海上無人駐守平臺智能巡檢機器人的應用

黃珂，提浩，劉雨露，魏海，徐學智，劉磊，曹立紅(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

海上平臺電力系統(tǒng)作為海上油氣平臺的主要動力能源，保障其穩(wěn)定性和安全性就顯得尤為重要。但是，在海上平臺逐步實現(xiàn)數(shù)字化轉型，邁向智能化的當下，海上平臺配電系統(tǒng)的運維大多還依賴于運維人員的人工巡檢，這種方式存在著可靠性低、及時性差、追溯性低、風險性高等局限性。

同時，考慮油田開發(fā)的經(jīng)濟性，依托于中心平臺開發(fā)和建立海上固定式無人駐守平臺(以下簡稱“無人平臺”)已經(jīng)成為了近期乃至將來很長一段時間內的主流思路。但海上無人駐守平臺這種平臺形式會使上述人工巡檢的幾個局限性愈發(fā)凸顯?；谏鲜龇治?，單單依靠人工巡檢很難滿足無人平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行的需求。

隨著科技的不斷發(fā)展，各個種類的機器人走進我們的視線，它們被廣泛應用在設備巡檢領域，例如：煤礦采用巡檢機器人降低人員巡檢的安全風險[1]；數(shù)據(jù)中心機房采用巡檢機器人實現(xiàn)機房無人化管理等。其中智能巡檢機器人已經(jīng)在各地變電站廣泛應用，推動了變電站的無人化和智能化發(fā)展[2]，這也為無人平臺在配電系統(tǒng)中應用巡檢機器人提供了很好的借鑒案例。

本文從智能巡檢機器人的分類、適用環(huán)境和功能等角度出發(fā)，以海上某無人駐守平臺配電系統(tǒng)的應用場景為例，分析巡檢機器人的選型和技術要求，探討該環(huán)境智能巡檢機器人應用方案的分析過程。此外，本文還深入分析了該海上無人駐守平臺配電系統(tǒng)采用智能巡檢機器人的階段性實際使用情況，并提出了一些改進意見和展望，希望能夠為后續(xù)無人平臺的開發(fā)和設計提供一些啟發(fā)和參考。

1 海上某無人駐守平臺智能巡檢機器人應用的可行性研究

1.1 應用場景情況分析和巡檢機器人的選型要求

海上無人駐守平臺配電系統(tǒng)承擔著為整個無人平臺輸配電的作用，配電系統(tǒng)主要設備集中在配電間內?？紤]配電間內的具體情況，結合各類巡檢機器人的特點和功能，應從以下幾個方面做選型考慮。

1.1.1 占用空間

無人平臺配電間內設備眾多，剩余空間有限，可供機器人安裝和規(guī)劃巡檢路線的區(qū)域比較局限，且需為必要的人員巡檢和設備檢修預留出足夠空間，故機器人及其附件的體積和通過性是必須考慮的因素之一。

1.1.2 移動安全性

無人平臺配電間內關鍵電氣設備眾多，盤柜的振動、開關按鈕的誤碰均有可能造成設備關停和油田關斷，故機器人必須具有很強的移動安全性。

1.1.3 巡檢覆蓋率

配電系統(tǒng)中配電盤高度大多在200 cm左右，想要全方位、多角度檢查配電系統(tǒng)，巡檢機器人的升降機構行程就必須滿足要求，這也是一項選型的重要因素。

1.2 智能巡檢機器人的分類和特點分析

智能巡檢機器人的分類主要依據(jù)其移動方式，可分為輪式巡檢機器人、軌道式巡檢機器人、履帶式巡檢機器人和飛行巡檢機器人這四類。機器人的適用環(huán)境和其移動方式關系密切，

下面采用表格的方式對四種巡檢機器人進行對比，如表1所示。

表1 各類巡檢機器人對比情況

考慮該無人平臺配電間的環(huán)境特點，結合上述分析，輪式巡檢機器人和履帶式巡檢機器人移動安全性和巡檢覆蓋率不能滿足要求，飛行巡檢機器人控制精度低，可靠性不強同樣不適用于無人平臺配電間的環(huán)境。故軌道式巡檢機器人具備占用空間小、移動安全性高、升降機構行程大，可滿足巡檢覆蓋率的優(yōu)點，可應用于該無人平臺配電系統(tǒng)中。

1.3 海上某無人駐守平臺智能巡檢機器人的技術要求

為了在后續(xù)使用中實現(xiàn)自動化和智能化，彌補人工巡檢的短板，同時結合海上平臺的特殊工作環(huán)境和運維需求，巡檢機器人還應滿足以下技術要求。

1.3.1 機器人及其附屬設備材料選型合理

經(jīng)考察，該海域環(huán)境溫度變化較大，導致室內最低可至-17.2 ℃，最高可至34.6 ℃，同時海上氣候影響導致相對濕度最大值可達90%，且空氣中常伴有鹽霧?？紤]到巡檢機器人及其附屬設備的設計壽命不應低于15年的要求，這對機器人及其附屬設備的材料選擇提出了考驗。

1.3.2 機器人的移動能力滿足要求

結合該無人平臺配電間各設備的布置情況和實際剩余空間尺寸，對機器人的通過性提出了要求。同時考慮各盤柜的實際高度，為了實現(xiàn)對整個配電盤盤面范圍的巡檢全覆蓋，我們將機器人的移動能力限制如下：最小轉彎半徑不應大于0.3 m，且應具備升降功能，升降范圍和距離不應小于2 m。

1.3.3 巡檢機器人需可基本代替人工巡檢，且具備進行必要的檢測功能

為了基本替代人工巡檢模式，要求機器人具備各類表計讀取、開關狀態(tài)識別，溫度檢測、異常情況報警等功能，且表計讀取和開關狀態(tài)識別的準確率應在95%以上[4]。且因海上平臺電氣設備管理相關規(guī)定中要求了定期的熱成像和局部放電檢測，故巡檢機器人應能自主進行上述兩項檢測，并具有自主識別與預警功能，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)設備隱患，為發(fā)現(xiàn)隱患后的檢修預留出足夠的時間。

1.3.4 巡檢機器人必須同時具備自行巡檢、遠程操控的功能

能夠對圖片數(shù)據(jù)進行自動識別和生成報表，從而滿足配電間例行巡檢和特殊巡檢的要求，為海上無人駐守平臺的平穩(wěn)運行提供保障。

1.3.5 設備符合相關標準和規(guī)范

考慮到機器人功能繁多，具有高度的集成化水平，機器人的設計、制造、安裝和軌道設置應滿足相關規(guī)范和標準[5]。

1.4 基于上述分析的問題解決方案

基于上述分析，明確了巡檢機器人的類型選擇，并結合實際應用場景規(guī)定了技術要求，最終在海上某無人駐守平臺選用了符合要求的某種懸掛式軌道智能巡檢機器人(以下簡稱“巡檢機器人”)，其具體情況如下。

1.4.1 系統(tǒng)組成和組網(wǎng)設計

巡檢機器人系統(tǒng)依托于油田開發(fā)時鋪設的海底光纖與中心平臺進行數(shù)據(jù)交互，中心平臺和無人駐守平臺各設有交換機進行數(shù)據(jù)傳輸，巡檢機器人與中心平臺的數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性和可靠性較高。在中心平臺設有配備客戶端的遠程工作站，從而實現(xiàn)對機器人的現(xiàn)場操控、數(shù)據(jù)轉存和分析等功能。

1.4.2 巡檢機器人的軌道、供電和本體

針對配電間空間和盤柜布局等情況，將巡檢機器人的軌道設置為環(huán)繞低壓盤和中壓盤布置，從而最大限度地監(jiān)控電氣間的主要電氣設備。

巡檢機器人的軌道采用高強度合金鋁，為應對海上的特殊環(huán)境，采用陽極化防腐設計，其IP等級優(yōu)于IP23，軌道轉彎處采用可拼接的U型彎和S型彎可適用于不同環(huán)境配電間的標準化軌道拼接安裝，利于向其他應用場景推廣。

巡檢機器人的供電系統(tǒng)采用依托于軌道內的T型銅排供電，機器人接觸電極與T型銅排連接，接觸電極下裝有彈簧裝置，可保證任何情況下不會斷電，進一步保障了巡檢機器人供電的可靠性。

機器人本體為了實現(xiàn)上述技術要求，配備了各類傳感器來實現(xiàn)功能，包括用于機器人行走和轉動的升降機構、監(jiān)測機構、雙視手臂、行走機構、限位輪、激光定位裝置、雷達系統(tǒng)等，此外還包括紅外攝像機、局放傳感器、揚聲器等。這些構件保證了巡檢機器人各功能的實現(xiàn)和執(zhí)行任務的準確性和可靠性。

1.4.3 遠程工作站

在中心平臺中控室設置遠程工作站，電氣人員可以與巡檢機器人實現(xiàn)聯(lián)動控制。在客戶端上可以通過報表系統(tǒng)準確反映出機器人本體采集的圖像信息和自主識別的各類表計的運行數(shù)值、盤柜表面溫度和是否存在異常的診斷信息等。

2 智能巡檢機器人的實際應用

2.1 現(xiàn)場智能巡檢情況

(1)巡檢機器人按巡檢路徑，每隔8 h對電氣間進行全面巡檢，一天內可完成巡檢三次。

(2)機器人本體的高清攝像頭可對盤柜上的電流表、電壓表、開關狀態(tài)等進行檢測和自主識別，并在報告中判斷是否處于異常狀態(tài)。

(3)紅外熱成像可以對盤柜表面溫度進行測量并自主識別，判斷是否存在隱患。

(4)局放傳感器可以有效發(fā)現(xiàn)內部絕緣缺陷并精確定位故障位置，并在后臺生成趨勢分析報告和報警提示，確保設備安全運行。

(5)對現(xiàn)場盤柜聲音和房間環(huán)境氣體進行實時監(jiān)測。

2.2 巡檢報告系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析診斷

巡檢機器人投入運行以來，運行狀態(tài)穩(wěn)定，報告內巡檢數(shù)據(jù)識別準確率經(jīng)統(tǒng)計確實可達95%以上，數(shù)據(jù)的準確性可以得到保障，可以作為判斷電氣間配電系統(tǒng)運行是否正常的依據(jù)。

2.3 取得成果

在實際應用中我們發(fā)現(xiàn)，巡檢機器人依托于其高度的集成化水平，代替了傳統(tǒng)的人工巡檢，功能完善并具有多方面優(yōu)勢，具體應用成果如下：

(1)巡檢機器人可以對電氣間進行高效率的巡檢，可代替每日的人工例行巡檢，從而有效降低人工巡檢的人力成本，為后期有相關需求的無人平臺提供了借鑒。

(2)遠程工作站配備的客戶端可以對巡檢數(shù)據(jù)進行存儲、分析和診斷，能夠及時發(fā)現(xiàn)設備隱患，從而預留出檢修時間，有效解決人工巡檢帶來的滯后性，提高了無人平臺的智能化水平。

(3)巡檢機器人具有全自動和遠程遙控兩種模式，電氣操作人員能夠隨時介入機器人的控制。同時機器人能夠部分代替房間內的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和火氣報警系統(tǒng)，從而提高了無人平臺設備的集成化水平，方便了中心平臺人員對無人平臺的現(xiàn)場監(jiān)控。

3 結語

通過深入分析，優(yōu)化選型，探究無人平臺配電系統(tǒng)應用巡檢機器人的核心技術要求，從而得出了完善的問題解決方案，成功將軌道式智能巡檢機器人應用到無人平臺配電系統(tǒng)中，基本替代了人工巡檢模式，取得了良好的應用效果，是海上油田無人平臺相關方面的首次嘗試，為后續(xù)海洋石油滾動開發(fā)及平臺的無人化發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗。

同時，智能化巡檢機器人要充分考慮平臺的無人化需求，依托科技的日趨進步，通過功能的不斷完善和多種類型機器人的廣泛應用，使巡檢更加便捷、高效。在國家號召石油企業(yè)大力提升油氣勘探開發(fā)各項工作的當下，智能巡檢機器人必將在海洋石油領域擁有廣闊的應用前景。