基于5G技術(shù)的自動駕駛技術(shù)在凈化廠無人巡檢模式中的應(yīng)用探索

牛旻 王滔 何楊 黃騫 楊海波

【關(guān)鍵詞】天然氣凈化;無人巡檢;自動駕駛;5G

天然氣凈化是天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，屬于能源行業(yè)和流程行業(yè)。對天然氣凈化廠日常管理工作而言，安全生產(chǎn)是最重要的事情，巡檢工作是非常必要且不可少的一項基本工作，是保證天然氣廠區(qū)的凈化裝置、管線安全平穩(wěn)運(yùn)行和周邊人員工作安全的前沿防線。它能及時發(fā)現(xiàn)天然氣凈化裝置存在的隱患或異常，并聯(lián)動相關(guān)人員進(jìn)行快速處置，可以使突發(fā)事故事件的可能性降到最低。同時還能減少事故發(fā)生后的搶修工作量，有利于降低整體搶維修成本，保證凈化裝置處于良好運(yùn)行狀態(tài)，在提高天然氣凈化設(shè)備可用率的同時，避免由于發(fā)現(xiàn)不及時導(dǎo)致的凈化裝置停車等生產(chǎn)安全事故所帶來的負(fù)面影響。所以，急需一種基于無線通信技術(shù)的無人自動巡檢技術(shù)應(yīng)用于天然氣凈化生產(chǎn)的安全管理業(yè)務(wù)。隨著公司“十四五”產(chǎn)能的持續(xù)穩(wěn)步提升，天然氣凈化分廠數(shù)量將有所增加。處理量也會不斷加大，尤其是高含硫天然氣的處理量在逐步增加;在未來減員增效的整體形勢下，依靠傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理模式已經(jīng)難以支撐分公司及總廠的生產(chǎn)目標(biāo)和戰(zhàn)略發(fā)展，急需借助先進(jìn)的數(shù)字化、智能化技術(shù)，大力推進(jìn)基于5G通信技術(shù)的無人值守和無人巡檢模式，保證安全生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)、高效生產(chǎn)。

（一）現(xiàn)有巡檢方式

天然氣凈化廠工藝區(qū)主要包括過濾分離裝置、脫硫裝置、脫水裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置、硫磺成型裝置、火炬及放空系統(tǒng)、污水處理裝置、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、空氣氮?dú)庀到y(tǒng)、消防水系統(tǒng)等功能裝置。在天然氣凈化廠，巡檢是指在規(guī)定時間內(nèi)按照規(guī)定頻次對廠區(qū)內(nèi)的工藝裝置、工藝參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢查并比對核實，對各類機(jī)械設(shè)備（靜設(shè)備、動設(shè)備、壓力管道等）、電氣設(shè)備（電機(jī)、配電設(shè)備、供電線路等）、自動控制儀表以及基建設(shè)施的工作情況和完好性進(jìn)行目視查看或借助設(shè)備、儀器、工具進(jìn)行現(xiàn)場簡單診斷，以確認(rèn)其可靠性和完好性。

目前，天然氣凈化廠巡檢模式仍采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，巡檢頻率為每兩小時巡檢一次，通過手動掛牌設(shè)置標(biāo)記方式來體現(xiàn)巡檢工作的完成情況，從而督促員工及時巡檢，確保巡檢質(zhì)量，同時也便于對巡檢工作的監(jiān)督檢查。以川中某大型凈化廠為例，裝置區(qū)內(nèi)設(shè)有若干巡檢點(diǎn)，在每個巡檢點(diǎn)都設(shè)置有巡檢點(diǎn)位;巡檢人員按照規(guī)定時間和規(guī)定線路依次到達(dá)指定巡檢點(diǎn)位對設(shè)備設(shè)施和管線進(jìn)行人工檢查;當(dāng)巡檢人員按時到達(dá)巡檢點(diǎn)位時，按規(guī)范要求檢查巡檢項，并打卡完成巡檢任務(wù)。巡檢人員基本依靠電瓶車進(jìn)行現(xiàn)場巡檢，該廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有值班電瓶車21臺，按照巡檢要求，7個巡檢組每兩小時巡檢一次，年出車量近4萬趟次。

（二）現(xiàn)有巡檢模式的弊端

雖然現(xiàn)有人工巡檢模式在保障天然氣凈化廠生產(chǎn)和安全方面發(fā)揮了重要作用，但這種工作方式仍存在多項弊端：

1.員工巡檢內(nèi)容多，工作量大，長時間且周期性的重復(fù)性工作易使員工的工作效率和工作質(zhì)量降低。

2.由于天然氣凈化廠具有有毒有害、高溫高壓、易燃易爆等特點(diǎn)，生產(chǎn)操作環(huán)境危險，工作人員的生命安全存在較大隱患，現(xiàn)場巡檢時，工作人員不能夠長期高頻率地暴露在危險環(huán)境中。

3.現(xiàn)有人工巡檢的工作質(zhì)量受外部原因影響較大，包括天氣和環(huán)境因素等，尤其是夜間和雷雨天氣;受人為因素影響也比較大，巡檢質(zhì)量與巡檢人員的業(yè)務(wù)水平、工作經(jīng)驗、態(tài)度、責(zé)任心和精神狀態(tài)有密切關(guān)系，不能完全保障巡檢質(zhì)量和巡檢效率。

4.巡檢內(nèi)容多、巡檢頻次高，每組兩人，每次一組，電瓶車使用頻率高，且占用人力資源也較高，整體工作效率低。

（三）需求分析

1.無人巡檢：對現(xiàn)場巡檢進(jìn)行無人化建設(shè)，全面使用機(jī)器人、無人機(jī)等巡檢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢方式，最大限度避免人員出現(xiàn)在高危險區(qū)域，特別是高含硫的分廠。通過增設(shè)智能儀表和視頻監(jiān)控手段，通過遠(yuǎn)傳智能儀表數(shù)據(jù)分析和視頻監(jiān)控畫面識別分析實現(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢。

2.無人值守：利用5G技術(shù)、智能傳感器、視頻監(jiān)控、智能圖像識別、智能報警等技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控與控制，從而取代現(xiàn)場人員實時值守的工作模式。

3.加強(qiáng)生產(chǎn)管控：加強(qiáng)對生產(chǎn)工藝參數(shù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控，以及集成移動監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)控，不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)應(yīng)急指揮而且可以對移動生產(chǎn)施工進(jìn)行安全監(jiān)視。

4.提高能源利用效率：利用智能駕駛和后臺算法，優(yōu)化電瓶車巡檢路線，減少出動次數(shù)，大幅度減少電力能耗，達(dá)到減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

5.生產(chǎn)過程異常預(yù)測預(yù)警：實時監(jiān)控生產(chǎn)全過程，特別是臨時移動性的作業(yè)，自動辨識生產(chǎn)狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)、分析和判斷影響生產(chǎn)狀態(tài)的因素，在異常發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警，最大限度降低事故發(fā)生概率及后果嚴(yán)重程度。

近年來，自動駕駛技術(shù)發(fā)展非常迅速，不僅將智能交通變?yōu)楝F(xiàn)實，也將自動駕駛變成了可能。同時，自動駕駛也是當(dāng)前全球汽車與交通出行領(lǐng)域智能化和網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的主要方向，其獨(dú)特優(yōu)勢將在未來的交通中具有重要的價值。對于工業(yè)企業(yè)特別是封閉式的廠區(qū)。自動駕駛優(yōu)勢，一是提升行駛安全，降低事故率。絕大多數(shù)交通事故是人為因素造成的，特別是對于24小時運(yùn)行的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。自動駕駛車輛依托雷達(dá)傳感器和攝像頭來實現(xiàn)對車輛的接管控制，能夠避免人為因素而導(dǎo)致的操作失誤。二是降本增效。自動駕駛車輛將減少廠區(qū)駕駛員數(shù)量，不需要花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行駕駛員培訓(xùn)、巡檢和相關(guān)安全管理工作。同時自動駕駛車輛會不斷地監(jiān)控道路狀況，和其他作業(yè)活動互聯(lián)互通，對道路情況提前預(yù)判，減少剎車、暴力駕駛、不當(dāng)駕駛的次數(shù)，降低車輛維修頻次和成本。三是全天候自助派車和駕駛，降低車輛調(diào)度工作強(qiáng)度。

5G通信技術(shù)作為新一代移動通信技術(shù)具有高帶寬、低延時的特點(diǎn)，滿足自動駕駛等垂直領(lǐng)域的發(fā)展要求。自動駕駛技術(shù)是未來汽車發(fā)展的主要方向之一，自動駕駛將依靠5G技術(shù)為載體，而5G技術(shù)的成熟也大大提升了自動駕駛技術(shù)的駕駛體驗和安全性，兩者在未來一定是相輔相成的，未來發(fā)展前景也必將更加可觀。

（一）巡檢智能車輛

針對凈化廠的電瓶巡檢車輛，對車輛進(jìn)行改動，加裝針對業(yè)務(wù)場景的巡檢功能模塊，通過智能車輛的先天優(yōu)勢。為廠區(qū)內(nèi)巡檢工作提供新的終端，實現(xiàn)具有限制條件的無人駕駛（層次3）與全工況無人駕駛（層次4）的功能，降低人工成本，完善監(jiān)測系統(tǒng)。智能車輛技術(shù)架構(gòu)分成以下子系統(tǒng)：環(huán)境感知部分包括車輛狀態(tài)感知（GPS、陀螺儀/電子羅盤、其他車載傳感器），外部目標(biāo)感知（攝像頭、LiDAR、Radar），車道感知（攝像頭），交通標(biāo)志感知（攝像頭），駕駛員狀態(tài)感知，來自通信系統(tǒng)的外部目標(biāo)感知及交通標(biāo)志感知（DSRC）。模型預(yù)測部分，外部目標(biāo)的多傳感器觀測的融合與跟蹤，獲得外部目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)（位置、速度、加速度）。態(tài)勢評估部分，根據(jù)外部目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)估計其威脅?？刂茮Q策部分，車輛行為決策與局部路徑規(guī)劃形成車輛駕駛決策?？刂茍?zhí)行部分，具體車輛的縱橫向控制命令序列。業(yè)務(wù)功能模塊部分，毫米波雷達(dá)和攝像頭提高目標(biāo)或障礙物的感知精度，硫化氫的空氣含量的氣體檢測儀，檢測車輛所在區(qū)域聲音分貝的噪音檢測儀。

終端車輛采用分布式結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中的處理器為域控制器，通過CAN總線進(jìn)行連接。域控制器處理來自激光雷達(dá)、GNSS+INS、超聲波傳感器的信息，以應(yīng)對車輛自身狀態(tài)、外部環(huán)境的監(jiān)控;域控制器再通過CAN總線將命令下發(fā)給執(zhí)行器，執(zhí)行器來負(fù)責(zé)對車輛的控制，以實現(xiàn)障礙物避障、AEB等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能分配如圖：

在車輛前方布置超聲波傳感器。車輛上方設(shè)置激光雷達(dá)、組合導(dǎo)航、GPS天線，車輛后方布置倒車超聲波傳感器，以檢測車輛前后的環(huán)境，車內(nèi)安裝域控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及下發(fā)控制指令，以后根據(jù)需求可考慮加裝毫米波雷達(dá)或者光學(xué)傳感器，車輛硬件部署如圖：

（二）智能巡檢

針對凈化廠的巡檢任務(wù)，基于搭載視頻監(jiān)控，氣體環(huán)境監(jiān)測等智能設(shè)備的巡檢車輛，利用邊緣智能計算系統(tǒng)，對巡檢目標(biāo)對象進(jìn)行視頻智能分析識別，實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)自動識別、設(shè)備狀態(tài)自動檢查、管線跑冒滴漏自動檢查、周邊環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施自動檢查等，將檢測識別結(jié)果上傳至巡檢系統(tǒng)，代替人員現(xiàn)場巡檢。

通過車載的氣體檢測系統(tǒng)，自動監(jiān)測廠區(qū)內(nèi)環(huán)境，推送定位、發(fā)生泄漏的介質(zhì)、泄漏地點(diǎn)和泄漏大小等信息。當(dāng)應(yīng)急發(fā)生時，無人巡檢車輛駐點(diǎn)進(jìn)行實時監(jiān)測，主動推送現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)和視頻圖像等相關(guān)信息，實現(xiàn)應(yīng)急指揮“連得通、看得見、叫得應(yīng)”。

對于人員移動作業(yè)，搭載視頻監(jiān)控的無人巡檢車輛可以跟隨施工人員進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)管，避免事故的發(fā)生，同時增強(qiáng)移動信號，對人員進(jìn)行室外實時定位，保障人員的安全。

（三）無人巡檢管理平臺

無人巡檢管理運(yùn)維的數(shù)字化，實現(xiàn)巡檢車輛管理與巡檢任務(wù)系統(tǒng)的集成。通過算法優(yōu)化巡檢車輛的出動線路規(guī)劃，以及完成報表的自動生成，并實現(xiàn)車載搭載的各類智能設(shè)備的數(shù)據(jù)回傳并關(guān)聯(lián)到工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、儀表設(shè)備管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)。對現(xiàn)場所有問題、隱患、事故事件的可追溯閉環(huán)，成為智能終端和后端各類系統(tǒng)的橋梁，實現(xiàn)生產(chǎn)和生產(chǎn)輔助管理功能。

針對天然氣凈化廠生產(chǎn)實際需求和巡檢人員、巡檢車輛的管理需求，開展的基于5G技術(shù)的天然氣凈化廠智能巡檢技術(shù)應(yīng)用研究和試點(diǎn)應(yīng)用取得了良好效果，主要體現(xiàn)在表1幾方面。

基于5G技術(shù)的自動駕駛技術(shù)，搭載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，增加環(huán)境監(jiān)測等業(yè)務(wù)模塊，搭建無人巡檢管理平臺，應(yīng)用計算機(jī)信息系統(tǒng)手機(jī)數(shù)據(jù)等方式，實現(xiàn)天然氣凈化廠無人巡檢模式，實現(xiàn)對人工巡檢內(nèi)容和巡檢范圍的全覆蓋。無人巡檢模式的實用化可以有效降低操作人員高頻率地暴露在危險工作環(huán)境中的安全風(fēng)險;提高勞動效率，降低勞動強(qiáng)度，減少重復(fù)性工作的頻次，節(jié)約企業(yè)人力資源，優(yōu)化人工記錄表格，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時化無紙化，推進(jìn)智能天然氣凈化廠建設(shè)。