防爆巡檢機(jī)器人在天然氣分輸站的應(yīng)用

劉標(biāo)(浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司,浙江 杭州 310052)

0 引言

天然氣分輸站是長(zhǎng)輸管線當(dāng)中一個(gè)非常重要的節(jié)點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著承接上游來(lái)氣和向下游城市門站輸氣的責(zé)任，關(guān)系到國(guó)家的能源安全和民生穩(wěn)定。為了在這些過(guò)程中確保天然氣分輸站的生產(chǎn)安全，杜絕“跑冒滴漏”等現(xiàn)象發(fā)生，需要工作人員定期通過(guò)便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀或者肥皂水對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的每處易漏點(diǎn)進(jìn)行巡檢檢測(cè)。但是由于人工巡檢效率低，難以確保巡檢質(zhì)量，分輸站的生產(chǎn)安全無(wú)法得到有效保證。

為了更加高效地實(shí)現(xiàn)天然氣分輸站的巡檢工作，現(xiàn)使用一種具備在天然氣分輸站的易燃易爆環(huán)境下，具備防爆能力的巡檢機(jī)器人，替代人工巡檢，提升天然氣分輸站巡檢的工作效率，確保天然氣分輸站的安全性，并且防爆巡檢機(jī)器人可以替代人工進(jìn)入危險(xiǎn)地帶進(jìn)行巡檢，并且可以精確地采集數(shù)據(jù)，同時(shí)判斷天然氣分輸站各設(shè)施的運(yùn)行狀況，并及時(shí)作出判斷，實(shí)現(xiàn)了天然氣分輸站的自動(dòng)化、智能化管理，具有良好的發(fā)展前景與市場(chǎng)空間。

1 防爆巡檢系統(tǒng)的構(gòu)成

天然氣分輸站的巡檢機(jī)器人為防爆輪式巡檢機(jī)器人X3系列，同時(shí)配合防爆無(wú)線基站、自動(dòng)充電裝置、AI分析管控平臺(tái)共同組成無(wú)人值守的防爆巡檢系統(tǒng)。

1.1 防爆巡檢機(jī)器人

在天然氣分輸站的巡檢系統(tǒng)當(dāng)中，防爆巡檢機(jī)器人是整個(gè)巡檢系統(tǒng)當(dāng)中的核心裝置，本次提出運(yùn)用于天然氣站巡檢工作當(dāng)中的是防爆巡檢機(jī)器人X3系列，由四輪驅(qū)動(dòng)底盤、無(wú)需部署軌道的激光自然導(dǎo)航器、區(qū)域泄漏檢測(cè)傳感器、定點(diǎn)泄漏檢測(cè)傳感器、機(jī)器人移動(dòng)安全檢測(cè)傳感器，和AI算法實(shí)現(xiàn)智能分析的視覺傳感器等共同組成。防爆巡檢機(jī)器人X3系列外觀如圖1所示，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖1 防爆巡檢機(jī)器人X3系列

表1 防爆巡檢機(jī)器人X3系列參數(shù)

防爆巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)底盤由防爆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與車輪共同組成。防爆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由四組構(gòu)成，機(jī)械結(jié)構(gòu)相同并獨(dú)立，由防爆殼體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減震器、減速器、驅(qū)動(dòng)軸共同構(gòu)成；每組防爆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都配備獨(dú)立的減震器與懸掛[1]。

防爆巡檢機(jī)器人行走的地形復(fù)雜時(shí)，因?yàn)槊拷M驅(qū)動(dòng)都配備獨(dú)立的懸掛，因此可以保證每只輪子都實(shí)現(xiàn)與地面充分接觸，避免打滑現(xiàn)象。

防爆巡檢機(jī)器人使用的是無(wú)須鋪設(shè)軌道的自然導(dǎo)航自動(dòng)駕駛技術(shù)，不僅可以按照預(yù)計(jì)路線進(jìn)行全自動(dòng)的巡檢，而且在特殊情況下，可以由操作站的人員遠(yuǎn)程遙控巡檢機(jī)器人執(zhí)行一些特殊巡檢工作。采用無(wú)軌自然導(dǎo)航的防爆巡檢機(jī)器人，導(dǎo)航精度達(dá)到了10 mm的高精度指標(biāo)，而且可以自我學(xué)習(xí)外界環(huán)境的變化，達(dá)到高精度的長(zhǎng)期使用要求，可靠性和穩(wěn)定性都達(dá)到了工業(yè)級(jí)的能力。

1.2 防爆無(wú)線基站

巡檢機(jī)器人的工作區(qū)域當(dāng)中設(shè)有覆蓋機(jī)器人運(yùn)行區(qū)域的防爆無(wú)線基站，采用可靠的加密傳輸技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)的全網(wǎng)絡(luò)安全覆蓋，并且達(dá)到工業(yè)級(jí)的毫秒級(jí)別延遲，確保防爆巡檢機(jī)器人與控制室之間的安全、可靠和穩(wěn)定的工業(yè)級(jí)無(wú)線通訊連接。

1.3 AI分析管控平臺(tái)

防爆巡檢機(jī)器人采集到的信息由機(jī)器人進(jìn)行了邊緣計(jì)算后，當(dāng)發(fā)生異常情況的實(shí)時(shí)報(bào)警由機(jī)器人在邊緣側(cè)分析完成后，通過(guò)與站控DCS/SCADA系統(tǒng)進(jìn)行交互，依據(jù)報(bào)警的等級(jí)，實(shí)時(shí)執(zhí)行對(duì)應(yīng)連鎖邏輯，第一時(shí)間降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，通過(guò)可靠的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將通過(guò)邊緣側(cè)實(shí)時(shí)分析的數(shù)據(jù)，交由AI分析管控平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析?；贏I技術(shù)的專家系統(tǒng)，對(duì)中控室操作工程師進(jìn)行實(shí)時(shí)告警和風(fēng)險(xiǎn)處理步驟的提醒。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將異常信息以管理平臺(tái)APP發(fā)送給相關(guān)部門負(fù)責(zé)人，上級(jí)部門專家和責(zé)任領(lǐng)導(dǎo)，可以立即了解到相關(guān)的數(shù)據(jù)、視頻與預(yù)警預(yù)測(cè)處理建議，進(jìn)行態(tài)勢(shì)分析，降低和減少事故風(fēng)險(xiǎn)和危害，提高安全生產(chǎn)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)和降低環(huán)境保護(hù)影響[2]。

巡檢機(jī)器人AI分析管控平臺(tái)的操作界面主要由系統(tǒng)、控制、查詢和數(shù)據(jù)庫(kù)等部分組成，平臺(tái)操作界面如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人AI分析管控平臺(tái)界面

1.4 自動(dòng)充電裝置

防爆巡檢機(jī)器人可以對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)自我狀態(tài)進(jìn)行診斷，如果發(fā)現(xiàn)自身電量不足，巡檢機(jī)器人將自動(dòng)返航充電。

防爆巡檢機(jī)器人自動(dòng)充電裝置主要由充電樁、防爆充電控制箱和連接電纜構(gòu)成，防爆巡檢機(jī)器人完成自主充電[3]。

防爆巡檢機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)其電量低于設(shè)定值將自動(dòng)返航尋找充電樁進(jìn)行充電。充電完畢后，自動(dòng)斷電，依據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的模式繼續(xù)工作或者選擇睡眠。

2 防爆巡檢機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

2.1 本體嵌入式控制軟件

機(jī)器人本體嵌入式控制軟件的作用主要負(fù)責(zé)對(duì)巡檢機(jī)器人自身控制、診斷、上位機(jī)通信等功能進(jìn)行控制。本體嵌入式控制軟件首先需要對(duì)底層配置進(jìn)行初始化，例如單片機(jī)時(shí)鐘、看門狗等[4]。隨即對(duì)應(yīng)用層展開初始化，包括上位機(jī)通訊、伺服電機(jī)作業(yè)、各種傳感器的實(shí)際數(shù)據(jù)等等。最后進(jìn)入到循環(huán)程序，對(duì)報(bào)警處理函數(shù)不斷執(zhí)行、命令執(zhí)行函數(shù)、通訊處理函數(shù)。采用嵌入式方案，是避免采用工控機(jī)方案的不可靠問(wèn)題，避免機(jī)器人失控。

報(bào)警處理函數(shù)主要負(fù)責(zé)識(shí)別真身的狀態(tài)，包括行進(jìn)障礙、電量、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、傳感器狀況等等；命令執(zhí)行函數(shù)負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的指令，具有較強(qiáng)的邏輯性；通訊處理函數(shù)負(fù)責(zé)對(duì)所有傳感器采集的數(shù)據(jù)、電量狀況、上位機(jī)通訊效果信息進(jìn)行收集，本體嵌入式控制軟件的流程圖如圖3所示。

圖3 本體嵌入式控制軟件程序流程

2.2 上位機(jī)監(jiān)控識(shí)別軟件

2.2.1 儀表讀數(shù)

上位機(jī)監(jiān)控識(shí)別軟件是采用C++編程完成的，可以對(duì)巡檢機(jī)器人上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)日常異常的報(bào)警進(jìn)行分析、存檔；對(duì)巡檢設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行判定。

當(dāng)巡檢機(jī)器人抵達(dá)巡檢位置以后，會(huì)信息上傳給點(diǎn)位信號(hào)、卡號(hào)，再通過(guò)卡號(hào)調(diào)用相應(yīng)的云臺(tái)預(yù)制點(diǎn)，從而找到儀表、閥門。對(duì)畫面中目標(biāo)的位置進(jìn)行分析隨機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，再一次拍攝更加清晰的目標(biāo)圖像從而對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別、數(shù)據(jù)分析。對(duì)于儀表而言，首先以目標(biāo)位置為依據(jù)截取儀表的圖像，對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理、平滑處理，將攝像機(jī)拍攝過(guò)程中產(chǎn)生的噪點(diǎn)去除。完成后再對(duì)圖像進(jìn)行二值化，選擇使用自適應(yīng)局部的閾值，從而最大程度上避免陰影產(chǎn)生的影響。二值化可以分出許多刻度或其他信息，不同的刻度直線會(huì)相交，以圓心到刻度線中心的平均距離為半徑，將半徑范圍內(nèi)的二值信息予以保存，指針區(qū)域?yàn)樽畲筮B通區(qū)域。位于聯(lián)通區(qū)域當(dāng)中的點(diǎn)形成直線，根據(jù)斜率計(jì)算指針的角度。儀表讀數(shù)識(shí)別流程如圖4所示。

圖4 儀表讀數(shù)識(shí)別流程

2.2.2 閥門狀態(tài)識(shí)別

(1)輸入初始信息：閥門法蘭直徑長(zhǎng)度、閥門開啟與關(guān)閉的長(zhǎng)度；采集圖像輸入、定位閥門的位置，待識(shí)別閥門圖像輸入；

(2)法蘭位置定位：尋找到圖片當(dāng)中的深藍(lán)區(qū)域，法蘭區(qū)域定位，倘若未找到藍(lán)色區(qū)域，就將圖片進(jìn)行二值化，將輪廓描繪出來(lái)，以最大輪廓為依據(jù)獲取法蘭區(qū)域，計(jì)算的得到法蘭占有的像素?cái)?shù)；

(3)閥桿位置確定：尋找到法蘭區(qū)域當(dāng)中紅色位置，確定閥桿位置，倘若未發(fā)現(xiàn)紅色位置，對(duì)圖片進(jìn)行二值化，對(duì)重點(diǎn)點(diǎn)附近的黑像素?cái)?shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定閥桿位置后，對(duì)閥桿占有的像素?cái)?shù)量進(jìn)行計(jì)算；

(4)確定閥門狀態(tài)：以法蘭占有像素?cái)?shù)量的多少作為基礎(chǔ)條件，同時(shí)輸入法蘭直徑的長(zhǎng)度，最終可計(jì)算出每個(gè)像素等于多少毫米，也就是閥桿長(zhǎng)度。計(jì)算得到的閥桿長(zhǎng)度對(duì)比輸入閥門關(guān)閉狀態(tài)下的長(zhǎng)度，若超出某閾值，即閥門處于開啟狀態(tài)，反之閥門為關(guān)閉狀態(tài)。

3 實(shí)際應(yīng)用

本次研究提出的天然氣分輸站防爆巡檢系統(tǒng)已經(jīng)在天然氣分輸站得到成功應(yīng)用，以現(xiàn)場(chǎng)工藝巡檢流程為基礎(chǔ)，天然氣分輸站輸送各個(gè)環(huán)節(jié)的巡檢工作都得到高質(zhì)量完成。

3.1 天然氣管道分輸站

防爆巡檢系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果顯示，防爆巡檢機(jī)器人可以更加準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，監(jiān)控畫面更加清晰，可以第一時(shí)間判斷故障，降低巡檢成本，解放勞動(dòng)力，提升巡檢質(zhì)量和深度，為天然氣管道分輸站的連續(xù)安全運(yùn)行打下夯實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)而達(dá)到取得了更多的經(jīng)濟(jì)效益運(yùn)營(yíng)管理目標(biāo)。

3.2 工作場(chǎng)景設(shè)備

機(jī)器人需要配合過(guò)濾分離儀，計(jì)量?jī)x，調(diào)壓儀，安全閥，安全切斷閥，由此實(shí)現(xiàn)進(jìn)出站壓力溫度監(jiān)控。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究中對(duì)防爆巡檢機(jī)器人在天然氣分輸站的應(yīng)用進(jìn)行分析，首先對(duì)防爆巡檢系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行介紹，包括防爆巡檢機(jī)器人、防爆無(wú)線基站、自動(dòng)充電裝置；對(duì)防爆巡檢機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，包括本體嵌入式控制軟件、上位機(jī)監(jiān)控識(shí)別軟件；儀表讀數(shù)、閥門狀態(tài)；對(duì)防爆巡檢系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。天然氣分輸站的運(yùn)行狀況關(guān)系到城市居民的日常生活，并且天然氣分輸站的日常運(yùn)作當(dāng)中的許多環(huán)節(jié)都伴有安全隱患存在，為了避免這些隱患釀成事故，通常由工作人員進(jìn)行巡檢消除隱患，但是在實(shí)際工作中人工巡檢效率過(guò)低，無(wú)法保證隱患被完全消除，因此本次研究中提出以防爆巡檢機(jī)器人為核心的防爆巡檢系統(tǒng)負(fù)責(zé)天然氣分輸站的防爆巡檢工作，有效提升天然氣站的防爆巡檢工作效率，消除安全隱患，確保天然氣站的安全運(yùn)營(yíng)與增強(qiáng)天然氣分輸站的運(yùn)營(yíng)管理。