陆岸终端智能巡检机器人的研究与应用_邓增利.pdf

陆岸终端智能巡检机器人的研究与应用邓增利，彭晶，陈建华（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 ；中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口 ）摘要：随着石油化工行业生产技术水平的提高，企业的生产装备已经朝大型化、一体化和智能化的方向转型。但是，仍然有许多石油化工企业还沿用传统的人工巡检方式进行设备的巡检工作，该作业方式已经无法满足人们日益增长的生产智能化提升的需求，并且作业人员在危险区域进行人工巡检的风险性极高，巡查质量也参差不齐。通过研究智能巡检机器人技术及应用，利用智能巡检机器人自身携带的仪表识别、激光导航、可燃气检测、声音分析、热成像等先进技术，完成机器人智能巡检的工作任务，将生产作业人员从繁杂的日常巡检中解脱出来，同时还可以提升巡检质量和效率，降低非必要的人身伤害。关键词：机器人；智能巡检；智能导航；声波检测；图像识别；热成像中图分类号：，（，；，）：，：；收稿日期：作者简介：邓增利（），高级技师，高级工程师，从事工业控制系统网络安全和油气田智能化方面的工作。引言近年来，随着工业自动化技术的高速发展以及物联网技术、数字化技术的融合应用，信息化管理技术已经开始参与海上油气田生产作业的方方面面。为了进一步提高开采效率及降低开采成本，新一代智能化技术已经成为推动石油行业发展的动力源泉。目前，还有许多油气处理设施仍然采用传统的人工巡检模式作为设备维护的手段，这种低端的劳动模式存在着许多弊端，通过研究智能巡检机器人取代人工巡检的劳动模式，有助于达到油气生产降本增效的目的，对提升生产现场劳动效率也有着重要意义。智能巡检机器人作为新一代信息技术的衍生品，它的应用可大大减轻作业现场工作人员的劳动强度，同时还可以利用其高精度检测仪表，有效提升油气生产设施的安全性，因此这种运维模式正逐步在石油开采领域中大力推广使用。目前，在海上油气开发生产的作业过程中，智能巡检机器人已经成为海上油气田持续提质、降本、增效的有效途径之一。油田终端作为油田群重要的陆岸处理设施，其占地面积广、工艺流程复杂，其传统的巡检模式是人工巡检。该模式的弊端是工作强度大、巡检质量参差不齐、巡检效率低下，因此沿用传统的人工巡检模式已经无法适应现代油田生产持续发展的需要。若能把智能巡检机器人的作业方式运用到终端的日常生产巡检作业中，则能大大提高现场的巡检效率和检测精度，同时提升作业质量。由此可见，智能巡检机器人的作业方式在油气行业的常规作业中有着广阔的应用前景。本文着重阐述和研究智能巡检机器人的人工智能与传感技术电工技术应用场景和应用实例，通过对比分析找出智能机器人的巡检优势和最佳应用场景，同时对存在的问题进行深入剖析，不断优化机器人巡检技术应用，开拓其应用前景。智能巡检机器人基本组成智能巡检机器人技术是石油化工行业近年新兴的一种智能化技术手段，它集成了机器人技术、激光智能导航技术、激光可燃气检测技术、声音频谱检测和分析技术、红外检测技术、物联网通信技术等技术手段，通过这些技术手段可以对作业现场进行全方位高质量的信息采集与数据分析，同时还可以将巡检过程检测到的数据信息传送给后台服务器进行深入分析和深化应用，为其他关联应用系统提供有效的应用数据，从而将生产管理系统打造成一个全智能一体化的生产管控平台，实现生产系统智能化管理的同时还提升系统的安全性。智能巡检机器人系统的建设采用了分层的体系架构，层与层之间基于行业标准进行规范设计，确保系统的标准化和可扩展性。智能巡检机器人系统结构如图所示，底层为机器人层，中间层为网络层，顶层为应用层。图 智能巡检机器人系统结构 机器人层机器人层展示的是机器人的终端功能。整个系统通过内部的通信总线将系统中各个功能模块联系在一起，通过统筹协调不同功能板块的功能，将不同部分有机结合成一个完整的智能控制系统。机器人层按照功能可以分为通信模块、中央控制模块、云台控制单元、电源管理单元、导航单元和外挂传感器单元等部分。该系统的控制软件运行在中央处理单元，其主要功能是处理和控制机器人各个功能模块的具体功能，如云台控制、电源管理、移动导航、声音采集和处理、可燃气体检测等。网络层网络层是系统的通信功能层，它是机器人与外界进行信息通信的桥梁，其主要功能是利用 、等无线通信手段建立机器人与上位管控系统的通信链路，将前端数据和报警信号传输给后端管理系统处理，同时还可以利用该通信链路实现后端系统对前端系统的管理和控制，如选择机器人巡检方式和控制机器人的运动轨迹等。应用层应用层是智能巡检机器人的后端管理系统，在机器人的管控过程中，可以对机器人端传送过来的数据和报警信号进行深入的分析和处理，通过上位显示系统将巡检过程的数据和报警信息展示出来，在人机界面与管理人员进行人机交互。同时，应用系统还可以对各种数据信息进行深加工，实现数据的深化应用，比如对采集的声音和振动信号进行频谱分析，对同时期的信号频谱及振幅数据进行比对，鉴别出异常的振动信号。除此以外，应用系统还有以下功能：可以让工作人员在人机界面对检测到的可燃气体进行手动浓度高、低报警值设定；可以为机器人设定自动巡检、手动巡检、异常巡检等工作模式。同时，应用系统还具备数据接口扩展的功能，人们可以利用这些与外部相连接的数据接口与其他外部系统进行有效通信，利用不同系统间的数据通信实现系统间的数据交互和管控功能。智能巡检机器人的功能设计 自主导航功能智能巡检机器人采用 激光导航技术，该技术是机器人利用激光传感器全方位扫描周边环境，生成一个完整的三维环境图像，同时通过测量得到的环境目标距离参数数据，为机器人巡检提供精确的巡检过程定位数据，使机器人可以精准按照巡检设定的路线开展巡检作业。同时，采用该技术的智能巡检机器人还可以对障碍物和现场实施作业的工作人员进行探测，遇到障碍物时可以有效避障并能在后台实现报警。为了提高智能巡检机器人的安全防护等级，在智能巡检机器人机身结构安装有防撞条，该结构能有效防止碰撞对人员和设备造成的严重伤害，防撞条与机器人自身的避障系统构成了独有的双重安全保障系统，在避障系统失去作用的应急情况下，防撞条可以阻止机器人与障碍物发生过激碰撞，同时机器人在明显的位置设有指示灯，时刻提醒现场作业人员关注该设备的移动情况。智能巡检机器人带有先进移动导航系统，具备下面几项功能：防碰撞功能，智能巡检机器人在行驶过程中如果检测到前方有异常无法避开的障碍物，就能够及时发现并停止移动，防止与障碍物发生碰撞；三维激光雷达避障功电工技术人工智能与传感技术 能，智能巡检机器人可以利用激光技术和固态阵面雷达监测技术对周边环境进行实时检测分析，当检测到行进路线上有障碍物并且无法绕行时可以自动停止移动，通过无线网络系统向后台应用系统发送报警信号，提醒监控人员到场解决；导航抗干扰功能，当巡检现场存在大量的钢结构时，智能巡检机器人在自主选择导航方式下会自动采用激光导航，该导航方式可以有效增强导航信号对钢结构的穿透能力，避免现场撬块钢结构对雷达信号产生影响。图像识别功能机器人巡检系统的图像识别功能是设备通过精准识别并代替人工完成现场仪表数据读取和录入，该功能是利用机器人的图像建模识别技术和机器深度学习算法，准确识别出现场各种仪表、阀门和指示器的实时数据，再将这些数据录入当前的巡检系统中。机器人可以识别如图所示的压力表等现场仪表。机器人还能通过图像分析识别技术对现场设备的跑冒滴漏情况进行分析和识别，及时发现现场的泄漏情况。智能巡检机器人识别一个仪表的时间平均不超过，综合识别准确度超过。结合操作人员的灵活判断，该技术已经完全能够代替人工进行抄表巡检作业。机器人利用以上功能可以代替工作人员完成工业生产流程的定期巡检任务，同时还可以利用其完善的传感技术实现对整个厂区设备的安全检查。图 压力表 激光天然气定量检测和泄漏定位功能机器人系统内部包含有 激光扫描遥测功能模块，该模块是利用激光的光谱分析法测定空气中可燃气体的浓度，结合机器人云台运动机构的移动过程，实现对被检测生产设备或者半径 区域内整个空间甲烷气体泄漏情况的精准检测和定位。该技术已经完全可以代替繁杂的人工泄漏液检测法和其他手动检测方法，极大地提升了检测的效率和精准度，同时还可以让工作人员远离有毒、有害、高温、高压等危险环境，确保相关作业人员的人生安全。热成像异常温度检测功能机器人系统可以通过红外热成像技术完成现场设备某些关键部位温度分布特征的监测和分析，设备的红外热成像检测图像如图所示。经过长时间监测设备温度分布特征值的变化过程，可有效评估设备工作的健康状态。通过红外热成像技术检测流体管线一个时间段内温度梯度的变化情况，可以分析出该管线或设备的健康状态，当设备发生超温、剧烈温升或天然气泄漏时，能够利用设备的温度变化和天然气泄漏点的温度异常判断出异常情况，同时向后台推送警报信息，提醒生产监控人员关注。图设备的红外影像 声波检测及异声异响分析功能机器人系统可以使用声波检测设备对现场的压缩机、大型机泵、马达、分离器、管线等设备的声波信号进行采集和分析，利用这些基础数据建立一个声波频谱分析算法模型，再运用大数据分析算法，比对历史数据的变化过程和发展趋势，可以有效判断现场设备当前的运行状态，同时可以对设备健康状态的变化趋势进行有效预测。数据分析比对预测告警功能机器人图像采集展示页面可以方便直观地显示巡检区域内每个巡检点的设备状态信息，还有一个后台数据管理与分析页面可以展示系统自动存储的设备历史数据信息。这些信息无需巡检人员手工录入，而是由机器人在巡检过程自动识别并记录。针对这些存档的历史数据，还可以通过大数据处理技术的分析，判断出当前设备的健康状况，并直接生成数据分析报告，大大减轻工作人员的劳动强度。智能巡检机器人存在问题及解决方案 现场地形制约机器人巡检过程油田终端生产现场环境复杂，存在台阶、围堰、坡度等地形环境，并且厂区还分成一层台、二层台、三层台等不同的生产区域，导致智能巡检机器人无法在这类复杂地形环境中自由行进，这就无法有效对这些区域的设备进行记录和监测，导致此类区域的巡检任务不能顺利开展。为了确保现场设备能安全、稳定、持续、高效的运行，充分发挥智能巡检机器人的独特优势，解决此类环境的设备巡检难题就具有重大意义。针对此类问题，提出以下解决方案：对现有的道路进行改造，建立无障碍通道，方便机器人沿固定通道进行有效巡检；对于重新开发的装置区，在巡检规划设计时，建立智能巡检机器人专用巡检道路，同时优化巡检路线，让机器人的巡检过程更加合理；利用高空导轨智能机器人和地面轮式巡检机器人配合作业的工作模式，可以从多角度不同方向对同一设备进行全方位检查，或者各自巡检各自擅长的区域，全面发挥两种机器人的技术优势，解决巡检视觉盲区问题，通过对地面目标和高空目标的有效检查，人工智能与传感技术电工技术更加完美地完成智能巡检任务。设备仪表安装位置不合理引起巡检数据误差智能巡检机器人自身携带有高清摄像机，可以对现场温度、压力、流量等仪表进行拍摄记录，通过图像识别技术完成数据的读取工作。这种巡检方式在现场的实际应用过程中存在以下问题：温度、压力、流量等仪表安装的位置过高，或仪表盘安装角度、方位朝向偏离过大，机器人行驶到任务点进行图像识别时，无法正对仪表盘进行正向垂直拍摄，难以对仪表指针的读数进行精准识别，导致读数误差大，无法完成正常的巡检数据采集任务。针对此类问题，提出以下解决方案：仪表或设备的安装位置与机器人巡检识别位置不一致时，可依据设备的安装位置与巡检机器人搭载摄像头的俯仰角和水平方向偏转角度对仪表进行安装方向的调整，或者利用引压管改变仪表的安装位置，使智能巡检机器人可以有效地对仪表盘进行拍照和 识 别，从 而 采 集 到 设 备 真 实 有 效 的 基 础 运 行数据。结语智能巡检机器人技术已经在不同行业多种应用场景中实践和应用，经过多年的技术积累和优化，已经逐渐走向成熟，相信在不久的将来，智能巡检机器人技术的各方面性能将会发生质的飞跃，达到前所未有的应用体验。本文所描述的智能巡检机器人系统，通过自主智能运行的工作方式，取代了传统人工巡检，同时利用其智能图像识别、气体泄漏检测、热成像检测分析等技术