區(qū)域化站場(chǎng)無(wú)人化智慧巡檢的探索與創(chuàng)新

魏莉巖，王書，劉猛，楊斌

（1.國(guó)家管網(wǎng)北方管道呼和浩特輸油氣分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.國(guó)家管網(wǎng)北方管道錦州輸油氣分公司，遼寧 錦州 121000；3.國(guó)家管網(wǎng)北方管道西安輸油氣分公司，陜西 西安 710000）

0 引言

科技引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)革命，很多能源企業(yè)希望借助先進(jìn)理念促進(jìn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。國(guó)家管網(wǎng)旨在打造中國(guó)特色、世界一流能源基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商，是典型的2.0、3.0系統(tǒng)并存的情況，管網(wǎng)有各類獨(dú)立的自控系統(tǒng)，而沒有管控管道運(yùn)營(yíng)全生命線的控制系統(tǒng)。工業(yè)軟件是企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)關(guān)鍵活動(dòng)數(shù)字化的必要條件，也是很多能源企業(yè)關(guān)心的一個(gè)重要問題。結(jié)合先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造適合自身特點(diǎn)的智慧管道管理模式，借乘國(guó)家管網(wǎng)的成立，在工業(yè)革命的浪潮中，在自動(dòng)化、數(shù)字化、智慧化等方面建設(shè)領(lǐng)先行業(yè)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)崛起。

1 研究背景和目的

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，標(biāo)志著全新的站場(chǎng)巡檢模式由傳統(tǒng)化向智慧化的轉(zhuǎn)變[1]。將數(shù)字物理融合技術(shù)體系應(yīng)用在區(qū)域化站場(chǎng)智慧巡檢上，將管體、站場(chǎng)、設(shè)備和實(shí)體系統(tǒng)內(nèi)的變化性、相關(guān)性和參考性規(guī)律更緊密的聯(lián)系在一起，為站場(chǎng)區(qū)域化管理提供一個(gè)建模、預(yù)測(cè)、優(yōu)化與管理的新途徑。智能制造及技術(shù)的核心就是信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，簡(jiǎn)稱CPS），利用信息物理系統(tǒng)（CPS）將巡檢中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、隱患、故障等信息數(shù)據(jù)化、智能化，以3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)的搭建為最終研究成果，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、管道的水力和熱力特性、信息預(yù)警、遠(yuǎn)程診斷和故障檢測(cè)等內(nèi)容進(jìn)行綜合感知分析、自動(dòng)預(yù)判以及自反饋等管理，最后實(shí)現(xiàn)管體、站場(chǎng)、設(shè)備和實(shí)體系統(tǒng)等數(shù)字孿生體的構(gòu)建。

通過將無(wú)人化智慧巡檢與智能技術(shù)結(jié)合，梳理出區(qū)域化站場(chǎng)管理中智慧巡檢的技術(shù)思路和研究方法。通過無(wú)人化智慧巡檢建設(shè)，充分發(fā)揮自動(dòng)化、數(shù)字化設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理中透明化管理、智慧化設(shè)備的互聯(lián)互通、智慧化的決策支持，為后期區(qū)域化站場(chǎng)智慧管理實(shí)踐提供支持，也作為3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)搭建的一個(gè)組成部分進(jìn)行后續(xù)研究，最終全生命線地實(shí)現(xiàn)智慧管道的管理與控制。

2 技術(shù)思路和研究方法

2.1 AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）智慧巡檢車的應(yīng)用

當(dāng)前AGV企業(yè)主要以叉車型AGV、貨架型AGV、負(fù)載型AGV為主，應(yīng)用的領(lǐng)域有汽車、倉(cāng)儲(chǔ)等[2]。為了能夠在區(qū)域化站場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)無(wú)人化智能巡檢，利用AGV系統(tǒng)，結(jié)合站場(chǎng)安全性考略采用防爆設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)和實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)畫面進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析、傳輸。

在自動(dòng)移動(dòng)單元，需要依靠激光導(dǎo)引裝置發(fā)射激光束，然后接收由管段上的設(shè)備、設(shè)施的定位標(biāo)志反射回來的激光束，計(jì)算出當(dāng)前的位置[3]。按照區(qū)域化站場(chǎng)的巡檢路線，執(zhí)行總管理平臺(tái)給定的移動(dòng)指令，確定運(yùn)動(dòng)的方向，到達(dá)指定目標(biāo)地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)AGV智慧巡檢車的站場(chǎng)巡檢路線行走。

在通信單元中，AGV智慧巡檢車采用無(wú)線的通信方式傳輸當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括位姿、速度、電量、警報(bào)等信息，同時(shí)將場(chǎng)區(qū)內(nèi)需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備狀態(tài)和管線運(yùn)行參數(shù)等重要生產(chǎn)信息和實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行采集并傳輸至管理總臺(tái)。同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)與管理臺(tái)的互聯(lián)互通，接收總臺(tái)下達(dá)的路線信息、啟動(dòng)、急停等指令，總體工作框圖如圖1所示。AGV智慧巡檢車是實(shí)現(xiàn)區(qū)域化站場(chǎng)無(wú)人化智慧巡檢的基石，也是后續(xù)建設(shè)3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)的一個(gè)重要組成，見圖1。

圖1 AGV智慧巡檢車工作框圖

AGV智慧巡檢車的應(yīng)用，是對(duì)國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)“三灣改編”安全生產(chǎn)建設(shè)的積極響應(yīng)，能從源頭上消除人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)。

2.2 數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程[4]。

在無(wú)人化智慧巡檢中，將采集并記錄的設(shè)備狀態(tài)和管線運(yùn)行參數(shù)等重要生產(chǎn)信息，在3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)中，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字仿真模型，模仿出管體、站場(chǎng)、設(shè)備設(shè)施等實(shí)體狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的水力、熱力特性的分析和預(yù)測(cè)[5]。利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)，將物理世界本身的存在狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员挥?jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所能感知、識(shí)別和分析的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象和數(shù)字對(duì)象之間的互動(dòng)。同時(shí)，與采集的生產(chǎn)信息同時(shí)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)畫面，可以與構(gòu)建的仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，以數(shù)字空間為載體，打造時(shí)空一體的數(shù)字孿生平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和視頻畫面的同步和融通聯(lián)動(dòng)，使3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)的信息更強(qiáng)化、豐富。

2.3 區(qū)域化站場(chǎng)3D模型

當(dāng)前的區(qū)域化站場(chǎng)是典型的2.0、3.0系統(tǒng)并存的情況，存在各類獨(dú)立的自控系統(tǒng)，需要展示和分析的工作內(nèi)容日漸增多，區(qū)域化站場(chǎng)需要處理的數(shù)據(jù)越來越龐雜，常見圖表需要幾百?gòu)埖捻?yè)數(shù)或數(shù)百行和列，傳統(tǒng)的二維圖示已經(jīng)無(wú)法更好地直觀的體現(xiàn)。通過3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)，迅速收集吸收無(wú)人化智慧巡檢中采集并記錄的生產(chǎn)信息，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员蛔陨硭芨兄?、識(shí)別和分析的大數(shù)據(jù)，用便捷易懂的可視化模型表達(dá)出來，可以成倍的提高工作效率，極大的提升區(qū)域化站場(chǎng)生產(chǎn)力。

在區(qū)域化站場(chǎng)3D模型系統(tǒng)中，模仿出管體、站場(chǎng)、設(shè)備設(shè)施等實(shí)體狀態(tài)，搭載多種數(shù)據(jù)分析方式，同時(shí)使用區(qū)域化站場(chǎng)3D模型和三維可視化，通過完善應(yīng)用數(shù)據(jù)和模型功能，實(shí)現(xiàn)管道的水力、熱力特性的識(shí)別和分析,經(jīng)過篩選和過濾，查看特定的功能，獲取要處理的生產(chǎn)信息，完成與區(qū)域化站場(chǎng)模型的交互。將5G技術(shù)應(yīng)用于管理平臺(tái)中，由AGV智慧巡檢車搭載便攜式移動(dòng)產(chǎn)品，在站場(chǎng)采集到原始視頻源后接入5G超高清視頻直播終端，完成超高清視頻的傳輸。5G超高清視頻回傳可以為區(qū)域化站場(chǎng)無(wú)人化智慧巡檢提供清晰的畫面和豐富的細(xì)節(jié)，為安全生產(chǎn)、指令下達(dá)提供更多的分析依據(jù)。

2.4 結(jié)果和效果

區(qū)域化站場(chǎng)無(wú)人化智慧巡檢是3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)的一個(gè)重要組成，應(yīng)用AGV智慧巡檢車采集、存儲(chǔ)、分析、傳輸生產(chǎn)信息，利用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字仿真模型，模仿出管體、站場(chǎng)、設(shè)備設(shè)施等實(shí)體狀態(tài)，從而分析和預(yù)測(cè)管道的水力、熱力特性等生產(chǎn)指標(biāo)。同時(shí)，將采集到的站場(chǎng)原始視頻經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，輸出至管理平臺(tái)上，與仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和視頻畫面的同步和融通聯(lián)動(dòng)，從源頭上消除人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

利用當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)和智能技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域化站場(chǎng)管理中智慧巡檢的主要實(shí)現(xiàn)思路和研究方法進(jìn)行論述，并提出無(wú)人化智慧巡檢的管理模式。通過將先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理念應(yīng)用到無(wú)人化智慧巡檢中，讓智慧管道的發(fā)展進(jìn)入到實(shí)質(zhì)性環(huán)節(jié)，同時(shí)對(duì)無(wú)人化智慧巡檢模式進(jìn)行總結(jié)，為后期3D數(shù)字孿生智慧區(qū)域化站場(chǎng)管理平臺(tái)的搭建提供一個(gè)支持，也為其他工程師提供一種可以發(fā)展管道智慧化管理的方向。