區域化站場無人化智慧巡檢的探索與創新

魏莉巖，王書，劉猛，楊斌

（1.國家管網北方管道呼和浩特輸油氣分公司，內蒙古 呼和浩特 010000；2.國家管網北方管道錦州輸油氣分公司，遼寧 錦州 121000；3.國家管網北方管道西安輸油氣分公司，陜西 西安 710000）

0 引言

科技引領產業革命，很多能源企業希望借助先進理念促進企業的轉型升級。國家管網旨在打造中國特色、世界一流能源基礎設施運營商，是典型的2.0、3.0系統并存的情況，管網有各類獨立的自控系統，而沒有管控管道運營全生命線的控制系統。工業軟件是企業實現生產關鍵活動數字化的必要條件，也是很多能源企業關心的一個重要問題。結合先進的互聯網技術，打造適合自身特點的智慧管道管理模式，借乘國家管網的成立，在工業革命的浪潮中，在自動化、數字化、智慧化等方面建設領先行業，實現技術崛起。

1 研究背景和目的

互聯網技術的應用，標志著全新的站場巡檢模式由傳統化向智慧化的轉變[1]。將數字物理融合技術體系應用在區域化站場智慧巡檢上，將管體、站場、設備和實體系統內的變化性、相關性和參考性規律更緊密的聯系在一起，為站場區域化管理提供一個建模、預測、優化與管理的新途徑。智能制造及技術的核心就是信息物理系統（Cyber-Physical System，簡稱CPS），利用信息物理系統（CPS）將巡檢中設備運行狀態、隱患、故障等信息數據化、智能化，以3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺的搭建為最終研究成果，對設備的運行狀態、管道的水力和熱力特性、信息預警、遠程診斷和故障檢測等內容進行綜合感知分析、自動預判以及自反饋等管理，最后實現管體、站場、設備和實體系統等數字孿生體的構建。

通過將無人化智慧巡檢與智能技術結合，梳理出區域化站場管理中智慧巡檢的技術思路和研究方法。通過無人化智慧巡檢建設，充分發揮自動化、數字化設備的優勢，實現管網運營管理中透明化管理、智慧化設備的互聯互通、智慧化的決策支持，為后期區域化站場智慧管理實踐提供支持，也作為3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺搭建的一個組成部分進行后續研究，最終全生命線地實現智慧管道的管理與控制。

2 技術思路和研究方法

2.1 AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）智慧巡檢車的應用

當前AGV企業主要以叉車型AGV、貨架型AGV、負載型AGV為主，應用的領域有汽車、倉儲等[2]。為了能夠在區域化站場上實現無人化智能巡檢，利用AGV系統，結合站場安全性考略采用防爆設計，實現對現場的生產運行參數和實時現場畫面進行采集、存儲、分析、傳輸。

在自動移動單元，需要依靠激光導引裝置發射激光束，然后接收由管段上的設備、設施的定位標志反射回來的激光束，計算出當前的位置[3]。按照區域化站場的巡檢路線，執行總管理平臺給定的移動指令，確定運動的方向，到達指定目標地點，實現AGV智慧巡檢車的站場巡檢路線行走。

在通信單元中，AGV智慧巡檢車采用無線的通信方式傳輸當前的運動狀態，包括位姿、速度、電量、警報等信息，同時將場區內需要監測的設備狀態和管線運行參數等重要生產信息和實時畫面進行采集并傳輸至管理總臺。同時，需要實現與管理臺的互聯互通，接收總臺下達的路線信息、啟動、急停等指令，總體工作框圖如圖1所示。AGV智慧巡檢車是實現區域化站場無人化智慧巡檢的基石，也是后續建設3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺的一個重要組成，見圖1。

圖1 AGV智慧巡檢車工作框圖

AGV智慧巡檢車的應用，是對國家管網集團“三灣改編”安全生產建設的積極響應，能從源頭上消除人的不安全行為和物的不安全狀態。

2.2 數字孿生技術的應用

數字孿生技術是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[4]。

在無人化智慧巡檢中，將采集并記錄的設備狀態和管線運行參數等重要生產信息，在3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺中，構建對應的數學模型和數字仿真模型，模仿出管體、站場、設備設施等實體狀態，從而實現對管道的水力、熱力特性的分析和預測[5]。利用數字孿生技術，通過物聯網，將物理世界本身的存在狀態轉變為可以被計算機和網絡所能感知、識別和分析的狀態，實現物理對象和數字對象之間的互動。同時，與采集的生產信息同時傳輸的實時現場畫面，可以與構建的仿真模型進行數據對齊，以數字空間為載體，打造時空一體的數字孿生平臺，以實現數據和視頻畫面的同步和融通聯動，使3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺的信息更強化、豐富。

2.3 區域化站場3D模型

當前的區域化站場是典型的2.0、3.0系統并存的情況，存在各類獨立的自控系統，需要展示和分析的工作內容日漸增多，區域化站場需要處理的數據越來越龐雜，常見圖表需要幾百張的頁數或數百行和列，傳統的二維圖示已經無法更好地直觀的體現。通過3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺，迅速收集吸收無人化智慧巡檢中采集并記錄的生產信息，轉變為可以被自身所能感知、識別和分析的大數據，用便捷易懂的可視化模型表達出來，可以成倍的提高工作效率，極大的提升區域化站場生產力。

在區域化站場3D模型系統中，模仿出管體、站場、設備設施等實體狀態，搭載多種數據分析方式，同時使用區域化站場3D模型和三維可視化，通過完善應用數據和模型功能，實現管道的水力、熱力特性的識別和分析,經過篩選和過濾，查看特定的功能，獲取要處理的生產信息，完成與區域化站場模型的交互。將5G技術應用于管理平臺中，由AGV智慧巡檢車搭載便攜式移動產品，在站場采集到原始視頻源后接入5G超高清視頻直播終端，完成超高清視頻的傳輸。5G超高清視頻回傳可以為區域化站場無人化智慧巡檢提供清晰的畫面和豐富的細節，為安全生產、指令下達提供更多的分析依據。

2.4 結果和效果

區域化站場無人化智慧巡檢是3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺的一個重要組成，應用AGV智慧巡檢車采集、存儲、分析、傳輸生產信息，利用數字孿生技術，構建對應的數學模型和數字仿真模型，模仿出管體、站場、設備設施等實體狀態，從而分析和預測管道的水力、熱力特性等生產指標。同時，將采集到的站場原始視頻經5G網絡傳輸，輸出至管理平臺上，與仿真模型進行數據對齊，實現數據和視頻畫面的同步和融通聯動，從源頭上消除人的不安全行為和物的不安全狀態。

3 結語

利用當前的互聯網和智能技術，對實現區域化站場管理中智慧巡檢的主要實現思路和研究方法進行論述，并提出無人化智慧巡檢的管理模式。通過將先進的互聯網技術理念應用到無人化智慧巡檢中，讓智慧管道的發展進入到實質性環節，同時對無人化智慧巡檢模式進行總結，為后期3D數字孿生智慧區域化站場管理平臺的搭建提供一個支持，也為其他工程師提供一種可以發展管道智慧化管理的方向。