一種智能檢修一體化煤層氣管道維護(hù)機(jī)器人的研究武

張靜　牛濤　楊俊豪　楊智博　尹國(guó)強(qiáng)

摘 ?要：制造一種智能檢修一體化煤層氣管道維護(hù)機(jī)器人。該機(jī)器人可以通過激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自主巡航，結(jié)合IMU（慣性測(cè)量單元）技術(shù)提高導(dǎo)航的精準(zhǔn)程度。通過可見光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)進(jìn)行圖像信息的采集，搭載云臺(tái)提高機(jī)器人圖像采集的穩(wěn)定性。加入NLP（自然語言處理），可實(shí)現(xiàn)語音控制、語音提示、人機(jī)交流。使用OMD光學(xué)甲烷探測(cè)技術(shù)，利用煤層氣的主要成分甲烷能吸收特定波長(zhǎng) （3.3μm）紅外線的特性來判斷是否有煤層氣存在。

關(guān)鍵詞：IMU（慣性測(cè)量單元）;語音識(shí)別;電子通信;人工智能

中圖分類號(hào)：TP24 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0030-02

Abstract： An intelligent overhaul robot for CBM pipeline maintenance was manufactured. This robot can realize autonomous cruise via LiDAR combined with IMU （inertial measurement unit） technology to improve accuracy of navigation. Image information acquisition is carried out through visible light camera infrared camera and platform with pan head to improve stability of robot image acquisition. NLP （Natural language processing） can achieve voice control， voice prompt， and human-computer communication. Using OMD optical methane detection technology， as well as the capacity of methane to absorbinfrared ray of specific wavelength （3.3 μm）， we determine whether there exists coalbed methane.

Keywords： IMU （inertial measurement unit）; voice recognition; electronic communication; artificial intelligence

引言

在世界歷史上三次能源革命都對(duì)世界的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重大的影響，推動(dòng)了世界的發(fā)展與進(jìn)步。在當(dāng)今的時(shí)代背景下，煤層氣是必不可少的資源，用途非常廣泛。現(xiàn)如今我國(guó)煤層氣管道檢測(cè)方法雖多，可普遍需要人工步巡，勞動(dòng)強(qiáng)度過大，效率較低。并且具有一定程度上的危險(xiǎn)系數(shù)，不能夠百分百地保證人員的自身安全。因此需要將現(xiàn)如今成熟的檢測(cè)技術(shù)與人工智能相結(jié)合，研究一款智能檢修一體化煤層氣管道維護(hù)機(jī)器人，滿足工作需要的同時(shí)有效地保護(hù)人員自身安全。

1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

現(xiàn)如今我國(guó)煤層氣管道檢測(cè)方法居多，主要集中在以下方面：

1.1 直接感知法

通過有經(jīng)驗(yàn)的工作人員在管道上巡檢，通過看、聽、聞判斷煤層氣管道是否泄露。這種辦法受天氣、風(fēng)向、泄漏程度、氣體是否加臭、人員經(jīng)驗(yàn)等影響。而且當(dāng)煤層氣泄漏量較小時(shí)，很難發(fā)現(xiàn)。

1.2 流量突變法

這種方法主要是通過值班人員或技術(shù)手段對(duì)管道流量進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)下游用戶沒有變化的情況下，如果發(fā)生流量異常增大時(shí)，可以判斷管道可能發(fā)生泄漏。這樣方法只有在泄漏量較大時(shí)，才容易發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小量泄漏發(fā)現(xiàn)困難。

1.3 地埋管道儀器檢漏法

當(dāng)前最常用的是多功能全量程燃?xì)庑孤z測(cè)儀。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在廠家很多，如德國(guó)豎威公司的HS系列、埃德爾公司的GM系列等，此類儀器操作簡(jiǎn)單，儀器內(nèi)置大流量的自吸泵、探測(cè)最小濃度為PPⅢ級(jí)別，靈敏度較高，同時(shí)配置有推車型、鐘罩形等不同探頭以適應(yīng)不同的使用地點(diǎn)，在實(shí)際使用中效果很好。這種方法可以理論上可適用于各種情況。這種方法在去年使用中，連續(xù)發(fā)現(xiàn)了多起微小的管道泄漏，作用明顯，這種方法是目前使用最廣泛也最有效的巡檢方法之一。

1.4 打壓法

類似于管道投運(yùn)前的氣密性試驗(yàn)，將疑似泄漏的管道兩端封閉，進(jìn)行一定程度的升壓，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有壓降，說明該段存在泄漏。對(duì)于低壓管網(wǎng)還可以采用u型測(cè)壓儀進(jìn)行壓力檢查，確定有無泄漏。

1.5 放水檢查法

利用凝水缸中排水量判的變化檢查、分析、判斷。燃?xì)夤艿赖哪妆仨毝ㄆ谶M(jìn)行排水，若發(fā)現(xiàn)排水量驟增，水質(zhì)異常等情況時(shí)，應(yīng)考慮有可能為地下水從泄漏點(diǎn)滲入煤層氣管道，由此推出燃?xì)夤艿揽赡芷茡p泄漏，須進(jìn)一步開挖檢查。

1.6 示蹤法

可以通過向煤層氣管道中加注添加劑，如氫氣、四氫噻吩等具有明顯特征的物質(zhì)。利用添加劑的明顯特征，在使用SL-6～漏儀（氯敏探頭）、et系列檢測(cè)儀檢測(cè)其在空氣中的濃度，來確定泄漏點(diǎn)。

1.7 車載式燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)

燃?xì)庑孤z測(cè)車是在車輛上安裝泄漏檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)檢漏車在埋設(shè)有燃?xì)夤艿赖穆访嫔戏交蚋浇旭倳r(shí)，依靠功能強(qiáng)大的軟件硬件配置，可以對(duì)1-10米范圍內(nèi)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，判斷管道是否泄漏及泄漏的程度。其檢測(cè)技術(shù)主要有FID火焰電離式檢測(cè)技術(shù)。

火焰電離式檢測(cè)技術(shù)工作原理是通過內(nèi)置的大流量自吸泵吸取周圍氣體，如果泄漏的煤層氣被吸入，通過電離作用將其電離強(qiáng)弱將轉(zhuǎn)換成可視信號(hào)，以ppm數(shù)字形式直觀顯示出來。

2 存在問題

通過直接感知法，在惡劣天氣影響下，小量泄漏情況下會(huì)對(duì)人體感知器官產(chǎn)生影響，人體的感知判斷將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，難以準(zhǔn)確判斷煤層氣管道情況，容易對(duì)實(shí)時(shí)情況產(chǎn)生誤判。

國(guó)內(nèi)常用技術(shù)都需人工步巡，人員勞動(dòng)強(qiáng)度過大、長(zhǎng)時(shí)間疲憊工作導(dǎo)致工作效率效率較低，影響判斷準(zhǔn)確性。

受天氣影響較大，在上海、沈陽、北京大城市使用，適合于城市管網(wǎng)長(zhǎng)度長(zhǎng)的大城市，可以增加對(duì)管道的巡查頻次。但也受困于天氣等一些因素在惡劣環(huán)境下難以精準(zhǔn)進(jìn)行工作。

煤層氣由多種氣體組成，其中存在對(duì)人體有害的有毒氣體，存在一定的危險(xiǎn)系數(shù)，不能夠百分百地保證人員安全。

3 智能檢修一體化煤層氣管道維護(hù)機(jī)器人的功能介紹

可設(shè)置范圍的自主巡航功能：在機(jī)器人身上裝載激光雷達(dá)、多路傳感器、IMU等導(dǎo)航方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在一定范圍內(nèi)能夠自主巡航，在復(fù)雜環(huán)境中自主定位，通過深度優(yōu)化的避障算法，繞開已知規(guī)劃途徑中的障礙。

圖像信息采集功能：裝載云臺(tái)、可見光攝相機(jī)、紅外攝像機(jī)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人圖像信息的采集，以供后續(xù)的圖像識(shí)別。

語音提示、人機(jī)交流功能：主要是依托于AI的智能語音交互技術(shù)、NPL自然語言處理技術(shù)，從語音識(shí)別、語義理解、語音合成到自然語言生成完成一次完整的外呼工作。提醒工作人員施工時(shí)的注意事項(xiàng)以及危險(xiǎn)信號(hào)源。

特殊氣體識(shí)別功能：主要依托于現(xiàn)如今比較成熟的OMD光學(xué)甲烷探測(cè)技術(shù)。因煤層氣的主要成分是甲烷，它的吸收特定波長(zhǎng)（3.3μm）紅外線的特性。光學(xué)甲烷探測(cè)技術(shù)是在機(jī)器人上安裝特定波長(zhǎng)的紅外線光源和接收器，形成紅外線光柱，位于探測(cè)儀的光有濾鏡能使甲烷波長(zhǎng)的紅外線透過。如果沒有甲烷成分，光波強(qiáng)度不受影響，檢測(cè)器產(chǎn)生穩(wěn)定輸出信號(hào)。如果有甲烷成分，則光波的強(qiáng)度減弱，信號(hào)傳送至機(jī)器人內(nèi)數(shù)字顯示器，產(chǎn)生聲音警示信號(hào)。

4 智能機(jī)器人應(yīng)用于煤層氣管道維修的深遠(yuǎn)意義及影響

煤層氣管道維護(hù)機(jī)器人可以在全天候，任何地形的情況下進(jìn)行精準(zhǔn)無誤的測(cè)量與檢測(cè)，可以全天24小時(shí)不間斷的連續(xù)承擔(dān)高強(qiáng)度的工作，而人工則存在身體極限，無法在長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的工作環(huán)境下依舊保持準(zhǔn)確的判斷。有了人工智能的相輔相成，我們堅(jiān)定相信，在不久的將來，煤層氣管道的監(jiān)測(cè)工作完全可以實(shí)現(xiàn)智能信息化，從而大大減少工作中的安全隱患，減少人們的工作強(qiáng)度，真正做到創(chuàng)新、務(wù)實(shí)、安全、高效。

人工智能與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，將會(huì)有利于工業(yè)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)與利用，更加安全有效地進(jìn)行煤層氣管道的檢測(cè)，有利于更好地保障工作人員的人身安全，減少工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更有利于提高工作效率，使得檢測(cè)結(jié)果更加精確與高效。我們預(yù)期達(dá)到的效果是該機(jī)器人可以投放到工業(yè)行業(yè)中，可以自主巡航，遇到氣體泄漏時(shí)可以及時(shí)的發(fā)出預(yù)警信號(hào)，適應(yīng)在不同環(huán)境下的工作狀態(tài)，使工作人員得到更加安全的工作環(huán)境。

5 結(jié)束語

雖然從2000年以來，以太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉礊榇硇履茉撮_始規(guī)?；褂?，標(biāo)志著人類進(jìn)入“新能源時(shí)代”。但是煤層氣也是必不可少的能源，所以煤層氣管道的運(yùn)輸及其檢測(cè)顯得尤為重要。在人類進(jìn)入“新能源時(shí)代”的同時(shí)，生活方式也發(fā)生了巨大的改變，人類走進(jìn)了“信息化時(shí)代”，近年來，隨著電子信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能也逐漸走進(jìn)了人類的生活，給予了我們新的研究與挑戰(zhàn)。

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