
S10、是否完成本次巡检任务，是转S11，否转S2；
S11、完成巡检工作，生成本次巡检报告，自主导航行走装置自动返回充电桩。
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- 2020-10-30 CN CN202011193527.2A patent/CN112184078B/zh active Active
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