智能監(jiān)測及雷達(dá)測距系統(tǒng)在海上吊裝中的應(yīng)用

鄒 菁，胡 盼，莫醒寶

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

海上吊裝是一項高風(fēng)險作業(yè)，同時也是每天都必須進(jìn)行的作業(yè)，無論是拖輪物資補(bǔ)給、人員轉(zhuǎn)運(yùn)，還是裝置物件轉(zhuǎn)位，吊裝作業(yè)已經(jīng)成為海上裝置日常生活不可或缺的部分。但由于海上裝置空間有限，甲板層上下間預(yù)留吊裝可視空間較少，在起吊甲板貨場貨物時，由于吊車司機(jī)的視線被甲板及設(shè)備遮擋，無法觀察到貨物起吊及放落的情況，存在較多吊裝盲區(qū)，而盲區(qū)吊裝給吊裝帶來了巨大風(fēng)險；只能由司索通過對講機(jī)，指揮吊車司機(jī)操作，存在一定的安全風(fēng)險隱患，如果司索與吊車司機(jī)配合不當(dāng)，容易造成人員碰傷夾傷、貨物碰撞損壞。雖然吊裝司機(jī)與司索指揮的配合溝通能解決部分盲區(qū)問題，但仍存在人員視線無法有效判斷的地方，如高空障礙物跨越、海面重物起吊移位等情況。因為吊裝視線問題造成的事故時有發(fā)生，單憑經(jīng)驗感覺來判斷給吊裝作業(yè)帶來極大風(fēng)險。為保障海上吊裝安全，保護(hù)員工的生命及設(shè)備財產(chǎn)安全，解決海上生產(chǎn)現(xiàn)場吊裝視線問題是一個很重要的課題。

1 吊機(jī)作業(yè)動態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)是基于吊機(jī)安全作業(yè)需求，根據(jù)實際工況，通過在吊機(jī)吊臂最前端安裝可自動變焦的攝像頭，實時將高清圖像傳回吊機(jī)駕駛室，讓司機(jī)通過第一視角，查看吊裝盲區(qū)具體情況，以便于及時判斷做出操作和規(guī)避動作，在配合現(xiàn)場司索指揮下，安全完成盲區(qū)吊裝作業(yè)，解決遠(yuǎn)距離視覺模糊，語音引導(dǎo)易出差錯等行業(yè)難題。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效避免事故的發(fā)生，是新形勢下提高現(xiàn)場施工效率、減少安全事故率、減少人力成本、推廣數(shù)字化等不可缺少的行業(yè)利器。

工作原理：利用高清攝像機(jī)的自動變焦、變倍、轉(zhuǎn)動功能，實時捕捉吊鉤下方區(qū)域畫面，并將影像傳回駕駛室。

吊機(jī)吊臂前端部安裝了數(shù)字式電子記錄裝置，就像汽車“雷達(dá)”一樣，可實時采集吊鉤工作狀況，及時將影像傳輸至吊機(jī)駕駛室，解決吊機(jī)吊距超高、視線存在盲區(qū)的問題，使司機(jī)在駕駛室里就可以清晰地看到吊鉤實時狀態(tài)，從而了解吊裝現(xiàn)場材料是否綁好、周圍是否有人、吊裝是否有障礙物，然后再進(jìn)行起吊，從而有效確保了吊裝作業(yè)的安全。

1.2 系統(tǒng)施工及功能

在吊機(jī)吊臂最前端安裝高清球機(jī)，通過變幅傳感器和高度傳感器與駕駛室內(nèi)的主控制器連接，采集幅度傳感器與高度傳感器的實際采樣值，實現(xiàn)對吊鉤位置的智能追蹤、智能控制高清攝像頭自動對焦、360°無死角追蹤拍攝、危險狀況隨時可見，降低了因為司機(jī)看不見吊物而產(chǎn)生的安全隱患。

系統(tǒng)采用高清球形紅外攝像機(jī)36 倍高速自動變焦，夜視紅外距離高達(dá)120～260 m，能實時接收主控制器各項指令、秒速智能追蹤聚焦、有效解決“等下效應(yīng)”造成的視頻模糊不清，保障安全24 h 可視。系統(tǒng)預(yù)留多種接口，可以隨需求而定。

因為采用球狀監(jiān)控儀安裝在吊臂最前端，自動聚焦追蹤吊鉤并發(fā)送視頻至操作屏幕上，吊機(jī)司機(jī)無死角監(jiān)控吊運(yùn)范圍，減少盲吊所引發(fā)事故，對地面司索的對講機(jī)語音指揮進(jìn)行有效補(bǔ)充。可以讓吊機(jī)司機(jī)視線無死角作業(yè)，即使在夜晚，仍然可以看到吊鉤下面作業(yè)場景，視線無阻，有效避免危險事故的發(fā)生。

1.3 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由一部高清球形攝像機(jī)、液晶顯示器、供電系統(tǒng)、硬盤錄像機(jī)、攝像機(jī)控制器、有線網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)橋等部分組成。高清球形攝像機(jī)完成吊機(jī)吊鉤圖像信息的捕捉，視頻信息直接顯示在液晶顯示器，吊機(jī)司機(jī)能查看吊鉤及所吊物品的狀態(tài)。此外，還可根據(jù)設(shè)備選配清況，視頻信號通過有線或無線的方式傳送到本地中控室供平臺，值班人員監(jiān)視吊機(jī)吊物的實際工作狀態(tài)和網(wǎng)上異地調(diào)取吊機(jī)吊鉤工作過程的錄像，用于回放查詢。

2 雷達(dá)測距預(yù)警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)介紹

雷達(dá)測距系統(tǒng)是目前較為成熟的電磁波測距設(shè)備，尤其是在智能駕駛領(lǐng)域，它能快速將周圍目標(biāo)檢測到，反饋回來目標(biāo)的距離、大小等信息，測距雷達(dá)按照工作檢測方式分為脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)。測距雷達(dá)主要是毫米波脈沖雷達(dá)，頻段在77 GHz。雷達(dá)發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點的距離、方位、高度等信息。

工作原理：測距雷達(dá)作為一種脈沖雷達(dá)，它發(fā)射的是矩形脈沖波形，通過固定或者交錯的反復(fù)周期工作。毫米波具有較強(qiáng)的穿透能力，導(dǎo)引頭穿透煙霧、灰塵能力強(qiáng)，可以全天候有效工作，在惡劣的天氣環(huán)境下工作也不受影響。毫米波雷達(dá)的測距原理，是將無線電波發(fā)出去，然后接收回波，通過計算收發(fā)之間的時間差從而得出目標(biāo)的位置信息。得出目標(biāo)距離數(shù)據(jù)，測距系統(tǒng)就能將相關(guān)信息呈現(xiàn)在畫面上，同時根據(jù)數(shù)據(jù)提供各種提示和建議，方便操作人員進(jìn)行作業(yè)；而雷達(dá)測距預(yù)警系統(tǒng)就是利用雷達(dá)的測距原理制作而成，通過程序設(shè)定一個最小距離，當(dāng)?shù)鯔C(jī)吊臂與障礙物之間的距離小于最小距離時，系統(tǒng)就會發(fā)出聲音報警，提醒吊機(jī)司機(jī)注意。

2.2 系統(tǒng)組成

探測雷達(dá)系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)技術(shù)，不受天氣環(huán)境影響，可實時顯示探測目標(biāo)的距離。它是一款用于重型機(jī)械的中短距離探測雷達(dá)系統(tǒng)。可為操作人員提供視覺和聽覺警報。該雷達(dá)系統(tǒng)包含一個1080P 攝像頭和一個顯示器，支持1080P 輸入和輸出，毫米波雷達(dá)技術(shù)，可限定探測距0.1～20 m，最大可以擴(kuò)展到40 m，CVBS 和AHD 高清視頻融合、圖層疊加報警，電腦USB轉(zhuǎn)UART 有線連接控制盒，配置探測距離和報警方式，Wi-Fi 無線連接，通過電腦或者手機(jī)配置探測距離和報警方式，探測雷達(dá)系統(tǒng)連接如圖1 所示。

圖1 探測雷達(dá)系統(tǒng)系統(tǒng)

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

毫米波雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)、精度高，最大探測范圍20 m，不受天氣環(huán)境影響，可全天候工作，廣泛應(yīng)用于吊機(jī)、建筑機(jī)械等重型機(jī)械及車輛，雷達(dá)探測原理如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)探測原理

3 吊機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實（ARS）遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)及3D 建模數(shù)字孿生技術(shù)

3.1 系統(tǒng)介紹

ARS 遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)是為企業(yè)用戶打造的遠(yuǎn)程協(xié)作平臺，可通過固定或者移動攝像頭采集聲音視頻，并傳輸?shù)胶笈_協(xié)助端進(jìn)行技術(shù)支持。借助AR 遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)，可由經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員，協(xié)助現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)行無障礙的遠(yuǎn)程指導(dǎo)服務(wù)，可以節(jié)省時間，大幅度提升工作效率，確保現(xiàn)場作業(yè)安全。ARS 遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)適合企業(yè)大型的呼叫中心用來提供遠(yuǎn)程客戶支持服務(wù)。遠(yuǎn)程服務(wù)有著更強(qiáng)大的處理效率和服務(wù)效果。通過ARS 遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)，客戶通過遠(yuǎn)程即可享受到快速、穩(wěn)定、安全的專業(yè)級服務(wù)。

油氣工業(yè)的數(shù)字孿生進(jìn)程逐步深入，其核心是模型化過程和方法。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。

3.2 系統(tǒng)功能

該吊機(jī)作業(yè)動態(tài)3D 建模數(shù)字孿生技術(shù)依據(jù)海上石油平臺建設(shè)數(shù)字智慧油田需求，根據(jù)現(xiàn)場油田上配的具體吊機(jī)設(shè)施進(jìn)行調(diào)研獲取相關(guān)參數(shù)，在后臺軟件里做出具體的對應(yīng)的配置，進(jìn)行1∶1 還原展示吊機(jī)作業(yè)動態(tài)，3D 建模界面如圖3 所示。

圖3 3D 建模界面

4 結(jié)語

海上平臺通過在在吊機(jī)吊臂前端安裝作業(yè)動態(tài)智能監(jiān)測和雷達(dá)測距預(yù)警系統(tǒng)，將吊機(jī)鉤頭吊貨畫面通過視頻線傳送回駕駛室監(jiān)控顯示屏上，方便吊機(jī)司機(jī)實時觀察吊貨情況，利用重力向下原理，高清球機(jī)選用單向機(jī)構(gòu)設(shè)計和頂部安裝方式，使用減振彈墊減少頻振抖動對攝像機(jī)及畫質(zhì)的影響，采用同軸傳輸保證影像視頻的清晰度與避免網(wǎng)絡(luò)延時的不安全因素。同時，通過探測雷達(dá)系統(tǒng)實時顯示探測障礙物的距離，可為吊車司機(jī)提供視覺和聽覺警報。作業(yè)動態(tài)智能監(jiān)測和雷達(dá)測距預(yù)警系統(tǒng)為海上平臺吊裝作業(yè)提供一種科學(xué)監(jiān)測預(yù)警手段，解決盲區(qū)吊裝難度大、安全風(fēng)險高、人工耗時多等難題，具有廣泛的應(yīng)用價值。