巡檢機器人在天然氣企業生產中的研究與應用

鄧啟志

摘要：天然氣生產場站是氣礦天然氣生產輸送的重要環節，為保障氣礦正常生產運行須進行定時巡檢。氣礦傳統的人工巡檢方式，巡檢質量執行無有效監督、巡檢效率低，存在無法及時發現天然氣氣體泄露、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狀基礎上，結合氣礦場站運行環境要求，對機器人巡檢技術進行充分研究，設計并實現適用于天然氣場站的智能巡檢機器人，實現井站生產安全受控，助力于智能化氣田建設。

關鍵詞：天然氣生產;人工巡檢;機器人;巡檢技術;安全受控

中圖分類號：TE38? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

1? ? 概述

川西北氣礦當前的天然氣產量快速增長，大多場站管理依然采用人工巡檢方式，員工勞動強度大、巡檢相對效率低，部分巡檢人員容易因疲勞、情緒等因素導致巡檢疏漏，容易存在沒有及時發現少量的天然氣泄漏、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。

為促進川西北氣礦氣田管理的自動化和智能化，便于場站的管理和工作效率的提升，引進智能機器人巡檢系統已迫在眉睫，通過在場站和廠區運用巡檢機器人開展工作，可實現對現場狀態智能監控，以及大量數據的智能采集、報警、分析等功能。針對一些高危區域，現場員工很難進行實時監控的場合，采用智能巡檢機器人系統進行不間斷巡檢，并將視頻、紅外測溫等數據上傳后臺，即時發現“跑、冒、滴、漏”等異常，可做到實時報警，供中心站和作業區第一時間掌握信息，實現井站生產安全受控，助力于智能化氣田發展。對巡檢機器人的設計與應用按照“需求分析、功能設計、現場應用、效果分析”四個方面進行分析研究[1]。

2? ? 巡檢機器人應用現狀及研究技術路線

2.1 智能巡檢機器人在國內天然氣行業應用現狀

現有可以實現自主巡檢、智能監視、數據綜合采集分析、現場狀態報警等功能于一體的智能巡檢機器人在交通、城市巡邏、變電站等方面已經得到廣泛應用。尤其在電力行業，利用智能機器人巡檢提前預警變電站內設備熱缺陷等隱患已屬于常態。由于天然氣行業對于防爆等級有一定的要求，通過防爆改造，智能巡檢機器人在各天然氣企業逐步展開應用，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器人取代了傳統的人工巡檢方式，解決了重復工作量大、巡檢效率低的問題，能及時發現少量氣體泄漏、惡劣天氣下巡檢存在的安全隱患。為進一步強化新技術融合，將成熟的、新型的智能化、自動化技術應用到生產管理中，智能巡檢機器人替代人工巡檢，完成巡檢中遇到的繁、難、險和重復性的工作，是場站巡檢技術的發展方向。

2.2 智能巡檢機器人研究技術路線

智能巡檢機器人可采用模塊化設計，小巧機身搭載多種聲光氣體核心探測器，在各種各樣環境下都可對閥門、儀表、液位計等現場設備進行圖像、視音頻的實時分析;可通過紅外熱成像功能來檢測場站的跑、冒、滴、漏異常現象、激光遙測功能檢測泄漏氣體成分和濃度，更可靈活地判斷現場各種異常情況，第一時間自動報警，遠程通知，另外其雙向對講、燈光補償功能則讓機器人巡檢發揮遠程雙點位指揮作用，從而提高夜間作業效率[3]。

智能巡檢機器人導航以激光雷達指示為主，在干擾較多或空曠的場所可以鋪設磁條，利用可見光、車載紅外及聲音傳感器檢測儀表讀數、異常聲音、設備溫度等狀況。機器人將采集到的圖像、數據等現場資料，通過無線傳輸設備實時發送到監控中心，監控中心負責對數據進行統計分析、故障狀態告警，實時生成巡檢狀況報告。巡檢機器人在電量不足時，自動返回充電站完成自動尋樁充電。機器人巡檢時，可選擇工作模式按巡檢地圖進行巡檢，導航系統引導機器人到達預設巡檢點自動停止，控制系統控制云臺使傳感器對準檢測目標設備進行拍照和攝像[4]。

（1）具備自主導航模式，從經濟性角度考慮可應用無軌導航方式。機器人采用4輪或履帶驅動方式，依靠慣導、激光雷達、里程計算進行綜合導航，可實現按照預先設定的路線和停靠位置自主行動和停靠的功能。

（2）為防止機器人碰撞設備、管線、人員，具備實時避障功能。設計安裝多個避障傳感器，檢測到前后方障礙物，停止運行并修正目標，云臺對準目標，報警信息上傳至調控中心。

（3）為保證機器人連續穩定工作，設計自主檢測的功能。運行過程中實時檢測本體運行狀況，具備報警的功能。包括機器人內部溫度過高、電池電壓過低、通信中斷、導航損壞等，報警信息上傳至監控平臺。

（4）設計自主充電功能，自主充電裝置由電源端和受電端組成，根據實時電量檢測，采用非接觸充電，自主完成。

（5）機器人可與后臺的監控平臺通過氣礦自建網絡進行信息交互。平臺實時讀取現場監測到的數據和本體狀態數據。

（6）根據集氣站電氣設備防爆要求，機器人按照Exia T4和IP67進行設計制造。

3? ? 巡檢機器人技術方案

3.1 天然氣場站巡檢機器人需求分析

智能化場站的發展離不開機器人技術的支撐，智能巡檢機器人的應用是場站管理提升的大趨勢。場站工藝流程優化及中心站加無人值守站管理模式實現后，新型生產組織管理模式可持續推進，將機器人巡檢技術與智能化場站建設相結合，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特點及氣候環境等要求，巡檢機器人必需滿足相關指標。場站工藝生產區域為防爆區域，機器人及其搭載設備的防爆性能要求需按照國家防爆標準GB-3836文件要求執行;可以按照設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°、小半徑轉彎、短距離制動能力;電池續航能力≥6 h，自主充電，考慮每天巡檢次數，充滿50%電量時間需維持在5 h以內;可以切換手動及自動操作，實現遠程控制;能準確識別場站內現場儀表顯示值，要求識別率90%以上;機器人巡檢管理系統可以進行數據查詢、自行分析診斷功能[6]。

3.2 工作原理

智能巡檢機器人系統由巡檢機器人載體、電源電池及充電系統、無線傳輸系統、數據采集模塊及其他輔助設施組成。在機器人不容易到達的地方，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定性和巡檢效率。系統方案如圖1所示。

使用無軌導航方式屬于新發展趨勢，可以實現快速部署，方便站間調配，采用四輪或履帶獨立驅動，適應于各種復雜環境。提供高清晰度紅外及可見光視頻圖像，測溫精度1 ℃;采用基于激光雷達和慣導組合的導航方案，定位精度達到4 cm。激光防撞，提供高可靠性安全保障。可原地轉向，為巡檢提供更強的易用性。

3.3 硬件設備

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備是否運轉正常、有無“跑、冒、滴、漏”等問題。對標人工巡檢，機器人設計搭載拾音器、可見光攝像機、紅外攝像機、氣體檢測儀4種探測設備，如圖2所示。

（1）搭載拾音器，讀取巡檢設備聲音，對設備聲音的時域、提取特征進行聲音信號分析，分辨出異常頻譜，并發出報警。

（2）搭載可見光攝像機，采集現場視頻、圖片，通過圖片自動識別閥門開關狀態、壓力表及液位計等儀表數據。

（3）搭載紅外攝像機，利用紅外攝像頭對當前設備進行熱成像處理，檢測設備、管道等關鍵部位溫度異常區。

（4）搭載氣體檢測儀，檢測巡檢區域甲烷、硫化氨等氣體濃度，并將數據實時回傳至監控平臺。

3.4 軟件構成

巡檢機器人與集控中心通過局域網連接，采用TCP/IP協議進行數據交互，傳輸內容包括：

（1）高實時性數據，可分為中低密度數據、流媒體數據。

中低密度數據：包括實時遙控指令、巡檢數據與圖片信息、巡檢機器人實時狀態等;

流媒體數據：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）事務性數據：該部分數據不要求長時間實時傳輸，頻率較低，包括巡檢任務下達，巡檢報表上傳等。

機器人監控中心硬件由服務器、無線網橋、控制器、顯示器等設備組成。服務器用來承載監控系統的所有軟件，并且存儲巡檢機器人生成的歷史數據信息，為遠程監控系統的查詢提供數據來源。無線網橋用于接收和發送巡檢機器人的數據和控制信息。控制器用于遠程操控現場巡檢機器人動作。顯示器可實時顯示監控系統的交互界面，便于人員監視。

大數據庫可實現巡檢任務中采集到的可見光圖像、紅外圖像、聲音表計讀數、設備位置狀態、注油設備油位等信息存儲在巡檢數據庫中，并能夠按照巡檢的時間、設備名稱、設備類型、任務、最高溫度等過濾條件查詢巡檢數據[7]。

3.5 安全分析

為保證巡檢機器人正常運行，同時做好安全分析，按照以下在巡檢機器人部署前，應對場站巡檢目標進行充分分析，同時做好安全分析，按照以下步驟展開。

根據集氣站布局及巡檢要求，確定巡檢目標點。

按照巡檢點布局，規劃機器人巡檢路線，覆蓋所有巡檢點并不斷優化路線距離。

（1）根據巡檢點及巡檢路線設置巡檢機器人導航定位點。

（2）在巡檢路線始末端選取空地安裝機器人充電屋。

（3）開展巡檢機器人現場調試，具備行走、巡檢、報警及信號傳輸等功能。

（4）巡檢機器人與監控平臺綜合調試，巡檢信息實時傳輸至監控平臺，實現遠程控制。

通過現場試驗，開發遠程控制巡檢、自動巡檢、聯動巡檢3種模式，可完全滿足現場應用需求。

4? ? 應用效果

采用機器人開展場站巡檢作業，川西北氣礦一線員工工作效率顯著提高，巡站人員數量明顯下降，節約的人員調整開展其他技術工作，降低了操作成本，提高了巡檢質量。

（1）采用機器人，日常集氣站巡檢由機器人完成，作業區調控中心根據巡檢結果，針對性安排人員上站作業。

（2）巡檢質量提升，機器人巡檢數據自動運算、對標分析，向各級管理人員提供準確的巡檢結果，避免了因人員技能差異、責任心等因素導致巡檢質量不高的現狀。

（3）降低了氣礦天然氣場站的安全管控風險，將人員大量重復的現場作業轉移到室內遠程作業，大大降低了人員因質量標準執行不到位、惡劣天氣條件下作業等因素導致的受傷風險。

5? ? 結論

川西北氣礦應用的巡檢機器人能夠做到精準化、全天化以及高頻化作業，既解放了人力又保障了人員安全，同時又讓場站巡檢工作中需要艱難深入的盲點區域、細節層面得到了高效保障，進一步提升了無人值守場站工作效率和安全防護程度。隨著天然氣開發的持續提升，勘探生產難度將日益增大，人力資源緊缺，川西北氣礦將積極引入更多巡檢機器人，解決現場問題，助力氣田更加安全、高效地進行開發生產。

參考文獻

[1] 肖娟.變電站巡檢機器人的路徑規劃研究[D].濟南：山東建筑大學，2015.

[2] 陳凌峰，初艷華.智能巡檢機器人測溫應用及案例[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].河南科技學院學報（自然科學版），2012，40（1）：65-68.

[4] 周立輝，張永生，孫勇.智能變電站巡檢機器人研制及應用[J].電力系統自動化，2011（19）：90-93，101.

[5] 李昌杰.智能移動機器人控制系統設計研究[D].西安：長安大學，2012.

[6] 申美娟.基于DSP的移動機器人控制系統設計[D].西安：西安理工大學，2010.

[7] 霍永君.自主式機器人智能控制實驗方法研究[D].天津：天津大學，2011.