基于5G技術(shù)的自動(dòng)駕駛技術(shù)在凈化廠無(wú)人巡檢模式中的應(yīng)用探索

牛旻 王滔 何楊 黃騫 楊海波

【關(guān)鍵詞】天然氣凈化;無(wú)人巡檢;自動(dòng)駕駛;5G

天然氣凈化是天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，屬于能源行業(yè)和流程行業(yè)。對(duì)天然氣凈化廠日常管理工作而言，安全生產(chǎn)是最重要的事情，巡檢工作是非常必要且不可少的一項(xiàng)基本工作，是保證天然氣廠區(qū)的凈化裝置、管線安全平穩(wěn)運(yùn)行和周邊人員工作安全的前沿防線。它能及時(shí)發(fā)現(xiàn)天然氣凈化裝置存在的隱患或異常，并聯(lián)動(dòng)相關(guān)人員進(jìn)行快速處置，可以使突發(fā)事故事件的可能性降到最低。同時(shí)還能減少事故發(fā)生后的搶修工作量，有利于降低整體搶維修成本，保證凈化裝置處于良好運(yùn)行狀態(tài)，在提高天然氣凈化設(shè)備可用率的同時(shí)，避免由于發(fā)現(xiàn)不及時(shí)導(dǎo)致的凈化裝置停車等生產(chǎn)安全事故所帶來(lái)的負(fù)面影響。所以，急需一種基于無(wú)線通信技術(shù)的無(wú)人自動(dòng)巡檢技術(shù)應(yīng)用于天然氣凈化生產(chǎn)的安全管理業(yè)務(wù)。隨著公司“十四五”產(chǎn)能的持續(xù)穩(wěn)步提升，天然氣凈化分廠數(shù)量將有所增加。處理量也會(huì)不斷加大，尤其是高含硫天然氣的處理量在逐步增加;在未來(lái)減員增效的整體形勢(shì)下，依靠傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理模式已經(jīng)難以支撐分公司及總廠的生產(chǎn)目標(biāo)和戰(zhàn)略發(fā)展，急需借助先進(jìn)的數(shù)字化、智能化技術(shù)，大力推進(jìn)基于5G通信技術(shù)的無(wú)人值守和無(wú)人巡檢模式，保證安全生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)、高效生產(chǎn)。

（一）現(xiàn)有巡檢方式

天然氣凈化廠工藝區(qū)主要包括過(guò)濾分離裝置、脫硫裝置、脫水裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置、硫磺成型裝置、火炬及放空系統(tǒng)、污水處理裝置、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、空氣氮?dú)庀到y(tǒng)、消防水系統(tǒng)等功能裝置。在天然氣凈化廠，巡檢是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按照規(guī)定頻次對(duì)廠區(qū)內(nèi)的工藝裝置、工藝參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查并比對(duì)核實(shí)，對(duì)各類機(jī)械設(shè)備（靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備、壓力管道等）、電氣設(shè)備（電機(jī)、配電設(shè)備、供電線路等）、自動(dòng)控制儀表以及基建設(shè)施的工作情況和完好性進(jìn)行目視查看或借助設(shè)備、儀器、工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單診斷，以確認(rèn)其可靠性和完好性。

目前，天然氣凈化廠巡檢模式仍采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，巡檢頻率為每?jī)尚r(shí)巡檢一次，通過(guò)手動(dòng)掛牌設(shè)置標(biāo)記方式來(lái)體現(xiàn)巡檢工作的完成情況，從而督促員工及時(shí)巡檢，確保巡檢質(zhì)量，同時(shí)也便于對(duì)巡檢工作的監(jiān)督檢查。以川中某大型凈化廠為例，裝置區(qū)內(nèi)設(shè)有若干巡檢點(diǎn)，在每個(gè)巡檢點(diǎn)都設(shè)置有巡檢點(diǎn)位;巡檢人員按照規(guī)定時(shí)間和規(guī)定線路依次到達(dá)指定巡檢點(diǎn)位對(duì)設(shè)備設(shè)施和管線進(jìn)行人工檢查;當(dāng)巡檢人員按時(shí)到達(dá)巡檢點(diǎn)位時(shí)，按規(guī)范要求檢查巡檢項(xiàng)，并打卡完成巡檢任務(wù)。巡檢人員基本依靠電瓶車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢，該廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有值班電瓶車21臺(tái)，按照巡檢要求，7個(gè)巡檢組每?jī)尚r(shí)巡檢一次，年出車量近4萬(wàn)趟次。

（二）現(xiàn)有巡檢模式的弊端

雖然現(xiàn)有人工巡檢模式在保障天然氣凈化廠生產(chǎn)和安全方面發(fā)揮了重要作用，但這種工作方式仍存在多項(xiàng)弊端：

1.員工巡檢內(nèi)容多，工作量大，長(zhǎng)時(shí)間且周期性的重復(fù)性工作易使員工的工作效率和工作質(zhì)量降低。

2.由于天然氣凈化廠具有有毒有害、高溫高壓、易燃易爆等特點(diǎn)，生產(chǎn)操作環(huán)境危險(xiǎn)，工作人員的生命安全存在較大隱患，現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)，工作人員不能夠長(zhǎng)期高頻率地暴露在危險(xiǎn)環(huán)境中。

3.現(xiàn)有人工巡檢的工作質(zhì)量受外部原因影響較大，包括天氣和環(huán)境因素等，尤其是夜間和雷雨天氣;受人為因素影響也比較大，巡檢質(zhì)量與巡檢人員的業(yè)務(wù)水平、工作經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、責(zé)任心和精神狀態(tài)有密切關(guān)系，不能完全保障巡檢質(zhì)量和巡檢效率。

4.巡檢內(nèi)容多、巡檢頻次高，每組兩人，每次一組，電瓶車使用頻率高，且占用人力資源也較高，整體工作效率低。

（三）需求分析

1.無(wú)人巡檢：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡檢進(jìn)行無(wú)人化建設(shè)，全面使用機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等巡檢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢方式，最大限度避免人員出現(xiàn)在高危險(xiǎn)區(qū)域，特別是高含硫的分廠。通過(guò)增設(shè)智能儀表和視頻監(jiān)控手段，通過(guò)遠(yuǎn)傳智能儀表數(shù)據(jù)分析和視頻監(jiān)控畫(huà)面識(shí)別分析實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢。

2.無(wú)人值守：利用5G技術(shù)、智能傳感器、視頻監(jiān)控、智能圖像識(shí)別、智能報(bào)警等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，從而取代現(xiàn)場(chǎng)人員實(shí)時(shí)值守的工作模式。

3.加強(qiáng)生產(chǎn)管控：加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控，以及集成移動(dòng)監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)控，不僅實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)應(yīng)急指揮而且可以對(duì)移動(dòng)生產(chǎn)施工進(jìn)行安全監(jiān)視。

4.提高能源利用效率：利用智能駕駛和后臺(tái)算法，優(yōu)化電瓶車巡檢路線，減少出動(dòng)次數(shù)，大幅度減少電力能耗，達(dá)到減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

5.生產(chǎn)過(guò)程異常預(yù)測(cè)預(yù)警：實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)全過(guò)程，特別是臨時(shí)移動(dòng)性的作業(yè)，自動(dòng)辨識(shí)生產(chǎn)狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)、分析和判斷影響生產(chǎn)狀態(tài)的因素，在異常發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警，最大限度降低事故發(fā)生概率及后果嚴(yán)重程度。

近年來(lái)，自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展非常迅速，不僅將智能交通變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也將自動(dòng)駕駛變成了可能。同時(shí)，自動(dòng)駕駛也是當(dāng)前全球汽車與交通出行領(lǐng)域智能化和網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的主要方向，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將在未來(lái)的交通中具有重要的價(jià)值。對(duì)于工業(yè)企業(yè)特別是封閉式的廠區(qū)。自動(dòng)駕駛優(yōu)勢(shì)，一是提升行駛安全，降低事故率。絕大多數(shù)交通事故是人為因素造成的，特別是對(duì)于24小時(shí)運(yùn)行的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。自動(dòng)駕駛車輛依托雷達(dá)傳感器和攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的接管控制，能夠避免人為因素而導(dǎo)致的操作失誤。二是降本增效。自動(dòng)駕駛車輛將減少?gòu)S區(qū)駕駛員數(shù)量，不需要花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行駕駛員培訓(xùn)、巡檢和相關(guān)安全管理工作。同時(shí)自動(dòng)駕駛車輛會(huì)不斷地監(jiān)控道路狀況，和其他作業(yè)活動(dòng)互聯(lián)互通，對(duì)道路情況提前預(yù)判，減少剎車、暴力駕駛、不當(dāng)駕駛的次數(shù)，降低車輛維修頻次和成本。三是全天候自助派車和駕駛，降低車輛調(diào)度工作強(qiáng)度。

5G通信技術(shù)作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)具有高帶寬、低延時(shí)的特點(diǎn)，滿足自動(dòng)駕駛等垂直領(lǐng)域的發(fā)展要求。自動(dòng)駕駛技術(shù)是未來(lái)汽車發(fā)展的主要方向之一，自動(dòng)駕駛將依靠5G技術(shù)為載體，而5G技術(shù)的成熟也大大提升了自動(dòng)駕駛技術(shù)的駕駛體驗(yàn)和安全性，兩者在未來(lái)一定是相輔相成的，未來(lái)發(fā)展前景也必將更加可觀。

（一）巡檢智能車輛

針對(duì)凈化廠的電瓶巡檢車輛，對(duì)車輛進(jìn)行改動(dòng)，加裝針對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的巡檢功能模塊，通過(guò)智能車輛的先天優(yōu)勢(shì)。為廠區(qū)內(nèi)巡檢工作提供新的終端，實(shí)現(xiàn)具有限制條件的無(wú)人駕駛（層次3）與全工況無(wú)人駕駛（層次4）的功能，降低人工成本，完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。智能車輛技術(shù)架構(gòu)分成以下子系統(tǒng)：環(huán)境感知部分包括車輛狀態(tài)感知（GPS、陀螺儀/電子羅盤、其他車載傳感器），外部目標(biāo)感知（攝像頭、LiDAR、Radar），車道感知（攝像頭），交通標(biāo)志感知（攝像頭），駕駛員狀態(tài)感知，來(lái)自通信系統(tǒng)的外部目標(biāo)感知及交通標(biāo)志感知（DSRC）。模型預(yù)測(cè)部分，外部目標(biāo)的多傳感器觀測(cè)的融合與跟蹤，獲得外部目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（位置、速度、加速度）。態(tài)勢(shì)評(píng)估部分，根據(jù)外部目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)其威脅?？刂茮Q策部分，車輛行為決策與局部路徑規(guī)劃形成車輛駕駛決策?？刂茍?zhí)行部分，具體車輛的縱橫向控制命令序列。業(yè)務(wù)功能模塊部分，毫米波雷達(dá)和攝像頭提高目標(biāo)或障礙物的感知精度，硫化氫的空氣含量的氣體檢測(cè)儀，檢測(cè)車輛所在區(qū)域聲音分貝的噪音檢測(cè)儀。

終端車輛采用分布式結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中的處理器為域控制器，通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接。域控制器處理來(lái)自激光雷達(dá)、GNSS+INS、超聲波傳感器的信息，以應(yīng)對(duì)車輛自身狀態(tài)、外部環(huán)境的監(jiān)控;域控制器再通過(guò)CAN總線將命令下發(fā)給執(zhí)行器，執(zhí)行器來(lái)負(fù)責(zé)對(duì)車輛的控制，以實(shí)現(xiàn)障礙物避障、AEB等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能分配如圖：

在車輛前方布置超聲波傳感器。車輛上方設(shè)置激光雷達(dá)、組合導(dǎo)航、GPS天線，車輛后方布置倒車超聲波傳感器，以檢測(cè)車輛前后的環(huán)境，車內(nèi)安裝域控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及下發(fā)控制指令，以后根據(jù)需求可考慮加裝毫米波雷達(dá)或者光學(xué)傳感器，車輛硬件部署如圖：

（二）智能巡檢

針對(duì)凈化廠的巡檢任務(wù)，基于搭載視頻監(jiān)控，氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)等智能設(shè)備的巡檢車輛，利用邊緣智能計(jì)算系統(tǒng)，對(duì)巡檢目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行視頻智能分析識(shí)別，實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別、設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)檢查、管線跑冒滴漏自動(dòng)檢查、周邊環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)檢查等，將檢測(cè)識(shí)別結(jié)果上傳至巡檢系統(tǒng)，代替人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢。

通過(guò)車載的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)廠區(qū)內(nèi)環(huán)境，推送定位、發(fā)生泄漏的介質(zhì)、泄漏地點(diǎn)和泄漏大小等信息。當(dāng)應(yīng)急發(fā)生時(shí)，無(wú)人巡檢車輛駐點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主動(dòng)推送現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和視頻圖像等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮“連得通、看得見(jiàn)、叫得應(yīng)”。

對(duì)于人員移動(dòng)作業(yè)，搭載視頻監(jiān)控的無(wú)人巡檢車輛可以跟隨施工人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管，避免事故的發(fā)生，同時(shí)增強(qiáng)移動(dòng)信號(hào)，對(duì)人員進(jìn)行室外實(shí)時(shí)定位，保障人員的安全。

（三）無(wú)人巡檢管理平臺(tái)

無(wú)人巡檢管理運(yùn)維的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)巡檢車輛管理與巡檢任務(wù)系統(tǒng)的集成。通過(guò)算法優(yōu)化巡檢車輛的出動(dòng)線路規(guī)劃，以及完成報(bào)表的自動(dòng)生成，并實(shí)現(xiàn)車載搭載的各類智能設(shè)備的數(shù)據(jù)回傳并關(guān)聯(lián)到工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、儀表設(shè)備管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有問(wèn)題、隱患、事故事件的可追溯閉環(huán)，成為智能終端和后端各類系統(tǒng)的橋梁，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和生產(chǎn)輔助管理功能。

針對(duì)天然氣凈化廠生產(chǎn)實(shí)際需求和巡檢人員、巡檢車輛的管理需求，開(kāi)展的基于5G技術(shù)的天然氣凈化廠智能巡檢技術(shù)應(yīng)用研究和試點(diǎn)應(yīng)用取得了良好效果，主要體現(xiàn)在表1幾方面。

基于5G技術(shù)的自動(dòng)駕駛技術(shù)，搭載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，增加環(huán)境監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)模塊，搭建無(wú)人巡檢管理平臺(tái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)手機(jī)數(shù)據(jù)等方式，實(shí)現(xiàn)天然氣凈化廠無(wú)人巡檢模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工巡檢內(nèi)容和巡檢范圍的全覆蓋。無(wú)人巡檢模式的實(shí)用化可以有效降低操作人員高頻率地暴露在危險(xiǎn)工作環(huán)境中的安全風(fēng)險(xiǎn);提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少重復(fù)性工作的頻次，節(jié)約企業(yè)人力資源，優(yōu)化人工記錄表格，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化無(wú)紙化，推進(jìn)智能天然氣凈化廠建設(shè)。