美國·J.Lindberg，M.Guimaraes（美國電力研究所）

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用于豎直混凝土建筑物檢查的遙控車

美國·J.Lindberg，M.Guimaraes
（美國電力研究所）

長期運(yùn)行和維護(hù)的熱電廠和水力發(fā)電廠需要定期檢查混凝土冷卻、密封和蓄水結(jié)構(gòu)，以確保安全和可靠性。目前，大型、豎直混凝土結(jié)構(gòu)的檢查通常采用人工方式，耗時、昂貴、且其工作環(huán)境使工作人員面臨著潛在的危險。為了解決檢查技術(shù)問題，美國電力研究所對各種類型的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了研究和評估，并開發(fā)了一種攀爬裝置，可用于執(zhí)行多種具體的檢測任務(wù)。攀爬器搭載著先進(jìn)的無損檢測儀器，電腦編碼的數(shù)據(jù)和圖像提供了前所未有的探測混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力，可以對孔隙、鋼筋銹蝕及其他內(nèi)部缺陷進(jìn)行定位和定性描述。該混凝土攀爬器不再需要使用腳手架，能對冷卻塔、水電站大壩、核反應(yīng)堆等建筑物進(jìn)行自動、安全和綜合的檢查，以此來支持發(fā)電設(shè)備的長期運(yùn)行。

豎直混凝土建筑物；檢查；攀爬器

1　簡介

能源行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施中包括許多大型、曲面或豎直的建筑物，如冷卻塔、核防護(hù)建筑及水電大壩等，如圖1所示。對這些建筑物的檢查通常是采用人工方式，借助腳手架進(jìn)行。若能將這些檢查實現(xiàn)自動化，則可以減少檢查時間、降低成本，使檢查更有效率，增加檢查頻次并降低安全風(fēng)險。

美國電力研究所（The Electric Power Research Institute，ERPI）對不同類型的技術(shù)及其成熟度進(jìn)行了評估，最終選出了一個可以適應(yīng)各種不同的需求設(shè)備。該設(shè)備不包括定位系統(tǒng)或無損評價裝置（Nondestructive Evaluation，NDE），而是通過對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改造，從而融合進(jìn)了攀爬技術(shù)。2012年秋天，結(jié)合一映射和定位系統(tǒng)以及一空氣耦合無損評價裝置，對該攀爬設(shè)備進(jìn)行了使用驗證。文章主要強(qiáng)調(diào)了尋找合適設(shè)備的過程以及對其功能的驗證。

2　開發(fā)

目前，檢測工作需要靠人工接近建筑物，通常是借助腳手架。這個過程十分困難、耗時且蘊(yùn)藏著危險性。改進(jìn)的混凝土檢查方法對煤電廠、核電廠和水電站混凝土大壩來說均具有實用價值。混凝土自動化檢測的應(yīng)用意味著可對豎直混凝土建筑物進(jìn)行更快速和更經(jīng)濟(jì)的檢測，因此可以方便地開展檢測，滿足電站老化時需要進(jìn)行更頻繁的檢測需求。

圖1　能源行業(yè)中常見的大型、曲面或豎直的建筑物Fig.1 Large，curved，vertical structures are common in the energy industry

目前已有技術(shù)可以對水平混凝土建筑物（比如橋梁和道路）使用滾輪自動化設(shè)備進(jìn)行檢測。但挑戰(zhàn)在于豎直和曲面的混凝土建筑物。通過某種粘附機(jī)制（如真空），有的自動化設(shè)備可以吸附在建筑物表面并能夠靈活移動，這些建筑物的檢測可通過使用這樣的自動化設(shè)備來進(jìn)行，以加快檢測過程并降低成本。

理想的設(shè)備應(yīng)該能夠用于戶外工程現(xiàn)場，帶電池或獨(dú)立電源，可以攜帶對混凝土進(jìn)行無損測試的裝置，并能夠在粗糙的混凝土表面自由移動。

該項目的目標(biāo)是評估使用自動化設(shè)備來對豎直的混凝土建筑物進(jìn)行無損檢測的可行性，并進(jìn)行小規(guī)模的現(xiàn)場測試和制訂技術(shù)驗證的策略。

3　尋找可用的技術(shù)

實現(xiàn)大型土木基礎(chǔ)設(shè)施檢測自動化的第一步是在其他領(lǐng)域、美國及國際上尋找可以滿足該需求的設(shè)備。為達(dá)到該目的，發(fā)起了一個方案征集活動。

這一征集活動希望得到的是可對大型豎直混凝土建筑物表面進(jìn)行檢查的遙控車設(shè)備。另外，理想的技術(shù)還要實現(xiàn)下列功能：

（1）能在混凝土表面垂直行走；

（2）能在粗糙的混凝土表面行走；

（3）能在凹凸的表面行走；

（4）能在混凝土表面進(jìn)行位置控制，包括記錄坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

（5）能搭載進(jìn)行混凝土無損檢測試驗的裝置；

（6）足夠堅固，能適用于野外工程現(xiàn)場，可防雨和防潮；

（7）最好有電池或獨(dú)立電源，可供使用3～4天的時間。

4　評估的技術(shù)

在公開征集期結(jié)束后，一共收到了43份回復(fù)。其中包含18條來自其他行業(yè)的回復(fù)和15條來自學(xué)術(shù)界的回復(fù)。圖2所示的餅圖詳細(xì)顯示了所有回復(fù)者的位置分布及這些答案的分布情況。

圖2　回復(fù)的分類及分布Fig.2 Types of responses and geography

方案征集活動要求技術(shù)的成熟度是公開的?；貜?fù)中涉及到的各技術(shù)的成熟度差異較大，跨度從概念性的到原型模型都有，有幾條回復(fù)中涉及的技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。

方案征集活動制訂了要求，但未具體規(guī)定方法?；貜?fù)者提供了三種基本的方法：（1）飛行器；（2）攀爬器；（3）繩索牽引的或繩索驅(qū)動的設(shè)備。圖3所示為根據(jù)用于接觸豎直建筑物的基本方法而進(jìn)行的對各方案的分類回復(fù)。

圖3　根據(jù)方法對回復(fù)方案進(jìn)行分類Fig.3 Types of responses by approach

5　選擇的方法

最終從43組回復(fù)中選擇了由美國西南研究院（SouthWest Research Institute，SWRI）與國際攀爬機(jī)器人公司（International Climbing Machines，ICM）提交的方案。被選中的方法滿足了方案征集活動提出的大部分要求，選擇它的原因還在于其穩(wěn)健性和潛力。

國際攀爬機(jī)器人公司的設(shè)備采用真空機(jī)理以吸附在混凝土墻上。該專利系統(tǒng)利用一個中央真空腔，周圍為滾動的泡沫密封劑，既可以提供密封，又可以提供推進(jìn)動力。其真空腔可在許多種材料表面產(chǎn)生超過225磅（約102.06 kg）的吸附力。該系統(tǒng)可在大多數(shù)材料表面穿行，包括含鐵的和不含鐵的金屬、復(fù)合材料、混凝土和磚構(gòu)建筑物。它可以粘附在凹凸的表面和懸伸出來的表面上，甚至可以通過間隙、縫隙以及表面上的障礙物，如導(dǎo)管等。圖4為其應(yīng)用的幾個案例。

圖4　被選設(shè)備的應(yīng)用案例Fig.4 Example applications of selected device

國際攀爬機(jī)器人公司的攀爬器通過手持的遙控車來操作，要求系上帶有墜落保護(hù)器的繩索（高度小于10英尺（約3.048 m）時可以不要求帶墜落保護(hù)器）。國際攀爬機(jī)器人公司開發(fā)了幾個版本的墜落保護(hù)器和保護(hù)系統(tǒng)，可以自動保持安全繩索上加有合適的拉力。攀爬器實質(zhì)上是一個遙控車，但對于大規(guī)模的檢查任務(wù)，還需要有準(zhǔn)確的位置信息，以標(biāo)識出位置和設(shè)備的行進(jìn)路徑。

6　位置和定位系統(tǒng)

美國西南研究院為國際攀爬機(jī)器人公司的攀爬器開發(fā)并結(jié)合使用了實時定位和地圖系統(tǒng)（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM），能生成和展示設(shè)備的位置及建筑物的二維地圖。實時定位和地圖系統(tǒng)的編碼是由德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大 學(xué)（TechnischeUniversit?t Darmstadt，TUDarmstadt）開發(fā)的開放資源編碼。

該實時定位和地圖系統(tǒng)包括一個慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），還結(jié)合進(jìn)了激光掃描測距儀（LIDAR），可以進(jìn)行高精度的測量。該系統(tǒng)是模塊化的，因此可以裝在任意平臺上，利用電池供電。

7　驗證

驗證的目的是核實其關(guān)鍵的移動技術(shù)，它能讓攀爬器有控制地進(jìn)入各種混凝土建筑物和幾何結(jié)構(gòu)，并驗證提供地點(diǎn)信息的定位和追蹤系統(tǒng)。

另外，位于奧斯丁的德克薩斯大學(xué)（University of Texas，UT）也演示了他們安裝在攀爬器里的空氣耦合沖擊回波檢測技術(shù)。該系統(tǒng)在攀爬器上的應(yīng)用相對簡單，因為它是非接觸型的（除了沖擊錘以外），并且只要求將拋物面反射式傳聲器粘貼在機(jī)器上。這次的驗證過程中，由人工使用一個小錘制造沖擊，通過現(xiàn)有的德克薩斯大學(xué)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集工作。實時定位和地圖系統(tǒng)提供的位置信息可以與檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以形成缺陷地圖。

帶有定位裝置（實時定位和地圖系統(tǒng)）的攀爬器以及空氣耦合沖擊回波檢測裝置的示意圖如圖5所示。

圖5　帶有定位裝置的攀爬器以及安裝的空氣耦合沖擊回波檢測設(shè)備Fig.5 ICM climber with the positioning system and the air-coupled impact echo device installed

8　結(jié)語

經(jīng)驗證的攀爬器和無損評估傳感系統(tǒng)看起來可以很好地適用于大型、相對平整的混凝土建筑物的檢查。工作平臺的移動能力很好，能在粗糙的表面穿行，甚至能跨越小型的障礙物。無損檢測傳感器可以在移動過程中進(jìn)行各種定位和操作步驟，對周圍噪聲和真空噪聲都不敏感。定位系統(tǒng)的精度也足夠高，可以形成建筑物地圖。該綜合性的工作平臺對大幅提升混凝土建筑物的檢查效率、降低檢查成本和提高檢查安全性有巨大的潛力。

驗證的系統(tǒng)被認(rèn)為是原型可行性論證器，其系統(tǒng)技術(shù)成熟度水平（technology readiness level，TRL）約為TRL5。攀爬器已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化（TRL9），但定位和傳感子系統(tǒng)的技術(shù)成熟度水平為TRL4或TRL5。因此，還需要進(jìn)一步進(jìn)行測試和開發(fā)。

該驗證是在可控制的環(huán)境中進(jìn)行的。2014年7月，曾在一座水電站大壩上進(jìn)行了后續(xù)的驗證，效果良好，因此美國電力研究所可以向前推進(jìn)這一概念。

文獻(xiàn)來源：Proceedings of the 3rd International Conference on Applied Robotics for the Power Industry

翻譯：崔弘毅

校核：許傳桂

Title:Remote controlled vehicle for inspection of vertical concrete structures//by

J.Lindberg and M. Guimaraes//Electric Power Research Institute

Long term operation and maintenance of steam and hydropower driven electric power plants requires periodic inspection of the concrete cooling，containment and impoundment structures to assure safety，and reliability.Currently，inspections of large，vertical concrete structures are performed manually which is time-consuming，costly，and exposes workers to potentially dangerous work environments.To address this inspection technology gap，Electric Power Research Institute researched and evaluated various types of robotic technologies；and developed a crawler device that could be adapted to perform a multitude of concrete inspection tasks.Its payload of advanced nondestructive examination instrumentation，computer encoded data and imaging provide unprecedented capabilities to interrogate the interior of concrete structures；and locate and characterize voids，rebar corrosion，and other internal defects.The concrete crawler obviates the need to use scaffolding and supports long-term operation of generating assets by enabling automated，safe，and comprehensive inspections of structures such as cooling towers，hydro dams，and reactor containments.

vertical concrete structure；inspection；climber

TV698.1

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1671-1092（2016）03-0087-04

2016-04-25