在煤化工生產(chǎn)園區(qū)，儲罐林立、管廊縱橫交錯，高溫高壓設備密布，傳統(tǒng)人工巡檢不僅作業(yè)風險高，還存在大量巡檢盲區(qū)。如今，一套由山東華宇工學院跨學科學生團隊自主研發(fā)的 “天巡樞鏈” 智能巡檢系統(tǒng)，讓工業(yè)無人機化身園區(qū) “空中哨兵”，依托自研調(diào)度算法與多模態(tài)感知技術，實現(xiàn)化工園區(qū)全域智能化巡檢，為化工安全生產(chǎn)裝上科技 “防護盾”。從實驗室構想走向產(chǎn)業(yè)實地落地，這群大學生歷時兩年深入產(chǎn)業(yè)一線走訪調(diào)研，把科創(chuàng)論文書寫在化工園區(qū)的生產(chǎn)現(xiàn)場。

 

 

故事始于 2023 年 12 月，學校實驗室里，工業(yè)工程專業(yè)幾名學子圍繞煤化工園區(qū)巡檢難題展開研討。在前期資料查閱中，團隊發(fā)現(xiàn)國內(nèi)大量化工園區(qū)依舊高度依靠人力完成安全巡檢工作，高危環(huán)境下的巡檢作業(yè)始終是制約化工行業(yè)安全發(fā)展的突出短板。但紙上的資料無法還原產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場真實痛點，為了真正摸清企業(yè)實際需求，拒絕打造 “只適合實驗室展示” 的產(chǎn)品，項目負責人靳佳齊帶領團隊開啟為期兩年多的實地調(diào)研之路。

 

兩年間，團隊足跡遍及山東、遼寧兩省五市，先后走訪 12 家化工園區(qū)及化工生產(chǎn)企業(yè)，面對面訪談 187 名一線運維作業(yè)人員、企業(yè)安全管理人員。走進生產(chǎn)廠區(qū)，復雜的現(xiàn)實工況給團隊帶來巨大沖擊。很多化工園區(qū)管線設備排布密集交錯，人工徒步很難完成全部區(qū)域排查；部分裝置區(qū)屬于高溫高壓高危工況，人員直接入場作業(yè)人身風險突出；同時不同業(yè)務系統(tǒng)相互獨立，巡檢采集的數(shù)據(jù)分散在各個部門，排查出隱患之后還需要人工整理報告，信息流轉效率低下，隱患處置流程脫節(jié)。

 

大量一線調(diào)研梳理出煤化工巡檢五大核心行業(yè)痛點：巡檢航線模式固化，多機協(xié)同調(diào)度運行效率低下；園區(qū)設備構筑物復雜，造成空間受限，很難做到全域無死角覆蓋；單一識別傳感器抗環(huán)境干擾能力弱，隱患定位精度不足；高溫、煙霧、粉塵等惡劣工況，造成系統(tǒng)誤報率居高不下；各個業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互孤立，缺少一體化管控平臺，無法形成完整運維處置閉環(huán)。

 

“我們要做企業(yè)真正能用、好用、愿意用的技術產(chǎn)品，不能做脫離產(chǎn)業(yè)實際的紙上成果。” 靳佳齊在調(diào)研后確立項目研發(fā)的核心準則。結合走訪獲取的一手需求，團隊確定三大核心技術攻堅主線：自研動態(tài)調(diào)度算法、搭建多模態(tài)隱患識別體系、打造全流程閉環(huán)運維管理平臺，以三大模塊協(xié)同，針對性破解化工園區(qū)巡檢現(xiàn)存痛點。

 

 

算法是整套智能巡檢系統(tǒng)的 “大腦”。針對化工園區(qū)復雜多變的作業(yè)環(huán)境，團隊自主研發(fā) EDPNSGA-II 動態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法，跳出傳統(tǒng)巡檢路徑規(guī)劃靜態(tài)模式的局限。化工廠區(qū)內(nèi)部障礙物多、工況隨時變化，固定航線難以適配現(xiàn)場，這套算法可以實時感知外部環(huán)境變化，每 30 秒更新一次動態(tài)環(huán)境矩陣，五秒之內(nèi)即可完成無人機航線重新優(yōu)化。工業(yè)工程專業(yè)的學生主攻算法迭代優(yōu)化，將任務優(yōu)先級、無人機三維路徑坐標作為核心決策變量，創(chuàng)新雙層編碼架構，經(jīng)過無數(shù)次仿真模擬與現(xiàn)場調(diào)試，最終系統(tǒng)動態(tài)避障路徑生成概率提升 12.3%，有效解決多機協(xié)同作業(yè)沖突、航線僵化的現(xiàn)實難題，適配化工園區(qū)復雜構筑物環(huán)境。

 

感知識別是系統(tǒng)的 “眼睛”。團隊摒棄單一傳感器方案，采用可見光、紅外熱成像、激光測振三類傳感器相融合的硬件感知方案。可見光相機完成設備表面裂紋、破損缺陷識別；紅外熱成像捕捉設備、管線異常溫升；激光測振技術分析機械構件振動特征，挖掘設備內(nèi)部潛在故障。數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)的學生對 YOLOv11 檢測算法開展改進，引入 GAN 樣本擴充技術與 CBAM 注意力機制，系統(tǒng)能夠依據(jù)光照、煙霧、溫度變化動態(tài)調(diào)整不同傳感器權重，削弱復雜工業(yè)環(huán)境帶來的識別干擾。團隊收集數(shù)萬條化工場景隱患樣本，多次邀請行業(yè)專家開展專題研討打磨模型，反復訓練調(diào)優(yōu)之后，整套系統(tǒng)目標識別準確率達到 96.8%，有效降低煙霧、粉塵環(huán)境帶來的誤判、漏判問題。

 

測繪工程專業(yè)的同學主攻空間定位與數(shù)字孿生底座搭建，融合 GPS-北斗-RTK 多重定位技術，實現(xiàn)毫米級精準空間定位，構建園區(qū)三維數(shù)字孿生模型，隱患點位可以實現(xiàn)亞米級精準定位。在此基礎上，團隊搭建起 “檢測 — 識別 — 定位 — 消缺 — 復核” 一體化全流程數(shù)字化閉環(huán)管理系統(tǒng)。從無人機發(fā)現(xiàn)安全隱患、平臺自動告警派單，到工作人員現(xiàn)場消缺整改，再到無人機二次復核銷號，全部流程在平臺留痕記錄，打破不同業(yè)務系統(tǒng)之間的信息壁壘，解決化工企業(yè)長期存在的數(shù)據(jù)孤島難題。

 

 

科創(chuàng)研發(fā)的道路布滿坎坷。化工園區(qū)真實設備密度遠超實驗室仿真場景，項目調(diào)試階段，算法路徑規(guī)劃頻繁出錯，多架無人機協(xié)同作業(yè)經(jīng)常發(fā)生航線沖突。為攻克技術難關，團隊成員連續(xù)數(shù)月扎根實驗室，反復調(diào)試算法環(huán)境感知模塊，打磨雙層染色體編碼結構，不斷修正動態(tài)適應度函數(shù)。多模態(tài)數(shù)據(jù)融合過程中，廠區(qū)煙霧、強光、高溫都會帶來識別誤報，團隊把實地采集的大量真實隱患樣本投入模型訓練，結合十多場行業(yè)專家專題研討，逐條復盤誤判案例，一點點打磨識別模型性能。在許婷婷等指導老師全程悉心指導下，項目不斷突破技術關卡，累計取得 10 項授權專利、3 項軟件著作權，公開發(fā)表 2 篇學術論文，項目核心技術經(jīng)過省級科技查新，認定為國內(nèi)首創(chuàng)。

 

技術的價值，最終要落地產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場接受實踐檢驗。2025 年，“天巡樞鏈” 系統(tǒng)先后落地沈陽眾鑫煤業(yè)、德州實華化工兩家煤化工企業(yè)開展實地試點應用，交出亮眼的實測答卷。在沈陽眾鑫煤業(yè)，系統(tǒng)部署多型號工業(yè)無人機，面向大型儲罐、錯綜復雜管廊、生產(chǎn)車間開展全域巡檢，同步搭建企業(yè)專屬三維數(shù)字孿生模型。數(shù)據(jù)顯示，企業(yè)全廠完整巡檢周期從原先 12 天壓縮至 3 天，巡檢效率實現(xiàn)四倍提升，漏檢率由 15% 下降至 0.03%，重點區(qū)域巡檢頻次提升 2 倍，隱患閉環(huán)處置時間縮短到 30 分鐘。

 

在德州實華化工產(chǎn)業(yè)園，項目部署 6 架巡檢無人機開展全域作業(yè)，依托 EDPNSGA?II 動態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法搭建園區(qū)智慧安全管控體系。企業(yè)以往完成一輪全廠巡檢需要 15 天，引入智能巡檢系統(tǒng)之后僅需 3 天即可完成；重點區(qū)域巡檢頻次提升 3 倍，故障識別準確率高達 98.6%。企業(yè)相關負責人表示，該項目直擊傳統(tǒng)人工巡檢盲區(qū)多、作業(yè)風險高、工作效率低下的行業(yè)痛點，切實為化工企業(yè)安全生產(chǎn)賦能。過去很多高空管廊、儲罐頂部，巡檢人員很難抵達，只能遠距離粗略觀察，很多隱蔽隱患無法及時察覺；現(xiàn)在無人機靈活穿梭于廠區(qū)上空，高危區(qū)域不再需要人員冒險進入，真正實現(xiàn) “機器替人”，把一線運維人員從高危作業(yè)環(huán)境解放出來。

 

 

豐碩的落地成果，離不開跨學科團隊成員的協(xié)同作戰(zhàn)。項目團隊匯聚工業(yè)工程、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術、測繪工程多個專業(yè)青年學子，不同學科發(fā)揮自身專業(yè)優(yōu)勢，形成 “實地調(diào)研找準痛點 — 算法技術攻堅突破 — 硬件感知迭代優(yōu)化 — 平臺系統(tǒng)集成開發(fā) — 產(chǎn)業(yè)試點落地打磨” 完整科創(chuàng)鏈條。實驗室之內(nèi)，大家共同研討技術方案，反復調(diào)試代碼、組裝測試無人機硬件設備；實驗室之外，同學們走進化工生產(chǎn)一線，佩戴安全帽深入廠區(qū)，記錄現(xiàn)場工況，收集真實樣本，對接企業(yè)運維人員收集反饋意見，根據(jù)企業(yè)實際使用感受持續(xù)迭代系統(tǒng)功能。

 

 

項目負責人靳佳齊表示，大學生科創(chuàng)不能止步于實驗室、止步于競賽賽場，要面向實體經(jīng)濟的真實需求。項目團隊同步完成商業(yè)化路徑規(guī)劃，打造 “產(chǎn)品銷售 + 技術合作 + 生態(tài)分成” 多元化盈利模式，依托專利技術、軟件系統(tǒng)、巡檢服務開展市場拓展。結合試點企業(yè)反饋，團隊對未來營收做出規(guī)劃，預計 2026-2028 年項目營收分別達到 80 萬元、300 萬元、550 萬元。

 

“我們的目標不只是完成一個科創(chuàng)項目，而是實實在在推動化工園區(qū)巡檢模式的變革升級。” 靳佳齊說。現(xiàn)階段項目主要面向煤化工行業(yè)，未來團隊將持續(xù)推進算法輕量化研發(fā)，進一步降低硬件使用門檻，讓廣大中小化工企業(yè)同樣可以負擔、能夠用好這套智能巡檢方案。與此同時，團隊計劃把成熟技術方案向外拓展，延伸至油氣、電力等更多工業(yè)高危巡檢場景，推動無人機智能巡檢從少數(shù)大型企業(yè)的高端配置，轉變?yōu)楣I(yè)安全生產(chǎn)領域的標準化配置。

 

高校相關負責人表示，“天巡樞鏈” 項目是學校科創(chuàng)育人成果的典型縮影。學校持續(xù)引導廣大學生走出校園、對接產(chǎn)業(yè)，鼓勵學生把課堂專業(yè)知識轉化為解決行業(yè)現(xiàn)實難題的硬核技術成果。未來學校會持續(xù)搭建科創(chuàng)實踐平臺，給予學生團隊師資、場地、科研多方位支持，推動更多青年科創(chuàng)成果走出實驗室、落地實體經(jīng)濟，用青年的智慧與力量守護工業(yè)生產(chǎn)安全，助力工業(yè)領域數(shù)字化、智能化轉型升級。