Strojové inspekce leteckým dronem ve vnitřním prostředí

Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. (VZÚ Plzeň) nabízí novou službu. Jedná se o vizuální inspekce technologií a stavebních struktur za pomoci leteckého dronu, který je speciálně konstruován pro vnitřní prostředí. S dronem je tak možné kontrolovat těžko přístupná místa, jako jsou na příklad jeřábové dráhy, závěsy potrubí, nebo třeba ocelové konstrukce a jejich šroubové nebo svarové spoje. Dokonce je možné provádět i průlety uvnitř dostatečně velkých potrubí a ověřovat tak jejich integritu zevnitř. Takto provedená vizuální inspekce může pak být předložena materiálovým specialistům ve společnosti, kteří jsou schopni říct, jaký defekt dle jistých ukazatelů hrozí, případně již nastal a jsou schopni doporučit nápravná opatření. Kombinace těchto aktivit v podstatě přináší na českém trhu zcela unikátní službu, kterou VZÚ Plzeň již šíří ke svým zákazníkům.

Use case: Závěsy potrubí

Potrubní závěsy na elektrárnách slouží ve zkratce k tomu, aby bylo dané potrubí na správném místě a případně aby dovolovaly pohyb potrubí v mezích daných provozem. Když závěsy fungují správně, není s nimi problém. Ale v okamžiku, kdy by měly selhat, může být ohrožen celý provoz výrobního bloku. Aby se takovým situacím předcházelo je potřeba provádět na závěsech periodické kontroly, během kterých se vizuální inspekcí zjistí stav závěsu. Sleduje se v podstatě jeho celková integrita a známky možných budoucích poruch. V některých případech se sleduje ukazatel napjatosti, aby bylo zřejmé, zda není závěs přetížen, nebo naopak podezřele odlehčen.

Pro úspěšnou kontrolu závěsu je třeba se k němu dostat a provést jeho prohlídku. V mnohých případech však takováto prohlídka vyžaduje nemalé náklady, zejména z důvodu, že může být zapotřebí postavit lešení. V závislosti na poloze závěsu se může jednat až o statisíce korun spojených s náklady na stavbu.

Dalším aspektem je bezpečnost práce. Jelikož se téměř určitě bude u takové kontroly jednat o práci ve výškách, je zapotřebí inspektora řádně proškolit a vybavit. Nicméně i přes tato opatření není riziko eliminováno.

Z výše zmíněných důvodů je pro vizuální prohlídku ideální použít letecký dron, který se může k závěsu dostat bez problému v řádu několika sekund a celou prohlídku zaznamená na video, které si pak může prohlédnout mnohem více zainteresovaného personálu.

Use case: Elektrárenské kotle

Kontroly v elektrárenských kotlích jsou specifické například tím, že je částečně provádějí horolezci. Jsou to většinou natolik velké struktury, že stavba lešení pouze pro účel vizuální kontroly je ekonomický nesmysl. Nicméně bez realizace prohlídek hrozí, že dojde během provozu k defektu. Proto se zejména v horních částech přistupuje k horolezecké variantě. Tento způsob může být efektivně nahrazen robotickou inspekcí. Taková inspekce je bezpečná a výstupem z ní je kvalitní obrazový materiál, který může být distribuován mezi více specialistů, kteří můžou stav vyhodnotit. Samozřejmostí je LED přísvit, tak aby bylo možné inspekci provést nezávisle na vnějších světelných podmínkách. Další výhodou je funkce držení konstantní vzdálenosti od stěny. To umožní vidět zájmovou plochu ve všech pozicích z totožné vzdálenosti a zejména to ulehčí pilotování dronu. Je pak možné soustředěnost věnovat na další aspekty mise. Dron je vybaven integrovanou termokamerou, je tedy možné v živém pohledu například hledat tepelné úniky.

Elektrárenské kotle jsou náročné prostředí na provádění vizuálních kontrol z několika důvodů. Jedná se zpravidla o velký volný prostor, kde stěny jsou zaprášené popílkem. Takové prostředí dokáže jednoduše zmást fotosenzory dronu a narušit tak jeho stabilitu. V takovém okamžiku přechází ovládání z asistovaného režimu do zcela ručního řízení, kde pilot musí kontinuálně reagovat na chování dronu. Dron v podstatě nepředvídatelně plave v letové hladině a je na pilotovi, aby správně korigoval pohyb. Ačkoliv je dron vybaven ochranou klecí, stále hrozí riziko, že se do vnitřního prostoru klece dostane cizí předmět, který může dron fatálně poničit, nebo se klec může někde zachytit a dron tak uvízne. Tato rizika existují a je na pilotovi, aby je správně vyhodnotil a misi této skutečnosti uzpůsobil. Dalším rizikem je omezená doba letu, která je pro provedení inspekce dostatečná, nicméně docházející čas a tlak na efektivitu provedení jsou významnými stresujícími faktory pro pilota. I proto je potřeba mise plánovat v předstihu a nespoléhat pouze na improvizaci na lokalitě.

Use case: Měření technologie

Díky výpočtovému výkonu současných počítačů je možné zpracovávat stále větší objemy dat, což je zásadní pro práci s 3D mračny bodů, kde se data běžně pohybují v řádech desítek až stovek GB. Pokud se budeme bavit o 3D skenování pomocí leteckého dronu, v zásadě dnes existují dvě možnosti sběru dat.

Jeden způsob je letecká fotogrammetrie. Při tomto způsobu jde o získání fotografických snímků zájmového objektu ze všech možných směrů tak, aby na fotografiích byly ideálně vidět všechny plochy objektu, a to z různých úhlů. Zdrojem obrazového materiálu může být například video, z kterého budou vytaženy jednotlivé snímky. Je nutné, aby se nový snímek svým záběrem překrýval zhruba kolem 50 % s původním snímkem. Dostatečně velké množství snímků v náležité kvalitě pak může posloužit jako podklad pro tvorbu 3D modelu ve specializovaných softwarech. Takovéto modely dosahují přesnosti v jednotkách centimetrů, což pro jisté účely může být dostatečné, pro jiné však nepoužitelné. Velkou výhodou takového generování 3D modelu je celistvost plochy, se kterou je pak možné adekvátně pracovat. Atraktivita tohoto druhu 3D skenování přichází v momentě promítnutí textury z fotografií na 3D stereolitografickou síť. Vizuálně je pak 3D model často k nerozeznání od reality. Takovéto 3D modely mohou být s výhodou využity například k interpretaci skutečného stavu technologie nebo stavebních struktur pro lidi, kteří neměli možnost danou lokalitu fyzicky navštívit. Je pak nasnadě takto vytvořený 3D model použít jako podklad pro virtuální realitu, ve které se člověku dostane mnohem věrnější prostorové představivosti. Takto zkombinované technologie 3D skenování a virtuální reality můžou efektivně sloužit jako nástroj pro specialisty, kteří budou například plánovat opravy na vzdálené lokalitě, a umožní jim tak vyhnout se rizikům, která by mohla jinak vzniknout. Ovšem pro sběr vhodných dat je nutné přizpůsobit i způsob provádění letu. Z běžné inspekce je možné očekávat nějaký hrubý 3D model, ale je-li požadavek na kvalitu 3D modelu vyšší, bude nutné, aby byl let proveden jistými manévry, které umožní snímkovat objekt dle potřeby.

Druhým způsobem je 3D laserové skenování za pomoci LiDaru. LiDar je zařízení, které emituje laserové paprsky směrem do prostoru a zpětně pak přijímá jejich odraz. Na základě měření doby letu paprsku je počítač schopen zaregistrovat polohu bodu. Tímto způsobem je paprsek emitován v 360° výseči, která je částečně kulová, a to několikrát za sekundu. Vznikne tak mračno bodů, které kopíruje tvar prostředí. Aby bylo možné poskládat komplexní 3D mračno z adekvátně velikého prostředí, je aplikován algoritmus SLAM, který v podstatě lepí mračno získané z jednoho snímání na mračno získané z předchozího snímání. Tento proces jako takový vnáší do modelu poměrně velkou nepřesnost. Je proto vhodné provádět let tak, aby bylo místo vzletu, tedy místo, kde je prvně prováděn laserový sken, shodné s místem přistání. Je-li tomu tak, lze pak počáteční a konečný sken mezi sebou porovnat a v 3D prostředí je mezi sebou ztotožnit. Vznikne pak nějaká prostorová odchylka, která je zpětně aplikovaná na všechny snímky během letu a mračno bodů je tak možné dorovnat do realistické geometrie. 3D laserové skenování je dnes běžně využívanou metodou zejména v geodézii. Nicméně je zde řeč především o pozemních stanicích. LiDar umístěný na dronu má zjevnou výhodu v tom, že dokáže zaznamenat tvar prostředí z míst, kam by se operátor s pozemní stanicí mohl jen těžko dostat. Laserové měření z dronu nemůže v přesnosti naměřených dat konkurovat pozemní stanici, nicméně může sloužit jako vhodný doplněk pro zaznamenání nepřístupných míst.

Další využití

Letecký dron je možné efektivně využít obecně ve všech aplikacích, kde je přístup k technologii problematický z hlediska dosahu nebo bezpečnosti. A to ať už za účelem vizuální inspekce nebo měření. Jmenovitě můžeme uvést například jeřábové dráhy, kondenzátory parních turbín, mapování a měření důlních štol, zjišťování celistvosti komínů nebo chladicích věží.

Vzhledem k náročnosti prováděných inspekcí lze očekávat, že si pilot nemusí všimnout všech prvků, které by měl vidět. Tato skutečnost je pro VZÚ Plzeň motivací k vývoji umělé inteligence, která pilotovi pomůže detekovat různé objekty nebo přímo defekty. Využití umělé inteligence (UI) je v průmyslové praxi stále běžnější. Celosvětově je největší důraz kladen na zpracování obrazu, kde umělá inteligence kráčí mílovými kroky. V našem případě trénujeme UI na rozpoznání konkrétních předmětů, u kterých může dojít k přehlédnutí. V současné době pilot nejprve dokončí svou misi a následně je video zpracováno pomocí UI, která dané předměty automaticky označí. Cílem je samozřejmě tento obraz hodnotit v reálném čase a inspekci tak zefektivnit.

Závěr

Náš tým pilotů prodělal několika denní intenzivní výcvik, při kterém se připravoval na nejrůznější mise a letové scénáře, kdy dokázal drony dostat až k limitům, a někdy je i překročit. Díky tomu víme, co si můžeme dovolit a jak na situace reagovat. Dnes již máme za sebou několik ostrých akcí na elektrárnách, kde jsme ukázali schopnost inspektovat vnitřní strukturu kotlů a jejich příslušenství, nepřístupné šachty, kondenzátory parních turbín, svary, šroubové spoje nebo třeba závěsy potrubí. Postupně se zlepšujeme ve všech ohledech a věříme, že můžeme být výhodnou alternativou pro současné způsoby vizuálních inspekcí.

Ing. Zdeněk Kubín, Ph.D.
Ing. Filip Schmidt