巡檢機(jī)器人在天然氣企業(yè)生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用

鄧啟志

摘要：天然氣生產(chǎn)場站是氣礦天然氣生產(chǎn)輸送的重要環(huán)節(jié)，為保障氣礦正常生產(chǎn)運(yùn)行須進(jìn)行定時(shí)巡檢。氣礦傳統(tǒng)的人工巡檢方式，巡檢質(zhì)量執(zhí)行無有效監(jiān)督、巡檢效率低，存在無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)天然氣氣體泄露、暴雨等惡劣天氣條件下巡檢有安全隱患等問題。在充分分析氣礦巡檢現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合氣礦場站運(yùn)行環(huán)境要求，對機(jī)器人巡檢技術(shù)進(jìn)行充分研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)適用于天然氣場站的智能巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)井站生產(chǎn)安全受控，助力于智能化氣田建設(shè)。

關(guān)鍵詞：天然氣生產(chǎn);人工巡檢;機(jī)器人;巡檢技術(shù);安全受控

中圖分類號：TE38? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1? ? 概述

川西北氣礦當(dāng)前的天然氣產(chǎn)量快速增長，大多場站管理依然采用人工巡檢方式，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡檢相對效率低，部分巡檢人員容易因疲勞、情緒等因素導(dǎo)致巡檢疏漏，容易存在沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)少量的天然氣泄漏、惡劣的天氣條件下有巡檢安全隱患等問題，給氣礦的場站管理增加了難度。

為促進(jìn)川西北氣礦氣田管理的自動(dòng)化和智能化，便于場站的管理和工作效率的提升，引進(jìn)智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)已迫在眉睫，通過在場站和廠區(qū)運(yùn)用巡檢機(jī)器人開展工作，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場狀態(tài)智能監(jiān)控，以及大量數(shù)據(jù)的智能采集、報(bào)警、分析等功能。針對一些高危區(qū)域，現(xiàn)場員工很難進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的場合，采用智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行不間斷巡檢，并將視頻、紅外測溫等數(shù)據(jù)上傳后臺(tái)，即時(shí)發(fā)現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”等異常，可做到實(shí)時(shí)報(bào)警，供中心站和作業(yè)區(qū)第一時(shí)間掌握信息，實(shí)現(xiàn)井站生產(chǎn)安全受控，助力于智能化氣田發(fā)展。對巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用按照“需求分析、功能設(shè)計(jì)、現(xiàn)場應(yīng)用、效果分析”四個(gè)方面進(jìn)行分析研究[1]。

2? ? 巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及研究技術(shù)路線

2.1 智能巡檢機(jī)器人在國內(nèi)天然氣行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)有可以實(shí)現(xiàn)自主巡檢、智能監(jiān)視、數(shù)據(jù)綜合采集分析、現(xiàn)場狀態(tài)報(bào)警等功能于一體的智能巡檢機(jī)器人在交通、城市巡邏、變電站等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。尤其在電力行業(yè)，利用智能機(jī)器人巡檢提前預(yù)警變電站內(nèi)設(shè)備熱缺陷等隱患已屬于常態(tài)。由于天然氣行業(yè)對于防爆等級有一定的要求，通過防爆改造，智能巡檢機(jī)器人在各天然氣企業(yè)逐步展開應(yīng)用，主要包括在天然氣井場、凈化廠等[2]。天然氣場站使用智能巡檢機(jī)器人取代了傳統(tǒng)的人工巡檢方式，解決了重復(fù)工作量大、巡檢效率低的問題，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)少量氣體泄漏、惡劣天氣下巡檢存在的安全隱患。為進(jìn)一步強(qiáng)化新技術(shù)融合，將成熟的、新型的智能化、自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)管理中，智能巡檢機(jī)器人替代人工巡檢，完成巡檢中遇到的繁、難、險(xiǎn)和重復(fù)性的工作，是場站巡檢技術(shù)的發(fā)展方向。

2.2 智能巡檢機(jī)器人研究技術(shù)路線

智能巡檢機(jī)器人可采用模塊化設(shè)計(jì)，小巧機(jī)身搭載多種聲光氣體核心探測器，在各種各樣環(huán)境下都可對閥門、儀表、液位計(jì)等現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行圖像、視音頻的實(shí)時(shí)分析;可通過紅外熱成像功能來檢測場站的跑、冒、滴、漏異?，F(xiàn)象、激光遙測功能檢測泄漏氣體成分和濃度，更可靈活地判斷現(xiàn)場各種異常情況，第一時(shí)間自動(dòng)報(bào)警，遠(yuǎn)程通知，另外其雙向?qū)χv、燈光補(bǔ)償功能則讓機(jī)器人巡檢發(fā)揮遠(yuǎn)程雙點(diǎn)位指揮作用，從而提高夜間作業(yè)效率[3]。

智能巡檢機(jī)器人導(dǎo)航以激光雷達(dá)指示為主，在干擾較多或空曠的場所可以鋪設(shè)磁條，利用可見光、車載紅外及聲音傳感器檢測儀表讀數(shù)、異常聲音、設(shè)備溫度等狀況。機(jī)器人將采集到的圖像、數(shù)據(jù)等現(xiàn)場資料，通過無線傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、故障狀態(tài)告警，實(shí)時(shí)生成巡檢狀況報(bào)告。巡檢機(jī)器人在電量不足時(shí)，自動(dòng)返回充電站完成自動(dòng)尋樁充電。機(jī)器人巡檢時(shí)，可選擇工作模式按巡檢地圖進(jìn)行巡檢，導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)預(yù)設(shè)巡檢點(diǎn)自動(dòng)停止，控制系統(tǒng)控制云臺(tái)使傳感器對準(zhǔn)檢測目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行拍照和攝像[4]。

（1）具備自主導(dǎo)航模式，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮可應(yīng)用無軌導(dǎo)航方式。機(jī)器人采用4輪或履帶驅(qū)動(dòng)方式，依靠慣導(dǎo)、激光雷達(dá)、里程計(jì)算進(jìn)行綜合導(dǎo)航，可實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的路線和停靠位置自主行動(dòng)和?？康墓δ?。

（2）為防止機(jī)器人碰撞設(shè)備、管線、人員，具備實(shí)時(shí)避障功能。設(shè)計(jì)安裝多個(gè)避障傳感器，檢測到前后方障礙物，停止運(yùn)行并修正目標(biāo)，云臺(tái)對準(zhǔn)目標(biāo)，報(bào)警信息上傳至調(diào)控中心。

（3）為保證機(jī)器人連續(xù)穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)自主檢測的功能。運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測本體運(yùn)行狀況，具備報(bào)警的功能。包括機(jī)器人內(nèi)部溫度過高、電池電壓過低、通信中斷、導(dǎo)航損壞等，報(bào)警信息上傳至監(jiān)控平臺(tái)。

（4）設(shè)計(jì)自主充電功能，自主充電裝置由電源端和受電端組成，根據(jù)實(shí)時(shí)電量檢測，采用非接觸充電，自主完成。

（5）機(jī)器人可與后臺(tái)的監(jiān)控平臺(tái)通過氣礦自建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互。平臺(tái)實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和本體狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（6）根據(jù)集氣站電氣設(shè)備防爆要求，機(jī)器人按照Exia T4和IP67進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

3? ? 巡檢機(jī)器人技術(shù)方案

3.1 天然氣場站巡檢機(jī)器人需求分析

智能化場站的發(fā)展離不開機(jī)器人技術(shù)的支撐，智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用是場站管理提升的大趨勢。場站工藝流程優(yōu)化及中心站加無人值守站管理模式實(shí)現(xiàn)后，新型生產(chǎn)組織管理模式可持續(xù)推進(jìn)，將機(jī)器人巡檢技術(shù)與智能化場站建設(shè)相結(jié)合，為場站的管理提供了新的巡檢方式。

考慮到川西北氣礦天然氣場站建設(shè)特點(diǎn)及氣候環(huán)境等要求，巡檢機(jī)器人必需滿足相關(guān)指標(biāo)。場站工藝生產(chǎn)區(qū)域?yàn)榉辣瑓^(qū)域，機(jī)器人及其搭載設(shè)備的防爆性能要求需按照國家防爆標(biāo)準(zhǔn)GB-3836文件要求執(zhí)行;可以按照設(shè)定的軌跡線路精確地自主行走（誤差小于1 cm）和停靠，具備自主巡檢、特殊巡檢的工作模式;具有一定的涉水（深度大于10 cm）、爬坡角度大于15°、小半徑轉(zhuǎn)彎、短距離制動(dòng)能力;電池續(xù)航能力≥6 h，自主充電，考慮每天巡檢次數(shù)，充滿50%電量時(shí)間需維持在5 h以內(nèi);可以切換手動(dòng)及自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制;能準(zhǔn)確識別場站內(nèi)現(xiàn)場儀表顯示值，要求識別率90%以上;機(jī)器人巡檢管理系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、自行分析診斷功能[6]。

3.2 工作原理

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由巡檢機(jī)器人載體、電源電池及充電系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊及其他輔助設(shè)施組成。在機(jī)器人不容易到達(dá)的地方，如高架、管道中間等可部署固定采集模塊。這種部署方式能提高巡檢的穩(wěn)定性和巡檢效率。系統(tǒng)方案如圖1所示。

使用無軌導(dǎo)航方式屬于新發(fā)展趨勢，可以實(shí)現(xiàn)快速部署，方便站間調(diào)配，采用四輪或履帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境。提供高清晰度紅外及可見光視頻圖像，測溫精度1 ℃;采用基于激光雷達(dá)和慣導(dǎo)組合的導(dǎo)航方案，定位精度達(dá)到4 cm。激光防撞，提供高可靠性安全保障?？稍剞D(zhuǎn)向，為巡檢提供更強(qiáng)的易用性。

3.3 硬件設(shè)備

人工巡檢主要靠人員的聽覺、視覺、觸覺、嗅覺去判斷集氣站工藝設(shè)備是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常、有無“跑、冒、滴、漏”等問題。對標(biāo)人工巡檢，機(jī)器人設(shè)計(jì)搭載拾音器、可見光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、氣體檢測儀4種探測設(shè)備，如圖2所示。

（1）搭載拾音器，讀取巡檢設(shè)備聲音，對設(shè)備聲音的時(shí)域、提取特征進(jìn)行聲音信號分析，分辨出異常頻譜，并發(fā)出報(bào)警。

（2）搭載可見光攝像機(jī)，采集現(xiàn)場視頻、圖片，通過圖片自動(dòng)識別閥門開關(guān)狀態(tài)、壓力表及液位計(jì)等儀表數(shù)據(jù)。

（3）搭載紅外攝像機(jī)，利用紅外攝像頭對當(dāng)前設(shè)備進(jìn)行熱成像處理，檢測設(shè)備、管道等關(guān)鍵部位溫度異常區(qū)。

（4）搭載氣體檢測儀，檢測巡檢區(qū)域甲烷、硫化氨等氣體濃度，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至監(jiān)控平臺(tái)。

3.4 軟件構(gòu)成

巡檢機(jī)器人與集控中心通過局域網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳輸內(nèi)容包括：

（1）高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，可分為中低密度數(shù)據(jù)、流媒體數(shù)據(jù)。

中低密度數(shù)據(jù)：包括實(shí)時(shí)遙控指令、巡檢數(shù)據(jù)與圖片信息、巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)等;

流媒體數(shù)據(jù)：包括紅外熱成像儀壓縮視頻流、可見光高清壓縮視頻流、音頻流等。

（2）事務(wù)性數(shù)據(jù)：該部分?jǐn)?shù)據(jù)不要求長時(shí)間實(shí)時(shí)傳輸，頻率較低，包括巡檢任務(wù)下達(dá)，巡檢報(bào)表上傳等。

機(jī)器人監(jiān)控中心硬件由服務(wù)器、無線網(wǎng)橋、控制器、顯示器等設(shè)備組成。服務(wù)器用來承載監(jiān)控系統(tǒng)的所有軟件，并且存儲(chǔ)巡檢機(jī)器人生成的歷史數(shù)據(jù)信息，為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的查詢提供數(shù)據(jù)來源。無線網(wǎng)橋用于接收和發(fā)送巡檢機(jī)器人的數(shù)據(jù)和控制信息。控制器用于遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場巡檢機(jī)器人動(dòng)作。顯示器可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控系統(tǒng)的交互界面，便于人員監(jiān)視。

大數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)巡檢任務(wù)中采集到的可見光圖像、紅外圖像、聲音表計(jì)讀數(shù)、設(shè)備位置狀態(tài)、注油設(shè)備油位等信息存儲(chǔ)在巡檢數(shù)據(jù)庫中，并能夠按照巡檢的時(shí)間、設(shè)備名稱、設(shè)備類型、任務(wù)、最高溫度等過濾條件查詢巡檢數(shù)據(jù)[7]。

3.5 安全分析

為保證巡檢機(jī)器人正常運(yùn)行，同時(shí)做好安全分析，按照以下在巡檢機(jī)器人部署前，應(yīng)對場站巡檢目標(biāo)進(jìn)行充分分析，同時(shí)做好安全分析，按照以下步驟展開。

根據(jù)集氣站布局及巡檢要求，確定巡檢目標(biāo)點(diǎn)。

按照巡檢點(diǎn)布局，規(guī)劃機(jī)器人巡檢路線，覆蓋所有巡檢點(diǎn)并不斷優(yōu)化路線距離。

（1）根據(jù)巡檢點(diǎn)及巡檢路線設(shè)置巡檢機(jī)器人導(dǎo)航定位點(diǎn)。

（2）在巡檢路線始末端選取空地安裝機(jī)器人充電屋。

（3）開展巡檢機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試，具備行走、巡檢、報(bào)警及信號傳輸?shù)裙δ堋?/p>

（4）巡檢機(jī)器人與監(jiān)控平臺(tái)綜合調(diào)試，巡檢信息實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，開發(fā)遠(yuǎn)程控制巡檢、自動(dòng)巡檢、聯(lián)動(dòng)巡檢3種模式，可完全滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

4? ? 應(yīng)用效果

采用機(jī)器人開展場站巡檢作業(yè)，川西北氣礦一線員工工作效率顯著提高，巡站人員數(shù)量明顯下降，節(jié)約的人員調(diào)整開展其他技術(shù)工作，降低了操作成本，提高了巡檢質(zhì)量。

（1）采用機(jī)器人，日常集氣站巡檢由機(jī)器人完成，作業(yè)區(qū)調(diào)控中心根據(jù)巡檢結(jié)果，針對性安排人員上站作業(yè)。

（2）巡檢質(zhì)量提升，機(jī)器人巡檢數(shù)據(jù)自動(dòng)運(yùn)算、對標(biāo)分析，向各級管理人員提供準(zhǔn)確的巡檢結(jié)果，避免了因人員技能差異、責(zé)任心等因素導(dǎo)致巡檢質(zhì)量不高的現(xiàn)狀。

（3）降低了氣礦天然氣場站的安全管控風(fēng)險(xiǎn)，將人員大量重復(fù)的現(xiàn)場作業(yè)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)遠(yuǎn)程作業(yè)，大大降低了人員因質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不到位、惡劣天氣條件下作業(yè)等因素導(dǎo)致的受傷風(fēng)險(xiǎn)。

5? ? 結(jié)論

川西北氣礦應(yīng)用的巡檢機(jī)器人能夠做到精準(zhǔn)化、全天化以及高頻化作業(yè)，既解放了人力又保障了人員安全，同時(shí)又讓場站巡檢工作中需要艱難深入的盲點(diǎn)區(qū)域、細(xì)節(jié)層面得到了高效保障，進(jìn)一步提升了無人值守場站工作效率和安全防護(hù)程度。隨著天然氣開發(fā)的持續(xù)提升，勘探生產(chǎn)難度將日益增大，人力資源緊缺，川西北氣礦將積極引入更多巡檢機(jī)器人，解決現(xiàn)場問題，助力氣田更加安全、高效地進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖娟.變電站巡檢機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2015.

[2] 陳凌峰，初艷華.智能巡檢機(jī)器人測溫應(yīng)用及案例[J].電子測試，2016（23）：1-5.

[3] 劉冬生，陳寶林.磷酸鐵鋰電池特性的研究[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（1）：65-68.

[4] 周立輝，張永生，孫勇.智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011（19）：90-93，101.

[5] 李昌杰.智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[6] 申美娟.基于DSP的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[7] 霍永君.自主式機(jī)器人智能控制實(shí)驗(yàn)方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.