淺析海洋油氣平臺安全巡檢機器人應(yīng)用

陳土順 馮猛 張林 陳超核 譚綸

摘 ? ?要：隨著產(chǎn)業(yè)智能化升級，近年來海上油氣平臺信息化與無人化建設(shè)不斷推進，機器人在海上油氣田開發(fā)中的應(yīng)用越來越受到重視。目前海洋機器人主要應(yīng)用于水下智能探測作業(yè)，但在海上油氣平臺的應(yīng)用還處于起步和探索階段。本文對海洋油氣平臺安全巡檢機器人的現(xiàn)狀進行了分析，并對海上平臺安全巡檢機器人的基本功能要求以及主要適用場景進行論述。最后展望了巡檢機器人在海洋油氣平臺安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機器人；巡檢；海洋油氣平臺；平臺安全

中圖分類號：TE58 ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Research on the Application of Safety Inspection Robot for

Offshore Oil and Gas Platform

Chen Tushun1， ?Feng Meng1， ?Zhang Lin2， ?Chen Chaohe3， ?Tan Lun3

（ 1.CNOOC Safety & Technology Services Co.， Ltd.， ?Zhanjianag 524057; ? 2.CNOOC （Guangdong） Safety & Health Technology Co.， Ltd.，

Zhanjiang 524057; ? 3.College of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510641 ）

Abstract： With the upgrading of industrial intelligence， the informatization and unmanned construction of offshore oil and gas platforms have been promoted in recent years， and the application of robots in offshore oil and gas development has attracted more and more attention.At present， ocean robots are mainly used for underwater intelligent detection and operations， but their application on offshore oil and gas platforms is still in the initial and exploratory stage. In this paper， the research status of offshore oil and gas platform safety inspection robot is analyzed， and the basic functional requirements and main application scenarios of offshore inspection robot are discussed. Finally， the application prospect of inspection robot in offshore oil and gas platform safety inspection is prospected.

Key words： Robot; Inspection; Offshore oil and gas platform; Platform security

1 ? ? 前言

目前智能安全巡檢機器人在海上油氣平臺的應(yīng)用還處于起步和探索階段，因此有必要對海洋油氣平臺安全巡檢機器人應(yīng)用進行深入研究分析，挖掘安全巡檢機器人的應(yīng)用場景和功能需求，從而為海洋油氣平臺無人化安全巡檢進行技術(shù)積累。

近年來，我國開展了一系列的陸地設(shè)施安全、消防等方面的巡檢機器人的研究，但對海上油氣設(shè)施的安全巡檢機器人沒有引起足夠的重視。為此，本文對海上油氣設(shè)施的安全巡檢機器人的應(yīng)用前景、應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用場景、功能要求以及結(jié)構(gòu)形式展開研究分析，有助于實現(xiàn)海上油氣設(shè)施的安全巡檢機器人的應(yīng)用。

2 ? ?安全巡檢機器人研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

決定海上平臺安全巡檢機器人應(yīng)用前景的關(guān)鍵，在于它所具備的功能能否契合平臺的實際需求、改善運營成本、替代部分人力、工作效率高等[1]。在海洋石油生產(chǎn)平臺領(lǐng)域，自動化智能裝備多在海底管線鋪設(shè)或在鉆完井等階段得到運用，其他方面的運用還有待提高。伴隨著數(shù)字化油田建設(shè)，各上游公司也越來越重視大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中所起的作用，機器人因其在危險且惡劣環(huán)境執(zhí)行任務(wù)的能力、超強的數(shù)據(jù)存儲和處理能力、遠程大容量通信能力、結(jié)合云平臺的能力，結(jié)合其他無人系統(tǒng)（如水下、空中無人系統(tǒng)）組網(wǎng)的能力更加放大了平臺巡檢機器人相較人工的優(yōu)勢，未來也是提升油氣田生產(chǎn)效率的重要途徑。此外，海洋油氣企業(yè)近年來在大力推進無人平臺建設(shè)，利用在線監(jiān)測與機器人巡檢代替人工巡檢，未來將有越來越多的安全巡檢機器人在平臺上應(yīng)用，機器人巡檢也將是未來平臺巡檢的重要手段。

目前國內(nèi)外已經(jīng)投入應(yīng)用的海上油氣巡檢機器人主要有四種：輪式機器人、軌道式機器人、履帶式機器人以及四足機器人。這四種機器人的主要區(qū)別在于移動方式，但該區(qū)別卻影響著核心功能的發(fā)揮。

2. 1 ?輪式機器人

輪式機器人采用四輪驅(qū)動的移動方式，適用于平面且寬敞的空間檢查[2]。其主要優(yōu)點：（1）移動速度快；（2）原理簡單；（3）維修方便。主要缺點：（1）通過能力差；（2）轉(zhuǎn)彎半徑大；（3）容易打滑；（4）自穩(wěn)性差、重心高；（5）無法搭載較高的云臺及機械臂等，檢測范圍小；（6）輪子容易被障礙物卡死；（7）故障率高；（8）傾倒后難以恢復；（9）無法執(zhí)行爬梯等復雜運動；（10）需要為其設(shè)置特殊的通道。

輪式巡檢機器人多用于陸地變電站、工廠等場所[2]。作為第一代自行移動式巡檢機器人，2014年首次被部署在殼牌北海油田。2012年，加拿大開發(fā)了一款基于人工遠程遙控的四輪式巡檢機器人，該機器人所搭載紅外攝像頭可在智能算法的控制下對鉆井平臺室內(nèi)變電站進行巡檢。

安森智能是一家致力于解決國內(nèi)油氣田安全巡檢問題的高新企業(yè)，其研發(fā)的輪式安全巡檢機器人（見圖1），搭載AGV導航技術(shù)，搭配激光遙測、紅外熱成像、聲波探測、可見光分析等核心模塊，可自動識別現(xiàn)場設(shè)備環(huán)境準確信息，并生成巡檢數(shù)據(jù)報告進行回傳。

2. 2 ?軌道機器人

軌道機器人是一種懸掛在特殊軌道上，來回穿梭往復式的儀表和環(huán)境監(jiān)視設(shè)備，主要用于室內(nèi)環(huán)境[3]。其主要優(yōu)點：（1）巡檢速度快；（2）故障率低；（3）原理簡單。主要缺點有：（1）對環(huán)境敏感，適合室內(nèi)；（2）需要安裝特殊軌道；（3）檢測范圍小，只能檢查寬闊區(qū)域；（4）功能單一；（5）占用大量通道空間。

2020年金濤[4]針對海上石油平臺電氣開關(guān)間巡檢任務(wù)量大、平臺配備專業(yè)人員少的問題，利用軌道式機器人對海上平臺開關(guān)間進行巡檢應(yīng)用研究，取得一定成果。該機器人可掛載各種傳感器，可對電氣間各類數(shù)據(jù)進行智能化分析，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺。2020年王朝卿[5]等設(shè)計了一款海洋石油無人井口平臺軌道式巡檢機器人（見圖2），該機器人具備紅外雙視融合等技術(shù)，可對平臺開關(guān)柜進行監(jiān)測，并形成圖像發(fā)送至后臺。2021年宋維廷等[6]針對海洋平臺電氣間巡檢問題進行開發(fā)設(shè)計，以軌道式巡檢機器人為技術(shù)依托，結(jié)合電力載波＋交換機方式完成機器人與中控室的信號傳輸。

2. 3 ? 四足機器人

它是采用四足移動的一種仿生機器人，是眾多機器人公司和應(yīng)用商競相研發(fā)的技術(shù)前沿[7]。由于其對復雜空間環(huán)境的適應(yīng)性好，具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前尚處于起步階段。其主要優(yōu)點：通過能力佳，空間適應(yīng)性強。主要缺點：移動速度慢；技術(shù)尚不成熟；負載能力有限；設(shè)計原理復雜。

2020年2月，AKER BP公司同波士頓動力公司合作，在北海平臺上部署了四足巡檢機器狗（見圖3）對平臺裝置進行多種檢測，為陸上操作中心提供海上設(shè)施的全景呈現(xiàn)，并可在緊急情況下協(xié)助人員撤離。

2. 4 ?履帶式機器人

它是針對復雜工作環(huán)境場景、負載要求、穩(wěn)性要求而設(shè)計的一種機器人，采用單段履帶、多段履帶式驅(qū)動，是國外油氣行業(yè)普遍采用的一種安全巡檢機器人。其主要優(yōu)點：（1）不易打滑；（2）牽引力大；（3）底盤穩(wěn)定；（4）轉(zhuǎn)彎半徑?。唬?）結(jié)實耐用；（6）移動速度適中；（7）通過性好；（8）可爬樓梯；（9）云臺臂高；（10）可代人輕型作業(yè)；（11）傾倒后容易恢復；（12）對空間要求低，移動靈活等。主要缺點：（1）轉(zhuǎn)彎慢；（2）噪音稍大。主要有TechnipFMC、道達爾、挪威國油等，其中以道達爾2018年舉辦的油氣行業(yè)巡檢機器人大賽最為著名，90%的參賽作品采用履帶驅(qū)動，充分證明了這種行駛方式的優(yōu)越性[8]。

海洋油氣平臺結(jié)構(gòu)復雜、通道狹窄、儀表種類多、密度大、布局不規(guī)整、管線錯綜、空間有限，因此要求智能安全巡檢機器人具備良好的通過性、小轉(zhuǎn)彎半徑、定點大范圍信息采集能力、較強的移動能力、較低的故障率以及能夠完全適應(yīng)海上室外環(huán)境要求。

目前輪式機器人在海油平臺上得到一些應(yīng)用，軌道式機器人也在陸上終端配電室得到部署。國內(nèi)目前暫未有海上履帶式巡檢機器人的應(yīng)用案例，但履帶式機器人在國外油氣運營商的平臺上卻備受歡迎，其能夠充分滿足海洋油氣平臺的特殊工況，代表著特種工業(yè)安全巡檢領(lǐng)域的主流模式和先進理念。

為了確保履帶式安全巡檢機器人的穩(wěn)定運行，前期可以在有人平臺上進行短期試驗，不斷優(yōu)化功能設(shè)置，待較為成熟后可在無人平臺上大規(guī)模應(yīng)用。

3 ? ?安全巡檢機器人的基本功能要求

鑒于海洋油氣生產(chǎn)的特殊環(huán)境，安全巡檢機器人大多需要在危險的環(huán)境中工作，并解決工人面臨的健康、安全和環(huán)境挑戰(zhàn)，因此海洋油氣平臺安全巡檢機器人需要具備以下功能：

（1）防爆

油氣生產(chǎn)最大的安全隱患是爆炸，特別是海洋油氣平臺結(jié)構(gòu)緊湊，空間有限，雖然在設(shè)計中考慮到通風要求，但仍然有很多區(qū)域容易發(fā)生易燃易爆氣體濃度超標，這些區(qū)域?qū)と耸菄乐氐奈ｋU隱患，任何操作失誤都可能引發(fā)火災、爆炸事故。巡檢機器人利用地圖信息和傳感器信息在平臺上自由移動，使用車載攝像頭讀取氣體濃度數(shù)據(jù)，并結(jié)合自身攜帶的氣體探測器，可以有效的對平臺所有空間范圍的氣體濃度情況繪制成圖，以便在災難發(fā)生前檢測出異常情況。

安全巡檢機器人的防爆技術(shù)研究，主要集中在防爆電動機、防爆外殼、動力電源三個方面：

① 防爆電機設(shè)計，包含結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝以及故障診斷。在防爆電機故障診斷方面，李偉鑫等[9]從對外部環(huán)境音頻進行識別入手，開發(fā)出采用音頻識別的防爆電動機故障監(jiān)測系統(tǒng)；

② 防爆外殼設(shè)計，近些年來輕薄性及加工的便利性越來越受到重視。安郁熙等[10]通過有限元的方法，分析出結(jié)構(gòu)不同鋼材對防爆外殼輕薄化的影響；

③ 動力電源方面，主流供電方式由以下幾種電池提供：磷酸鐵鋰電池；超級電容；磷酸鐵鋰電池并聯(lián)超級電容的混合電源。

（2）自動/遙控巡檢

平臺甲板上劃有安全通道，但其路線比較復雜，不易辨別方位；加之機電設(shè)備、臨時工具、障礙物繁雜，樓梯、艙室、臺階、地面隆起，以及狹小空間、雨雪冰凍天氣地面濕滑、火災煙霧、高溫高噪音、懸空作業(yè)、臺風等導致人員工作受限，這些因素不論對人工還是機器人巡檢都帶來了挑戰(zhàn)，也存在安全風險；相比起人工，機器人集成地圖導航和圖像識別、避障和路徑規(guī)劃、標記功能，即便工作種類再多也不會出現(xiàn)重復勞動，將空間情況實時記錄，反饋給中控，比人工的效率高很多，可確保工人遠離危險源。

安全巡檢機器人的巡檢系統(tǒng)向著模塊化、標準化以及高度集成化方向發(fā)展，其控制系統(tǒng)智能化和可靠性，對實現(xiàn)安全巡檢機器人自動/遙控巡檢起著至關(guān)重要的作用。如中科院沈陽自動化所設(shè)計的安全巡檢機器人，具有遙控和局部自主控制兩種工作模式。該巡檢機器人的遙控由地面遠端控制室發(fā)出指令完成，采用對機器人進行預編程與傳感器定位相結(jié)合的方法，機器人可以完成自主越障。

（3）信息收集與分析

海洋油氣平臺安全巡檢機器人，還應(yīng)具備以下功能：圖像音頻智能識別、智能讀數(shù)和記錄、高清攝像、熱成像、火災識別自動滅火、氣體探測、溫度濕度檢測、自動充電、故障報警等。

平臺上的生產(chǎn)設(shè)備眾多，很多時候需要通過聲音辨識設(shè)備的工作狀態(tài)、機器人集成音頻智能識別模塊，同時結(jié)合振動檢測功能，迅速地辨別出設(shè)備種類、工作是否正常、結(jié)構(gòu)是否可靠等；集成高清攝像頭，可以檢查油水泄露、腐蝕、記錄整體環(huán)境狀況；視覺識別便于智能讀取記錄儀表讀數(shù)、障礙物識別和規(guī)避、自主行動、資產(chǎn)狀況監(jiān)測、記錄和評估等；火災識別、氣體、溫度濕度探測、熱成像等功能，則更能體現(xiàn)出機器人的優(yōu)勢。

圖像識別技術(shù)，在巡檢機器人信息收集與分析過程中起著至關(guān)重要的作用。巡檢機器人的圖像識別任務(wù)，可以從兩方面開展：利用高清工業(yè)攝像機對各類儀表進行識別；利用紅外攝像機對高溫設(shè)備進行溫度識別。

指針式儀表在海洋油氣平臺應(yīng)用較為廣泛，對于指針式儀表的巡檢多采用人工巡檢的方式，指針式儀表的圖像識別存在較大難度，故對指針式儀表盤進行識別的研究較為熱門。對于一些高溫高壓設(shè)備，一般采用紅外攝像機進行實時監(jiān)控，除了采用一些傳統(tǒng)的圖像處理方式邊緣檢測、特征識別等外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的應(yīng)用也越來越多，它識別復雜的數(shù)字和字體更加具有優(yōu)勢，并且具有自適應(yīng)、自學習的特點。

4 ? ? 安全巡檢機器人主要適用場景

對于安全巡檢機器人適用場景，調(diào)研了多座油氣平臺，并與平臺方深入交流和討論，同時結(jié)合海上油氣平臺的生產(chǎn)運營需求，總結(jié)出安全巡檢機器人最貼合平臺生產(chǎn)運營需求并具有實用性的應(yīng)用場景：

（1）氣體探測

海洋油氣平臺采用巡檢機器人攜帶紅外探測儀可以進行大面積的遠程非接觸式探測，準確識別管道、容器因腐蝕、破損、堵塞引起的危險氣體泄露，獲取濃度、擴散信息，定位泄漏點，及時預警，提高安全等級。通過機器人的巡檢，可以覆蓋固定探頭覆蓋不到的區(qū)域，提高平臺的安全性。

氣體探測場景的機器人，要具有相關(guān)性能指標，探測目標氣體一般為：烴類、一氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體，探測范圍在0～100%LEL·m。

（2）臺風前后平臺整體安全狀況

巡檢機器人具備極端環(huán)境下的穩(wěn)定行走、平臺檢測和數(shù)據(jù)交互功能。巡檢機器人可以在臺風前人員撤離后，對平臺進行整體例行檢查，記錄儀表數(shù)據(jù)和各類設(shè)備儀器狀態(tài)；臺風過后，再次對平臺進行例行檢查，尋找危險氣體泄露信息等，依據(jù)臺風前后的例行檢查數(shù)據(jù)和影像資料，可以及時評判臺風對平臺安全狀況的影響，確保安全復工，將復工風險降至最低。

（3）儀表讀數(shù)

巡檢機器人可精確高效獲取各類模擬信號儀表和數(shù)字顯示儀表讀數(shù)，并結(jié)合時間和環(huán)境狀態(tài)對各類數(shù)據(jù)進行存儲、上傳和比對；通過可見光成像和紅外線成像識別系統(tǒng)，有效的解決人工讀取數(shù)據(jù)效率低、讀取環(huán)境受限和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性差的問題，提高了各類數(shù)據(jù)的實時性和環(huán)境實時性，并可以直接和數(shù)據(jù)中心交互，提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率和傳遞精準度，對于數(shù)字化平臺和生產(chǎn)管理具有重要意義。

（4）遠程視角

為實現(xiàn)陸地數(shù)據(jù)中心對平臺的全方位實時監(jiān)控，巡檢機器人通過高清和紅外線光學設(shè)備將采集到的視頻圖像實時回傳，便于陸地人員把控平臺總體狀況；同時巡檢機器人具備自主故障識別功能，通過關(guān)鍵特征和檢測門限識別異?，F(xiàn)象并記錄故障位置和狀態(tài)，實時發(fā)送告警信息提示管理員進行確認。在整個巡檢監(jiān)控過程中，巡檢機器人將采集到的大量數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回陸地，確保巡檢過程和結(jié)果全面可靠。

巡檢機器人的應(yīng)用環(huán)境指標要求：寬溫（-40℃～75 ℃）、抗震、防鹽霧、防塵防水（IP68）、防爆（Zone-I），采用有源以太網(wǎng)的方式進行供電，并具有環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（5）作業(yè)安全監(jiān)護

對于突發(fā)的無可視或體感的危險源，作業(yè)人員無法及時感知。巡檢機器人可用作輔助人工作業(yè)防護，利用機器人所配備的各類監(jiān)控傳感器，及時準確辨別諸如氣體泄漏、溫度變化、異響噪聲等故障，協(xié)助人工作業(yè)監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)隱患在第一時間警告撤離，降低人員安全風險。

（6）代替人員檢查危險空間

海洋油氣平臺設(shè)備眾多，平臺本身結(jié)構(gòu)復雜，部分空間密閉，容易引起可燃氣體、粉塵聚集甚至濃度超標，給正常的作業(yè)帶來極大的安全隱患。平臺安全巡檢機器人在人工作業(yè)前，進入密閉空間對溫度、氧氣、二氧化碳以及其他危險氣體濃度進行綜合分析診斷，評估風險等級，排除隱患，有效保證人員的生命健康。

5 ? ?總結(jié)

本文對海洋油氣平臺安全巡檢機器人應(yīng)用進行分析，探討了海洋油氣平臺安全巡檢機器的功能與可應(yīng)用的場景，有助于安全巡檢機器在海洋油氣平臺上的推廣應(yīng)用，從而促進海洋油氣平臺安全巡檢機器人的發(fā)展。

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