無(wú)軌智能巡檢機(jī)器人在國(guó)內(nèi)某海上平臺(tái)首次應(yīng)用

易偉，陳剛，李德偉

（中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，海南海口570100）

某海上平臺(tái)積極開展油氣裝置智能化建設(shè)，首次引入無(wú)軌防爆智能巡檢機(jī)器人。有別于常規(guī)的傳統(tǒng)巡檢主要是通過(guò)人工對(duì)設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行是否異常進(jìn)行評(píng)估判斷，其借助機(jī)器人系統(tǒng)“智能巡檢、過(guò)程分析和后臺(tái)管理”等功能的發(fā)揮，可實(shí)現(xiàn)按照既定路線進(jìn)行自主巡檢、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)，異常自動(dòng)報(bào)警提示，人工遙控開展特定偵查，自動(dòng)生成報(bào)表及自主充電等多項(xiàng)功能，該項(xiàng)無(wú)軌智能巡檢機(jī)器人智能巡檢尚屬國(guó)內(nèi)海上油氣生產(chǎn)裝置的首次應(yīng)用。

1 海上平臺(tái)巡檢機(jī)器人需求分析

海上平臺(tái)為油氣生產(chǎn)設(shè)施，屬易燃易爆場(chǎng)所。因此，巡檢機(jī)器人除了要具備日產(chǎn)巡檢功能以外，還必須滿足平臺(tái)所在危險(xiǎn)區(qū)環(huán)境CLASS 1 DIVISON 1 GROUP D防爆等級(jí)的要求。同時(shí)海上氣候條件惡劣，機(jī)器人整體防護(hù)等級(jí)不得低于IP55。[1]其外海上平臺(tái)為全鋼結(jié)構(gòu)，空間狹小，設(shè)備繁多，生產(chǎn)設(shè)備分橇塊分區(qū)域安裝各層甲板面上，設(shè)備上的儀器儀表根據(jù)測(cè)量需求分散在高低不同位置各異的不同空間，這些都給機(jī)器人巡檢帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。在選擇機(jī)器人的通訊方式、導(dǎo)航方式和工作原理時(shí)，要充分考慮鋼結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的干擾和導(dǎo)航方式的影響，同時(shí)海上平臺(tái)自動(dòng)關(guān)斷信號(hào)多，要防止機(jī)器人通訊信號(hào)對(duì)關(guān)斷信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)，避免觸發(fā)平臺(tái)生產(chǎn)關(guān)停。

1.1 巡檢機(jī)器人選型

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主行走，導(dǎo)航技術(shù)是關(guān)鍵。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的智能機(jī)器人導(dǎo)航方式主要有電磁導(dǎo)航、磁條導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航等[2]，結(jié)合海上平臺(tái)實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)比分析不同導(dǎo)航方式的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)[3]，最終平臺(tái)選擇了激光自然導(dǎo)航的方式，該方式能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的巡檢路線，且不需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行任何改動(dòng)，滿足巡檢要求。

1.2 巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)組成

該智能巡檢機(jī)器人由四大模塊組成：無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)、巡檢機(jī)器人、站控系統(tǒng)、智能充電房，如圖1所示。下面做簡(jiǎn)要介紹：

圖1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

（1）無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人站控操作系統(tǒng)對(duì)巡檢機(jī)器人的可靠連接。保證機(jī)器人具備安全、穩(wěn)定、可靠的無(wú)線通信功能，可與人機(jī)交互軟件、中控室調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

（2）機(jī)器人站控系統(tǒng)

站控系統(tǒng)是機(jī)器人自動(dòng)控制與人機(jī)交互的核心，系統(tǒng)支持兼容使用模式，即可用一個(gè)后臺(tái)控制多個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)回傳獲取的數(shù)據(jù)，后臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)不同的機(jī)器人身份地址進(jìn)行區(qū)別，分析處理后在不同頁(yè)面呈現(xiàn)供工作人員查看。

（3）巡檢機(jī)器人

由車載控制系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航行走，主動(dòng)避障和防碰撞，自主完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處置。機(jī)器人配置無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，可將采集到的數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行深入分析。

（4）智能充電房

機(jī)器人的自動(dòng)充電過(guò)程在智能充電屋內(nèi)完成，由機(jī)器人充電樁提供充電電能。該過(guò)程可程序進(jìn)行設(shè)定，全程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人充電能量補(bǔ)給。

2 巡檢機(jī)器人的主要功能及應(yīng)用

2.1 巡檢機(jī)器人建設(shè)過(guò)程

無(wú)軌智能巡檢機(jī)器人的建設(shè)包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和機(jī)器人調(diào)試，基礎(chǔ)建設(shè)主要是現(xiàn)場(chǎng)巡檢設(shè)備改造、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭設(shè)、充電房建設(shè)、氣象站安裝等，機(jī)器人調(diào)試主要是地圖巡檢路線構(gòu)建、設(shè)備建模和軟件功能優(yōu)化等[4]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和功能應(yīng)用

（1）智能表計(jì)識(shí)別

防爆巡檢機(jī)器人具備閥門開關(guān)狀態(tài)，壓力表、盤式溫度計(jì)、磁浮子液位計(jì)等的示值進(jìn)行自動(dòng)拍攝和分析的功能。通過(guò)自有產(chǎn)權(quán)的表計(jì)識(shí)別函數(shù)，能夠自動(dòng)進(jìn)行圖像灰質(zhì)轉(zhuǎn)化，提取關(guān)鍵信息，進(jìn)行識(shí)別獲得表計(jì)數(shù)據(jù)。

（2）溫度檢測(cè)

系統(tǒng)搭載紅外線熱像儀，根據(jù)紅外熱成像原理，能準(zhǔn)確檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的表面溫度。同時(shí)在后臺(tái)監(jiān)控界面上，準(zhǔn)確顯示當(dāng)前運(yùn)行溫度，如果溫度值超出預(yù)先設(shè)定閾值，則會(huì)發(fā)出警報(bào)。

（3）泄漏檢測(cè)

防爆巡檢機(jī)器人使用可燃?xì)怏w檢測(cè)、高清可見光相機(jī)、紅外熱成像相機(jī)、高清聲音采集等多個(gè)高性能傳感器，可從可視圖像、非可視光譜、聲音等多個(gè)維度綜合評(píng)判管路狀態(tài)，檢測(cè)是否有跑冒滴漏危險(xiǎn)發(fā)生，并報(bào)警及時(shí)上報(bào)中控室。

（4）動(dòng)設(shè)備聲音狀態(tài)識(shí)別

聲音分析功能主要是通過(guò)機(jī)器人本體上的聲音采集系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)樣本聲音進(jìn)行快速傅里葉變換算法，在時(shí)域和頻域兩種維度上進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較與分析，判斷是否處于正常工作狀態(tài)。

（5）自主巡檢

機(jī)器人應(yīng)可進(jìn)行定時(shí)巡檢、定點(diǎn)巡檢、定任務(wù)巡檢等多種巡檢方式。常用的定點(diǎn)巡檢可以根據(jù)指定的路徑和指定的巡檢目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)勻速巡檢，只需要設(shè)定巡檢路徑并啟動(dòng)自動(dòng)巡檢即可使機(jī)器人自動(dòng)完成一次巡檢，并自動(dòng)記錄并保存所采集到的數(shù)據(jù)至管理平臺(tái),按需生成巡檢分析報(bào)告。

（6）遙控巡檢

除機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行例行巡檢外，還可以通過(guò)人工遙控巡檢的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控。該項(xiàng)應(yīng)用模式適用于運(yùn)維人員以及管理單位需要對(duì)某類設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行鎖定與監(jiān)測(cè)，尤其對(duì)于在機(jī)器人自主巡檢過(guò)程中如檢測(cè)到設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)異常并向運(yùn)維人員告警時(shí)，運(yùn)維人員可以在第一時(shí)間操控機(jī)器人快速到達(dá)異常設(shè)備位置，對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行查看并核實(shí)報(bào)警信息。

（7）安全避障

機(jī)器人共配置3級(jí)安全避障傳感器，第一級(jí)為機(jī)器人運(yùn)行路徑上的超聲傳感器、激光傳感器、視覺(jué)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到距離障礙物（默認(rèn)100cm，可配置50～150cm），觸發(fā)減速，低速運(yùn)行；第二級(jí)為檢測(cè)到距離障礙物（默認(rèn)50cm，可配置20～80cm），機(jī)器人觸發(fā)停車；第三級(jí)為觸邊的傳感器觸發(fā)，機(jī)器人緊急停車。第一、二級(jí)引起的“避障狀態(tài)”，可以自主恢復(fù)，第三級(jí)引起的“避障狀態(tài)”不可自主恢復(fù)，需要人工介入排除觸發(fā)條件后，需重啟恢復(fù)[5]。

2.3 巡檢機(jī)器人效果評(píng)估

（1）導(dǎo)航穩(wěn)定性測(cè)試

通過(guò)連續(xù)的循環(huán)任務(wù)執(zhí)行，測(cè)試記錄機(jī)器人的行駛到點(diǎn)準(zhǔn)確性，全場(chǎng)定位置信度，統(tǒng)計(jì)測(cè)算機(jī)器人的穩(wěn)定性。導(dǎo)航行駛到點(diǎn)準(zhǔn)確率達(dá)到92%以上，全場(chǎng)定位的置信度在80%以上（特殊區(qū)域除外）。

（2）儀表識(shí)別準(zhǔn)確性測(cè)試

機(jī)器人具備高效、精確的圖像識(shí)別功能，可根據(jù)高清可見光相機(jī)拍攝到的畫面，自動(dòng)識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度等指針儀表和數(shù)字儀表讀數(shù)，自動(dòng)判斷閥門狀態(tài)。操作人員需要調(diào)教“云臺(tái)方向數(shù)據(jù)（云臺(tái)朝向）”、“相機(jī)調(diào)焦與對(duì)焦數(shù)據(jù)”、“提取圖像特征點(diǎn)”、“對(duì)比結(jié)果參數(shù)”等多種參數(shù)與動(dòng)作，最終獲取到準(zhǔn)確的識(shí)別結(jié)果。經(jīng)過(guò)連續(xù)30次以上的巡檢任務(wù)統(tǒng)計(jì)，儀表識(shí)別的準(zhǔn)確性由初期的70%左右，最后穩(wěn)定到90%以上。

（3）機(jī)器人耗電量測(cè)試

機(jī)器人在連續(xù)30次以上的巡檢任務(wù)，匯總分析數(shù)據(jù)得到單次任務(wù)耗電量不大于20%，機(jī)器人滿電狀態(tài)下，綜合續(xù)航可達(dá)到6小時(shí)。在智能充電房?jī)?nèi)每小時(shí)增加電量28%，充滿電后自動(dòng)斷開連接。

（4）智能分析診斷功能

通過(guò)配套的站控軟件可以對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，包括機(jī)器人定位、巡檢路徑、實(shí)時(shí)畫面和報(bào)警狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警功能；可以給機(jī)器人下達(dá)正常巡檢、特例巡檢和導(dǎo)航到點(diǎn)等任務(wù)，且能手動(dòng)操作機(jī)器人行走、云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、攝像機(jī)變焦，讓機(jī)器人成為現(xiàn)場(chǎng)的“眼睛”，按需巡檢；操作人員還可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置報(bào)警界限，設(shè)置檢修區(qū)以及重新定位等，實(shí)現(xiàn)便捷維護(hù)功能；巡檢結(jié)束后自動(dòng)生成巡檢報(bào)表，對(duì)巡檢結(jié)果進(jìn)行診斷剖析，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)表生成功能。

3 應(yīng)用情況及優(yōu)化改進(jìn)

經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行時(shí)間，機(jī)器人整體運(yùn)行穩(wěn)定，基本實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人按照既定的路線、頻次和需要檢修的項(xiàng)目的巡檢任務(wù)，也能在自動(dòng)充電和信息傳遞方面實(shí)現(xiàn)既定的功能，但在下述方面還需從技術(shù)方面進(jìn)一步優(yōu)化。

（1）機(jī)器人巡檢還存在一定的盲區(qū)

較遠(yuǎn)的指針儀表和數(shù)字儀表距離機(jī)器人巡檢路徑較遠(yuǎn)，且有的位置的難以移改，高處和角落的閥門管線等無(wú)法更改固定位置來(lái)適應(yīng)巡檢機(jī)器人的視角，同時(shí)也有遮擋的情形出現(xiàn)。對(duì)于此類區(qū)域，機(jī)器人無(wú)法精確的進(jìn)行圖像識(shí)別、熱成像和紅外探測(cè)。

（2）激光避障功能存在誤差

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，常規(guī)的風(fēng)雨天氣，機(jī)器人能正常實(shí)現(xiàn)避障功能。但當(dāng)風(fēng)雨因?yàn)轱L(fēng)向改變，較大雨點(diǎn)直接碰在其激光探頭上時(shí)，會(huì)影響機(jī)器人激光避障功能的準(zhǔn)確性，造成機(jī)器人激光避障故障報(bào)警停機(jī)，后續(xù)需要進(jìn)一步改善避障的排除雨滴等天氣因素的功能。

（3）數(shù)據(jù)建模復(fù)雜繁瑣

需要對(duì)同一個(gè)儀表進(jìn)行反復(fù)多次的取樣拍攝，然后總結(jié)出數(shù)據(jù)模型，對(duì)于一些受環(huán)境影響（比如出現(xiàn)反光，視角不佳，圖像變形等）嚴(yán)重的儀表，還要進(jìn)行針對(duì)性代碼修改與優(yōu)化，當(dāng)前無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的直取度數(shù)，儀表讀取是根據(jù)其顯示的位置得出量程后臺(tái)運(yùn)算得出值。如果現(xiàn)場(chǎng)指針儀表故障，更換儀表類型或安裝時(shí)方向變化還需重新建模才能讓機(jī)器人識(shí)別。

4 應(yīng)用前景展望

無(wú)軌智能巡檢機(jī)器人在海上平臺(tái)的首次應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了初步的替代人工巡檢的基礎(chǔ)功能，具備了在海上平臺(tái)應(yīng)用的基本條件，可局部替代人工實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)智能巡檢、全時(shí)域巡檢，極大地降低崗位員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和現(xiàn)場(chǎng)管理水平。后續(xù)可嘗試關(guān)注巡檢區(qū)域擴(kuò)展、巡檢路線優(yōu)化、系統(tǒng)一體化建設(shè)和人機(jī)結(jié)合等方面的推廣建設(shè)，將巡檢機(jī)器人系統(tǒng)與現(xiàn)有操作系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合。如巡檢機(jī)器人巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常自動(dòng)與操作站參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)聲音異常自動(dòng)與振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)油氣泄漏或火情自動(dòng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化管理程度，為智能巡檢機(jī)器人的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。