强国复兴有我
2023年度上海市科学技术奖
优秀创新成果展示
10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。
2023年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众作科普宣传。
本期“档案”大揭秘
项目名称：复杂屏蔽空间无人系统自主智能检测关键技术与应用
完成单位：同济大学
完成人：何斌 等
奖励等级：技术发明一等奖
我国能源、交通等行业重大设施总量已突破百万亿规模，是国家经济民生的重要载体，其安全运行已成为我国经济社会发展的关键命脉。然而，它们的健康状况如何检测？尤其是这些基础设施内部的复杂屏蔽空间，如深邃的地下隧道、高耸的烟塔、密闭的锅炉等，一直是工程界的难题。大型设施复杂密闭空间具有长、深、高、大、险等特点，空间结构杂、内部全屏蔽GPS拒止病害多样（裂纹、腐蚀、渗漏等）、环境干扰多（粉尘、雨雾、暗光等）的险恶工况。传统人工和布设传感等检测存在目标可达性差、信息获取不完整、风险大、运维成本高等弊端，无法实现全域高效高精检测，迫切需要发明新型高性能、安全、全自主智能检测技术与装备。
在这样的背景下，针对大型复杂结构空间无人系统全域感知难、全屏蔽贫纹理环境高精定位与自主导航难、大范围空间微小尺度隐匿缺陷准确识别难、以及自主智能检测装备和系统缺少等现状，项目团队在多个国家科技项目支持下，经过近二十年的产学研攻关，成功攻克了复杂屏蔽空间无人系统自主智能检测的关键技术，提出了重大设施复杂密闭空间无人系统全域智能感知理论与方法，发明了复杂密闭空间无人系统高精定位与自主导航技术、无人系统大范围密闭空间微小尺度缺陷精准识别技术，研制了自主智能无人检测系列装备与系统，解决了重大基础设施长距离、高落差、多分支、全屏蔽等环境高效检测难题。
01 全域感知的智脑：
实现超大空间感知覆盖与海量数据融合
大型水电输水隧洞、火电锅炉、交通隧道等重大设施内部空间规模巨大、结构复杂，难以全域布设传感器进行在线检测。为此，项目团队提出了移动约束条件下多阶范数最大感知空间覆盖方法，获取了大型设施动力学空间与感知空间的映射关系；为了从海量混杂感知信息快速发现多点隐匿病害，发明了多源时空混杂数据变颗粒度信息融合方法，实现了重大设施病害主动追踪与继发病害预警，为无人系统自主检测提供重要理论基础。
02 穿越黑暗的慧眼：
实现强屏蔽下的精确定位与自主导航
水能电站输水隧洞距离长、落差高、分支结构复杂，存在低照度、贫纹理、无GPS等特点；火电站烟塔、锅炉等设施内部还存在磁密闭、信号高反射等条件，导致传统的定位方法失效，无人系统行动能力受限、作业自主性低。为此，项目团队发明了屏蔽环境无人系统空间拓扑先验与多源紧耦合数据融合的SLAM环境感知及无源自定位方法，提出了未知场景高实时拓扑探测与自主导航技术，形成了高容错、强适应的无人系统自主感知与决策技术体系。
03 毫米级缺陷的捕手：
实现大范围空间微小尺度缺陷高精度检测
为保障火电锅炉炉膛、水电输水隧洞等设施的正常运行，需要在停机维修期间从无光照、多粉尘、强屏蔽的大型密闭空间中快速检测出多种跨形态缺陷。例如某火电厂要求2天内，在6万多立方米的空间里，检查1万多平方米的炉膛，并发现毫米级的缺陷。这对无人系统检测技术提出了全空间、高精度和低耗时的应用需求。为此，项目团队发明了“飞爬结合”的异构机器人感通一体大范围协同检测技术，形成了大型密闭空间无人系统协同高精度工业视觉检测技术。构建了密闭空间跨形态缺陷特征数据库与领域自适应的内壁缺陷小样本快速识别方法。
超长水电站引水隧洞自主检测
超大火电锅炉炉膛自主检测
基于上述技术，项目团队发明了动态自适应爬壁机器人装备、密闭空间自主巡检无人机平台和异构多体协同检测系统，形成了完备的系列化无人系统智能检测平台，广泛应用于火电站锅炉、烟塔，大型水电站的输水隧洞、泄洪洞、大坝，交通隧道、地铁隧道等大型基础设施内部空间无人系统自主快速检测，极大地提高了检测效率，降低了成本，保障了安全性，避免了人工检测中可能出现的人员伤亡事故。瞄准未来，项目团队将在无人系统自主智能检测领域继续深挖，有望在城市地下管廊、排水管道、矿山、地下溶洞等地下空间的探索与检测新领域进行推广应用，为我国无人系统智能检测落地应用提供创新的技术和思路。
“复杂屏蔽空间无人系统自主智能检测关键技术与应用”项目的成功，标志着我国在无人系统智能检测领域达到了国际先进水平，不仅为我国重大基础设施的安全运行提供了有力保障，更为全球基础设施的健康监测提供了中国智慧和中国方案。随着技术的不断发展和应用，我们有理由相信，未来的基础设施检测将更加智能、高效、安全。
供稿来源：上海市科学技术奖励中心
供稿：蒋荣
编辑：拾
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