巡檢機(jī)器人在井場上的應(yīng)用

盧光旭

摘? 要：傳統(tǒng)井場巡檢采用人工巡檢方式，工作量大、巡檢效率低。井場智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自主巡檢，并把巡檢結(jié)果上傳至SCADA系統(tǒng)。井場智能巡檢機(jī)器人采用激光雷達(dá)無軌導(dǎo)航方式，具有儀表識(shí)別、抽油機(jī)狀態(tài)檢測、紅外測溫、可燃?xì)怏w檢測、異常聲音檢測等功能。

關(guān)鍵詞：井場巡檢;自主導(dǎo)航;機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 井場巡檢的特點(diǎn)和內(nèi)容

井場巡檢采用人工巡檢方式，工作量大、巡檢效率低，且存在無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)少量氣體泄漏、溫度異常、聲音異常、儀表讀數(shù)異常等故障信息，以及惡劣天氣下巡檢存在安全隱患等問題。而巡檢機(jī)器人具有安防監(jiān)控功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑人員進(jìn)入，并通過揚(yáng)聲器喊話警告。巡檢機(jī)器人內(nèi)置GPS定位跟蹤裝置，當(dāng)檢測到自身位置移動(dòng)到安全區(qū)域以外時(shí)，會(huì)及時(shí)向監(jiān)控中心上傳報(bào)警信息。

2 機(jī)器人的系統(tǒng)組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

井場智能巡檢機(jī)器人是集多傳感器融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、導(dǎo)航及行為規(guī)劃技術(shù)、機(jī)器人視覺、安防技術(shù)、海量信息的無線傳輸于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。其主要由機(jī)器人本體、充電房、遠(yuǎn)程集控后臺(tái)組成。

2.2 工作原理

井場智能巡檢機(jī)器人通過激光雷達(dá)和IMU組合導(dǎo)航，利用車載紅外、可見光及聲音傳感器檢測異常狀況。機(jī)器人將采集到的所有圖像和數(shù)據(jù)，通過無線傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示、記錄和路徑規(guī)劃。

對(duì)于初次巡檢的場景，機(jī)器人需要制作巡檢路徑地圖，并存入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。機(jī)器人制作完地圖后，可以通過后臺(tái)下發(fā)巡檢任務(wù)。在巡檢期間，機(jī)器人控制云臺(tái)對(duì)巡檢場景進(jìn)行拍照和攝像。

3 機(jī)器人自動(dòng)巡檢的功能及實(shí)現(xiàn)方式

井場智能巡檢機(jī)器人具備以下13項(xiàng)基本功能。

3.1 配備高清攝像機(jī)進(jìn)行可見光表計(jì)及滲漏檢測

巡檢機(jī)器人的云臺(tái)配備高清攝像機(jī)，可以進(jìn)行可見光拍照，并對(duì)所拍的照片進(jìn)行儀表檢測，得到當(dāng)前壓力表的指針讀數(shù)。

3.2 聲音采集及分析功能

巡檢機(jī)器人可以采集并分析拾音器采集到的音頻數(shù)據(jù)，通過頻域分析可以檢測出是否有漏油、漏氣等異常聲音。

3.3 雙向語音通信功能

巡檢機(jī)器人集成有揚(yáng)聲器、拾音器和音頻服務(wù)器。通過后臺(tái)對(duì)音頻服務(wù)器的遠(yuǎn)程訪問，可以實(shí)現(xiàn)雙向語音對(duì)講功能。

3.4 抽油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測功能

巡檢機(jī)器人檢測的抽油機(jī)數(shù)據(jù)包括壓力表指針數(shù)值、光桿溫度（高溫、低溫）、光桿形變、電機(jī)溫度、聲音分析（漏氣、漏油）以及甲烷濃度。

3.5 手動(dòng)控制功能

手動(dòng)控制功能包括云臺(tái)控制和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。云臺(tái)控制用來控制機(jī)器人上的云臺(tái)上下左右移動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制包括一鍵返航、取消巡檢、修井、巡檢、暫停、繼續(xù)等。

3.6 數(shù)據(jù)查詢、篩選及導(dǎo)出功能

儀表、溫度、聲音分析等結(jié)果數(shù)據(jù)通過ModbusTCP協(xié)議傳送給IOServer，管理員可從IOServer數(shù)據(jù)庫根據(jù)時(shí)間戳、變量名等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和篩選并導(dǎo)出。

3.7 報(bào)表功能

巡檢機(jī)器人的巡檢數(shù)據(jù)可以通過生成報(bào)表導(dǎo)出。

3.8 視頻對(duì)接功能

巡檢機(jī)器人采用海康威視的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，可接入安防監(jiān)控平臺(tái)，也可用視頻控件在SCADA系統(tǒng)中顯示。

3.9 遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

巡檢機(jī)器人通過無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

3.10 一鍵返航功能

巡檢機(jī)器人具有一鍵返航功能，通過單擊“一鍵返航”按鈕暫停當(dāng)前巡檢任務(wù)或結(jié)束修井監(jiān)控狀態(tài)，之后讓機(jī)器人返回充電房。

3.11 自主充電功能

巡檢機(jī)器人具有自主充電功能。機(jī)器人完成一次巡檢任務(wù)，或在巡檢過程中檢測到電量低于閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)返回充電房，進(jìn)入充電位置，自動(dòng)充電。

3.12 GPS定位功能

巡檢機(jī)器人具有GPS定位功能，巡檢機(jī)器人將自身位置發(fā)送給后臺(tái)軟件，當(dāng)后臺(tái)軟件檢測到巡檢機(jī)器人位置異常時(shí)會(huì)報(bào)警。

3.13 自檢及告警功能

巡檢機(jī)器人的后臺(tái)軟件顯示將當(dāng)前工作狀態(tài)、工作電壓、故障信息和越界檢測信息。

4 巡檢機(jī)器人的性能

經(jīng)過實(shí)際測試巡檢機(jī)器人的性能指標(biāo)見表1。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 激光雷達(dá)特征匹配技術(shù)

文獻(xiàn)[1]提出了基于SEF算法的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)特征分割法，該算法通過計(jì)算激光雷達(dá)相鄰兩幀原始數(shù)據(jù)的差值得到直線，進(jìn)一步得到分割圖像的特征。該方法無法完成相交直線的提取。文獻(xiàn)[2]采用LEPF算法對(duì)激光雷達(dá)圖像進(jìn)行特征提取。該方法容易產(chǎn)生欠提取現(xiàn)象。該文提出了基于點(diǎn)特征提取和線性特征提取的方法。

5.1.1 點(diǎn)狀特征提取

點(diǎn)狀特征指樹木、設(shè)備支撐桿等在點(diǎn)云圖上表述為孤立、半徑較小的點(diǎn)集，采用聚類算法對(duì)點(diǎn)狀特征進(jìn)行提取。以數(shù)據(jù)集在空間分布上的稀疏程度進(jìn)行聚類，不需要在聚類之前預(yù)先設(shè)定類的數(shù)量。

5.1.2 線性特征提取

線性特征指圍墻、建筑物等在點(diǎn)云圖上表述為長度足夠大的線段，采用霍夫變換對(duì)點(diǎn)狀特征進(jìn)行提取。通過判斷線段的間距、斜率等信息，對(duì)提取的線段進(jìn)行合并，提高準(zhǔn)確率。

5.2 SIFT算法光桿識(shí)別技術(shù)

利用SIFT算法對(duì)光桿、電機(jī)和抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測，如圖2所示。

首先，利用分辨率384×288，6 mm焦距的非制冷紅外熱像儀，檢測直徑約10 mm的光桿的溫度和形變。光桿在紅外圖像上的成像寬度僅占5個(gè)像素左右，且背景復(fù)雜。SIFT算法通過關(guān)鍵位置檢測、特征提取、特征匹配等步驟定位光桿的位置，進(jìn)而檢測光桿的溫差和細(xì)微形變，其能及時(shí)檢測抽油機(jī)的抽油狀態(tài)，并對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警。

其次，SIFT算法通過關(guān)鍵位置檢測、特征提取、特征匹配等步驟定位電機(jī)的位置，進(jìn)而測量電機(jī)的溫度。

最后，SIFT算法通過關(guān)鍵位置檢測、特征提取、特征匹配等步驟，通過輸出的運(yùn)動(dòng)跟蹤點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑和方向，即可判斷抽油機(jī)是否在工作。

6 結(jié)論

目前長慶油田已有8 000多座井場進(jìn)行了視頻系統(tǒng)建設(shè)，電線桿上裝有攝像頭、喇叭、天線。井場周圍裝有圍墻。但是這些井場并沒有實(shí)現(xiàn)無人值守。用機(jī)器人來代替人工進(jìn)行日常巡檢，可以提高井場的智能化水平，實(shí)現(xiàn)無人值守是油田的發(fā)展趨勢，在未來得到推廣的可能性較大，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]陳麗敏，戚天蘭，杜殷飛，等.一種快速有效的卷煙激光打碼防偽識(shí)別算法[J].信息工程期刊：中英文版，2014，4（3）：78-82.

[2]龔衛(wèi)國，劉潤瑤，張睿.光照突變下融合多類特征的場景分割方法（英文）[J].紅外與激光工程，2014，43（12）：4164-4169.