Использование робототехники в задачах инспекции и ремонта инфраструктуры

Растущая роль робототехники в инспекции и ремонте инфраструктуры

Инфраструктурные сети — мосты, плотины, трубопроводы, электрические сети и туннели — составляют основу современного общества. Тем не менее, многие из этих активов стареют и требуют регулярного осмотра и ремонта. Традиционные методы полагаются на людей, работающих на высоте, под водой или в ограниченных пространствах, подвергая их значительным рискам. За последнее десятилетие роботизированные технологии превратились в преобразующий инструмент, позволяющий обеспечить более безопасное, быстрое и точное техническое обслуживание. В этой статье исследуется состояние робототехники в инспекции и ремонте инфраструктуры, охватывающий типы развернутых роботов, их преимущества, ключевые приложения и перспективы этой быстро развивающейся области.

Почему робототехника необходима для поддержания инфраструктуры

Старение инфраструктуры представляет собой растущую проблему для правительств и частных операторов. Только в Соединенных Штатах Американское общество инженеров-строителей дало стране оценку С- в своей карте отчета за 2021 год, с десятками тысяч мостов, оцененных структурно с дефицитом. Ручная проверка таких структур трудоемкая, подвержена человеческим ошибкам и часто требует закрытия полос движения или полного закрытия. Роботы обращаются к этим болям, получая доступ к опасным или недоступным районам, не подвергая опасности людей. Они могут работать непрерывно, собирать данные высокого разрешения и выполнять задачи с повторяемой точностью. В результате роботизированная проверка сокращает время простоя, снижает долгосрочные затраты и продлевает срок службы критически важных активов.

Роботы, используемые в инфраструктурных задачах

Роботизированные системы, используемые для работы в инфраструктуре, делятся на несколько категорий, каждая из которых адаптирована к конкретным условиям и задачам.

Беспилотные летательные аппараты (дроны)

Дроны, оснащенные камерами высокого разрешения, LiDAR и тепловыми датчиками, стали стандартом для воздушных проверок мостов, телекоммуникационных башен, линий электропередач и ветряных турбин. Они могут быстро обследовать большие площади и получать подробные изображения с углов, которые были бы опасны или невозможны для человеческого инспектора. Многие современные беспилотники могут зависать автономно, следовать заранее запрограммированным траекториям полета и передавать видео в реальном времени наземным экипажам. Такие компании, как FLT:0 и FLT:1 разработали ударопрочные беспилотники, которые могут перемещаться внутри замкнутых пространств, таких как котельные резервуары и промышленные воздуховоды, расширяя сферу воздушного контроля за пределами открытых сред.

Подводные роботы (дистанционно управляемые транспортные средства и автономные подводные транспортные средства)

Подводная инфраструктура — плотины, водозаборные сооружения, трубопроводы и поддержка морской платформы — требует регулярного осмотра для обнаружения коррозии, трещин и биообрастания. Транспортные средства с дистанционным управлением (ROV) привязываются к поверхностному судну и пилотируются оператором, обеспечивая видео и гидролокационные данные высокой четкости. Автономные подводные транспортные средства (AUV) работают без привязки, следуя запрограммированным маршрутам для отображения больших участков морского дна или подводных сооружений. Эти роботы могут погружаться на глубины, превышающие 3000 метров, далеко за практическим пределом для дайверов. BlueROV2 является компактным ROV, обычно используемым для осмотров плотин и пирсов, в то время как более крупные AUV, такие как REMUS 600 , развернуты для обследования трубопроводов

Наземные и отслеживаемые роботы

Наземные роботы предназначены для осмотра туннелей, канализации, трубопроводов, мостовых колод и фундаментов зданий. Некоторые колеса для плавных поверхностей, в то время как другие используют дорожки или ноги для пересечения щебня или крутых склонов. Робот Boston Dynamics Spot является широко признанным примером - его четырехгранная конструкция позволяет ему подниматься по лестнице, открывать двери и нести полезные нагрузки датчиков в опасные зоны. При проверке канализационных систем роботы, такие как IBAK Raptor , перемещаются по трубам с узким углом до 150 мм, используя камеры наклона для оценки смещения суставов, трещин и проникновения корней. Для ядерных или химических сред радиационно закаленные наземные роботы, такие как Husky UGV , могут выполнять удаленные проверки, не подвергая людей загрязнению.

Лазающие и воздушные роботы-ползучие

Некоторые задачи проверки требуют прямого контакта с вертикальными или перевернутыми поверхностями. Роботы для восхождения используют всасывающие чашки, магнитные дорожки или клеевые прокладки для масштабирования металлических резервуаров для хранения, бетонных плотин или корпусов кораблей. Revolver Robotics разработала магнитного робота для скалолазания для проверки надземных резервуаров для хранения, в то время как проект Макани в НАСА исследовал привязных воздушных роботов, которые могут парить вблизи лопастей ветряных турбин. Эти роботы сочетают преимущества доступа дронов с возможностью переноса более тяжелых датчиков неразрушающего контроля (NDT), таких как ультразвуковые датчики толщины или датчики вихревого тока.

Преимущества роботизированной инспекции

Переход от ручного к роботизированному контролю приносит множество количественных преимуществ в области безопасности, качества данных, эффективности работы и стоимости.

Повышение безопасности

Наиболее убедительным драйвером для внедрения роботов является снижение риска для жизни человека. Падение с высоты, вход в ограниченное пространство, электрический шок и утопление являются одними из опасностей, с которыми ежедневно сталкиваются работники инфраструктуры. Роботы устраняют необходимость физического проникновения людей в эти среды. Например, Федеральное управление автомобильных дорог США одобрило использование беспилотных летательных аппаратов для проверки мостов, чтобы уменьшить нарушение движения и воздействие на рабочих в условиях живого движения.

Высокое качество данных

Роботы могут нести набор усовершенствованных датчиков - многоспектральные камеры, LiDAR, наземный проникающий радар, акустические микрофоны - которые захватывают данные далеко за пределы визуального контроля человека. Полученные 3D-облака точек, тепловые карты и сигнатуры вибрации позволяют инженерам обнаруживать дефекты на ранней стадии и моделировать структурную целостность с большей точностью. Алгоритмы машинного обучения могут затем автоматически анализировать эти наборы данных, помечая аномалии, которые могут быть упущены человеческим глазом.

Повышение эффективности и сокращение времени простоя

Проверка с помощью дронов крупного моста может быть завершена за несколько часов, а не дней, часто без закрытия полос. Аналогичным образом, ROV может обследовать подводную поверхность плотины & # 8217, пока структура остается работоспособной. Эта скорость позволяет более частые проверки, перевод технического обслуживания с реактивной на активную модель. Экономия времени также напрямую приводит к снижению затрат на рабочую силу, управление движением и аренду оборудования.

Эффективность затрат на протяжении жизненного цикла активов

Although robotic systems require an upfront investment in hardware, software, and training, the long‑term savings are substantial. Fewer personnel are required for each inspection, and the elimination of scaffolding or heavy‑lift cranes reduces logistical expenses. Moreover, early detection of defects through regular robotic monitoring prevents costly emergency repairs. A 2020 study by the World Economic Forum estimated that digitalization and automation of infrastructure maintenance could reduce life‑cycle costs by 15–25%.

Робототехника в ремонтных задачах

Инспекция - это только половина истории; роботы все чаще используются для выполнения фактического ремонта. Это представляет собой более технически сложный вариант использования, требующий тонкой манипуляции, материального применения, а иногда и автономного принятия решений.

Сварка и резка

Роботизированные руки, установленные на мобильных платформах, могут выполнять сварку на стальных мостовых балках, трубопроводных соединениях и корабельных структурах. Например, Boeing разработал робот-гусеничного робота, который сваривает трещины в алюминиевых крыльях самолетов - технология, теперь адаптированная для инфраструктуры. В ограниченных пространствах, таких как подземные газопроводы, роботы дистанционной сварки могут соединяться с участками без необходимости в человеческом сварщике для входа в линию, что потребует очистки трубы взрывоопасных газов.

Уплотнение и покрытие

Трещины в бетонных плотинах, туннельных накладках и мостовых палубах могут быть герметизированы роботами, которые применяют эпоксидные или полиуретановые затирки под контролируемым давлением. Роботизированные дробовики используются для ремонта поверхностей туннелей, обеспечивая однородную толщину и уменьшая отходы. Для защиты от коррозии магнитные гусеничные машины могут пескоструйно перекрашивать стальные конструкции, такие как система ВМС США & # 8217; NASH (FLT:1]) (Navy Automated Ship Hull), которая очищает и покрасит корпуса кораблей в сухом доке.

Традиционные жесткие роботы борются с нерегулярными поверхностями и деликатными задачами. Мягкие роботы, изготовленные из гибких материалов, могут соответствовать форме корродированной трубы или разрушающейся кирпичной стены. Исследователи из Гарвардского университета и No 8217; Институт Висса разработали мягкий роботизированный захват, который может захватывать хрупкие объекты, не повреждая их — способность, ценная для обработки устаревших компонентов инфраструктуры. Роботы, подобные змее из Университета Карнеги Меллон, могут проскользнуть через небольшие отверстия для осмотра полостей зданий и подземных пустот.