油氣田智能巡檢系統(tǒng)研究

韓光，趙春雪，蘭明菊，敖開栓，劉凡

（中國石油天然氣集團(tuán)有限公司新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

為了保證油氣田持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，油氣田企業(yè)必須做好巡檢工作。當(dāng)前，巡檢工作主要由人工完成。但由于油氣田生產(chǎn)區(qū)域一般風(fēng)險較大、環(huán)境復(fù)雜，且受限于人力、經(jīng)驗等主觀因素，傳統(tǒng)的人工巡檢方式經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)督不嚴(yán)、巡檢不到位、預(yù)警不及時等問題。

近年來，在互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化技術(shù)的支撐下，智能化系統(tǒng)研發(fā)不斷取得新突破，智能巡檢技術(shù)優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)，并開始廣泛應(yīng)用于石油、化工、交通、電力等行業(yè)中。研發(fā)人員基于各行業(yè)的生產(chǎn)特點，對其功能不斷豐富和完善。油氣田生產(chǎn)企業(yè)為保證油氣井的安全生產(chǎn)，需要定時、定點完成巡回檢查工作，對生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，以及時發(fā)現(xiàn)、排除安全問題。智能巡檢系統(tǒng)能避免人工巡檢的缺點與不足，具有良好的應(yīng)用前景。

1 油氣田智能巡檢系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成

油氣田智能巡檢系統(tǒng)匯集信息化、電子、機械、通信等多個學(xué)科的最新研究成果，主要包括圖像與視頻流識別技術(shù)、紅外成像技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)、通信技術(shù)與人工智能（Artificial Intelligence，AI）深度學(xué)習(xí)技術(shù)等。

圖像與視頻流識別技術(shù)主要是在巡檢機器人完成現(xiàn)場圖片和視頻拍攝后，巡檢系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行還原和識別，進(jìn)行降噪處理后提取出特征量，從而完成巡檢判斷。利用這項技術(shù)，智能巡檢系統(tǒng)能夠通過巡檢機器人回傳的信息，利用數(shù)據(jù)和圖像對“跑、漏、滴、冒”等問題進(jìn)行識別，對放電現(xiàn)象等進(jìn)行檢測，然后完成后續(xù)作業(yè)［1］。

紅外成像技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，在油氣田智能巡檢系統(tǒng)中主要用于設(shè)備溫度的檢測，通過在巡檢機器人上安裝紅外成像元件，利用制冷或非制冷焦平面熱成像技術(shù)，對設(shè)備表面溫度進(jìn)行測量。

定位導(dǎo)航技術(shù)就是通過搭載定位與識別設(shè)備，保證其按照既定軌道完成巡檢工作。目前，在固定軌道巡檢中最常采用的巡檢技術(shù)是激光無軌導(dǎo)航技術(shù)，定位多采用激光反射技術(shù)，也有搭載北斗/全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、視覺定位器的［2］。

通信技術(shù)目前多已升級為無線通信技術(shù)，尤其在2020 年前后，我國5G 技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)管理中的廣泛普及，為巡檢設(shè)備的實時通信提供了重要的技術(shù)支持。目前，常用的通信技術(shù)包括可見光無線通信（Light Fidelity，Li-Fi）技術(shù)、Mesh 技術(shù)、無線保真（Wireless Fidelity，Wi-Fi）技術(shù)等［3］。

AI 深度學(xué)習(xí)技術(shù)是當(dāng)前智能巡檢系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計的核心，也是智能化發(fā)展的重要課題。智能系統(tǒng)是否“智能”，主要體現(xiàn)在能否實現(xiàn)系統(tǒng)的“自主學(xué)習(xí)”。AI深度學(xué)習(xí)技術(shù)主要包括機器學(xué)習(xí)技術(shù)和機器視覺技術(shù)。其中，機器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成算法種類繁多，如人工網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法等，不同算法側(cè)重的功能性不同，優(yōu)勢和特點也有差異。機器視覺技術(shù)主要是對紅外成像、圖像與視頻流識別、巡檢路徑規(guī)劃、氣體感知及語音識別等功能的建模整合，通過對各類外部信息的統(tǒng)合分析，提高智能巡檢系統(tǒng)對外部環(huán)境識別的準(zhǔn)確性。

2 油氣田智能巡檢系統(tǒng)的主要功能

目前，油氣田企業(yè)廣泛采用的智能巡檢系統(tǒng)分為巡檢機器人和巡檢系統(tǒng)軟件兩個主要部分。巡檢機器人配備自動巡航、無線通信、自動充電、視頻監(jiān)控等功能；巡檢系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)對巡檢機器人的遠(yuǎn)程控制，同時具備實時監(jiān)控與展示、巡檢數(shù)據(jù)的實時處理、方案配置等功能。油氣田智能巡檢系統(tǒng)開展工作主要依賴巡檢機器人收集到的信息，基于巡檢機器人的硬件、各模塊相互協(xié)調(diào)配合，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、識別和處理。在不同場景下，智能巡檢系統(tǒng)的功能定位也有所差異，智能巡檢系統(tǒng)需要對應(yīng)用場景的實際情況進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)備布置、空間結(jié)構(gòu)、目標(biāo)需求、監(jiān)控強度等對巡檢機器人的功能作出一定的調(diào)整［4］。

一般情況下，在油氣田智能巡檢系統(tǒng)中，巡檢機器人配備的主要功能包括儀表數(shù)據(jù)讀取、設(shè)備指示燈識別、閥門狀態(tài)檢測、機泵震動檢測、有毒物質(zhì)及易燃易爆氣體檢測、設(shè)備溫度檢測、聲波分析、管路與部件安裝規(guī)范識別、聲光報警以及自主避障等。這些功能的實現(xiàn)都依賴上述各項技術(shù)的支持［5］。巡檢機器人利用搭載的傳感器對巡檢軌道進(jìn)行識別和定位，借助避障算法繞開障礙，按照規(guī)劃路徑完成巡檢，并借助邊緣檢測算法對指定位置、儀器、設(shè)備等進(jìn)行識別和記錄，并根據(jù)設(shè)定的預(yù)警值自行判斷，根據(jù)機器設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況決定是否采取應(yīng)急方案和預(yù)警操作。在進(jìn)行功能設(shè)計時，整個系統(tǒng)主要分為視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、綜合統(tǒng)計、報警管理、智能分析及系統(tǒng)管理等模塊，具體如圖1 所示。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)功能設(shè)計模型

第一，視頻監(jiān)控。目前，常見的視頻監(jiān)控可分為可見光及紅外成像兩種。智能巡檢機器人搭載的攝像儀對各種管道、設(shè)備等目標(biāo)進(jìn)行拍照錄像，支持實時遠(yuǎn)程傳輸及存儲。

第二，遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)通過智能巡檢機器人進(jìn)行云臺控制，進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話及遠(yuǎn)程操作。

第三，綜合統(tǒng)計。系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程機器人對設(shè)備、管道等進(jìn)行巡檢得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，自動生成巡檢報告。

第四，報警管理。巡檢機器人在巡檢過程中，通過相關(guān)傳感器發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，如高溫、停機、儀表數(shù)據(jù)超標(biāo)等，根據(jù)之前設(shè)定的報警級別發(fā)出不同的警報。后臺值班人員針對不同級別的報警情況啟動不同級別的預(yù)案進(jìn)行緊急處置。

第五，智能分析。巡檢機器人根據(jù)巡檢過程中各種儀表數(shù)據(jù)及設(shè)備作業(yè)情況的總結(jié)，根據(jù)設(shè)定樣本及模型，分析儀表數(shù)據(jù)趨勢，進(jìn)行智能評價，輔助值班人員進(jìn)行后續(xù)處置。

第六，系統(tǒng)管理。智能巡檢系統(tǒng)要能夠設(shè)置使用權(quán)限，系統(tǒng)后臺能夠自動進(jìn)行日志保存、分類等。

智能巡檢系統(tǒng)的軟件部分主要進(jìn)行分層模塊化設(shè)計，包括巡檢軟件WIS 和巡檢硬件WIM 兩個主要部分，系統(tǒng)構(gòu)架如圖2 所示。該系統(tǒng)通過通信模塊將系統(tǒng)處理與前端數(shù)據(jù)信息進(jìn)行聯(lián)結(jié)，確保通信的可靠性，實現(xiàn)對巡檢作業(yè)現(xiàn)場的有效監(jiān)督。

圖2 智能巡檢軟件部分整體框架

3 油氣田智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用場景

油氣田智能巡檢系統(tǒng)一般采用模塊化和定制化相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計，在系統(tǒng)模塊的基礎(chǔ)上再搭載定制化的功能模塊，以滿足不同應(yīng)用場景的特殊需要［6］。目前，油氣田智能巡檢系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景包括以下兩個方面。

一是油田聯(lián)合站。巡檢機器人負(fù)責(zé)二級防爆區(qū)域的巡檢，其主要功能除自主巡航、自動充電外，還包括儀表識別、音頻分析、紅外檢測、有毒有害物質(zhì)檢測等，主要實現(xiàn)對油田聯(lián)合站內(nèi)的日常巡檢，降低和減少人工巡檢的工作強度與次數(shù)。與傳統(tǒng)人力巡檢相比，巡檢機器人可以對較危險地區(qū)進(jìn)行有效巡檢，減少巡檢盲區(qū)，提高巡檢準(zhǔn)確性。

二是煉化廠。巡檢機器人依托廠內(nèi)通信線路實現(xiàn)巡檢信息上傳，其關(guān)鍵在于信息傳遞與訪問的安全性管理。煉化廠內(nèi)部作業(yè)環(huán)境相對惡劣，智能巡檢系統(tǒng)借助信息傳遞與自動巡檢功能，能夠極大地降低巡檢成本。

4 油氣田智能巡檢系統(tǒng)實際使用中的優(yōu)化建議

4.1 定制化改造智能巡檢系統(tǒng)

油井、站庫等場地常常位于地形復(fù)雜的區(qū)域，尤其是我國西北地區(qū)的油氣田。受到地形的影響，智能巡檢系統(tǒng)受到的不確定影響因素變多，在復(fù)雜天氣等情況下，可能存在設(shè)備損失、作業(yè)效果不佳等問題。此種條件下，油氣田企業(yè)需要根據(jù)巡檢作業(yè)面對的現(xiàn)實條件對智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行定制化改造，使其有效應(yīng)對可能產(chǎn)生的突發(fā)問題。

4.2 優(yōu)化巡檢流程及方式，確保設(shè)備冗余

油田生產(chǎn)現(xiàn)場的許多設(shè)備均存于密封的場地內(nèi)，智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行巡檢時存在一定的困難［7］，因此在進(jìn)行巡檢規(guī)劃時應(yīng)做好頂層設(shè)計，優(yōu)化巡檢流程及方式。同時，部分儀表設(shè)備安裝位置、方式不同，且會根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場的特點進(jìn)行一定的改變，這就要求巡檢系統(tǒng)在巡檢時其相關(guān)設(shè)備具有一定冗余。

4.3 應(yīng)用機器視覺輔助巡檢系統(tǒng)

目前，人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)攝像、讀數(shù)及遠(yuǎn)程傳輸?shù)妊矙z方式明顯落后［8］。利用機器視覺可實現(xiàn)巡檢工作更加智能化，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對巡檢結(jié)果進(jìn)行評價，以及分析變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，可大幅度提高巡檢效果。

綜上所述，智能巡檢系統(tǒng)在設(shè)計之初，需進(jìn)行充分的頂層設(shè)計，充分考慮作業(yè)現(xiàn)實條件，包括地形、路線、常見的天氣以及設(shè)備安裝等，還應(yīng)利用目前快速發(fā)展的人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，助力巡檢工作智能化開展。

5 結(jié)語

油氣田智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效加快對現(xiàn)場突發(fā)情況的響應(yīng)速度，降低人工勞動強度和危險系數(shù)，減少人工巡檢成本，是對傳統(tǒng)巡檢方式的智能化升級和有效補充。智能巡檢系統(tǒng)憑借其顯著優(yōu)勢，一經(jīng)出現(xiàn)就得到多個領(lǐng)域的關(guān)注，尤其在油氣田生產(chǎn)企業(yè)中，更是得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和各類新型材料的不斷開發(fā)，智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用場景得到進(jìn)一步拓展，在油氣田巡檢中的應(yīng)用也更加廣泛。但從目前技術(shù)的適配情況來看，機器視覺、自動報警等新興技術(shù)的研發(fā)仍有很長的路要走，新技術(shù)的應(yīng)用也需要更多的實驗數(shù)據(jù)作支撐，還需要進(jìn)行實踐。在國家和社會的關(guān)注與支持下，在油氣田生產(chǎn)企業(yè)、其他相關(guān)企業(yè)的共同努力下，智能巡檢系統(tǒng)將會更加完善，我國油氣田巡檢工作的智能化水平也會逐步得到提高。