基于北斗的防爆智能巡檢機(jī)器人在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用

文|路園 劉雨晴

北京訊騰智慧科技股份有限公司

一、前言

2022年11月4日，國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)北斗》白皮書(shū)，提出北斗系統(tǒng)已成為面向全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的重要新型基礎(chǔ)設(shè)施，白皮書(shū)提到融合新一代通信、低軌增強(qiáng)等新興技術(shù)，推動(dòng)新時(shí)代的中國(guó)北斗與非衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)融合發(fā)展[1]。

目前，北斗系統(tǒng)正與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈、5G通信等新技術(shù)快速融合，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟(jì)不斷涌現(xiàn)，基于北斗定位導(dǎo)航等多種技術(shù)的智能機(jī)器人在煤礦軌道、防災(zāi)救災(zāi)等領(lǐng)域得到運(yùn)用。

2012年起，北斗精準(zhǔn)服務(wù)應(yīng)用于燃?xì)馍a(chǎn)運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)中[2]，為燃?xì)庑袠I(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供準(zhǔn)確的位置信息和精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐，有效推動(dòng)在燃?xì)忸I(lǐng)域各個(gè)場(chǎng)景深化北斗應(yīng)用。2023年1月，工信部等十七部門聯(lián)合發(fā)布《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》，提出研制能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、巡檢、操作、維護(hù)、應(yīng)急處置等機(jī)器人產(chǎn)品，推廣機(jī)器人在油氣管網(wǎng)等能源基礎(chǔ)設(shè)施場(chǎng)景應(yīng)用。結(jié)合油氣場(chǎng)站特點(diǎn)，本文對(duì)基于北斗的防爆智能巡檢機(jī)器人展開(kāi)應(yīng)用探索，探討北斗防爆智能巡檢機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱“北斗機(jī)器人”）在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)，并提出未來(lái)展望。

二、應(yīng)用現(xiàn)狀及需求

油氣場(chǎng)站是輸配系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)，是管道運(yùn)輸必須通過(guò)的關(guān)卡，具有保障輸氣安全運(yùn)行的功能。由于存儲(chǔ)、輸送氣的工藝設(shè)備特征和本身的物質(zhì)的特性，油氣場(chǎng)站等重要區(qū)域不可避免地存在各種安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

1.油氣場(chǎng)站巡檢機(jī)器人得到應(yīng)用

油氣場(chǎng)站等重要區(qū)域多采用人工巡檢，主要通過(guò)巡檢人員感官上的聞、聽(tīng)、觸、看及通過(guò)手持設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測(cè)及運(yùn)行狀態(tài)檢查，以避免由設(shè)備故障、工藝環(huán)節(jié)控制失靈導(dǎo)致泄漏、火災(zāi)、中毒、爆炸等各種安全事故。但人工巡檢存在著很多先天不足，如巡檢質(zhì)量不高、手段單一、勞動(dòng)強(qiáng)度大、受惡劣天氣影響大、人員整體效率偏低等，巡檢質(zhì)量也由于人員素質(zhì)不同而參差不齊[3]。

隨著近年來(lái)傳感器技術(shù)和人工智能的發(fā)展，具有多維度檢測(cè)能力的智能設(shè)備發(fā)展迅速，各油氣公司的下屬場(chǎng)站也不斷嘗試新的技術(shù)、新的設(shè)備用以提升場(chǎng)站的巡檢能力。從固定式巡檢機(jī)器人的部署，再到以磁導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航為主的巡檢機(jī)器人在油氣場(chǎng)站得到應(yīng)用。但由于油氣場(chǎng)站兼有封閉空間、半開(kāi)放空間、開(kāi)放空間的區(qū)域，并且具有臨時(shí)應(yīng)急任務(wù)需求的工作場(chǎng)景，固定式、磁導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人具有很大的使用局限性，場(chǎng)站也迫切需要導(dǎo)航更為精準(zhǔn)、可自由調(diào)度、啟動(dòng)即用的巡檢機(jī)器人更快速高效地執(zhí)行工作任務(wù)。

2.北斗防爆智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用提出

為響應(yīng)推動(dòng)“十四五”北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進(jìn)北斗規(guī)模化應(yīng)用，北京訊騰智慧科技股份有限公司圍繞油氣場(chǎng)站對(duì)于新一代防爆巡檢機(jī)器人的應(yīng)用需求，整合多學(xué)科技術(shù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和攻堅(jiān)克難，將北斗精準(zhǔn)定位導(dǎo)航賦能低速無(wú)人駕駛技術(shù)，成功研發(fā)融合北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)于一體的北斗防爆智能巡檢機(jī)器人，結(jié)合無(wú)人駕駛、人工智能、大數(shù)據(jù)、非接觸檢測(cè)等技術(shù)，北斗機(jī)器人已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)，可為油氣場(chǎng)站開(kāi)展智能化、數(shù)字化巡檢服務(wù)。

通過(guò)建設(shè)基于北斗的防爆智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站無(wú)人值守、降本增效、安防提升的目標(biāo)，還將深化北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在油氣場(chǎng)站的基礎(chǔ)應(yīng)用，為建設(shè)北斗數(shù)字化場(chǎng)站起到示范作用，夯實(shí)企業(yè)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、應(yīng)用探索

國(guó)家提出全面發(fā)展智慧能源的戰(zhàn)略部署，各大油氣公司開(kāi)始嘗試建設(shè)數(shù)字場(chǎng)站、智慧場(chǎng)站，著力于解決場(chǎng)站在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中存在的諸多痛點(diǎn)問(wèn)題，但油氣場(chǎng)站的智能化進(jìn)程依舊緩慢，并且場(chǎng)站的數(shù)字化水平差異巨大，場(chǎng)站內(nèi)智能感知設(shè)備投入少，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)數(shù)字化程度低。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、無(wú)人駕駛、人工智能等技術(shù)的引入與融合應(yīng)用對(duì)于提升油氣場(chǎng)站的數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)十分關(guān)鍵。

1.應(yīng)用關(guān)鍵

北斗組合導(dǎo)航是以北斗系統(tǒng)高精度定位導(dǎo)航能力為依托，實(shí)現(xiàn)大地坐標(biāo)系內(nèi)的精準(zhǔn)定位定向，真正賦予了機(jī)器人無(wú)人駕駛能力，同時(shí)結(jié)合高精度慣導(dǎo)、激光雷達(dá)SLAM導(dǎo)航，輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在開(kāi)放空間、半開(kāi)放空間、封閉空間內(nèi)的導(dǎo)航和避障能力，確保機(jī)器人在場(chǎng)站工藝區(qū)域或室內(nèi)均可達(dá)到厘米級(jí)精確導(dǎo)航巡檢。北斗機(jī)器人依靠北斗衛(wèi)星和附近的北斗地面增強(qiáng)站獲得高精度的定位定向，依靠自身裝備的激光雷達(dá)在現(xiàn)場(chǎng)掃描建圖，不僅能夠根據(jù)北斗定位導(dǎo)航執(zhí)行固定線路的巡檢任務(wù)，自動(dòng)躲避運(yùn)行線路內(nèi)障礙物，還可執(zhí)行臨時(shí)性的應(yīng)急任務(wù)，極大地?cái)U(kuò)展了北斗機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景支持能力（圖1）。

圖1 北斗組合導(dǎo)航原理

機(jī)器人通過(guò)北斗RTK高精度差分定位GNSS+高精度慣導(dǎo)+激光SLAM組合導(dǎo)航技術(shù)，在北斗精準(zhǔn)服務(wù)網(wǎng)的支持下，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度定位和良好的衛(wèi)星信號(hào)中斷時(shí)導(dǎo)航精度保持性能，為室外環(huán)境下利用北斗高精準(zhǔn)服務(wù)實(shí)現(xiàn)巡檢點(diǎn)空間地理坐標(biāo)定位提供了可靠保障，同時(shí)采用GNSS雙天線定向技術(shù)來(lái)保證機(jī)器人能夠獲取到準(zhǔn)確的位置信息。通過(guò)成熟的激光雷達(dá)SLAM技術(shù)，可以賦予機(jī)器人在初始化配置中掃描構(gòu)建場(chǎng)景地圖，并在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行同步定位和障礙識(shí)別能力，依靠將高精度GNSS+INS+SLAM進(jìn)行算法融合，提供北斗機(jī)器人在復(fù)雜場(chǎng)站環(huán)境中通行和精準(zhǔn)位置管理能力。

2.應(yīng)用特征

北斗機(jī)器人依靠其北斗導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航能力，通過(guò)其搭載的各類傳感器，多維度、多層次地獲取油氣場(chǎng)站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)助巡檢人員完成日常巡檢、安全監(jiān)督、應(yīng)急處置等一系列固定線路、非固定線路的巡檢工作。北斗機(jī)器人的應(yīng)用特征體現(xiàn)在以下方面：

1）高效率。多傳感器態(tài)勢(shì)感知，高精度定位巡檢，大幅提升巡檢工作效率。

2）高質(zhì)量。打造時(shí)間+空間維度的巡檢數(shù)據(jù)集，夯實(shí)了油氣場(chǎng)站的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3）高可靠。本體安全防爆，危險(xiǎn)環(huán)境中的急先鋒，切實(shí)提升應(yīng)急人員安全保障能力。

3.應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

北斗防爆智能巡檢機(jī)器人在油氣行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）定位精準(zhǔn)

北斗系統(tǒng)是混合星座，已成為面向全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。除去擁有GPS和伽利略系統(tǒng)所具備的中圓軌道的衛(wèi)星之外，北斗系統(tǒng)還具有地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，定位精準(zhǔn)性進(jìn)一步得到提高。北斗衛(wèi)星精準(zhǔn)定位導(dǎo)航為機(jī)器人提供快速建模和實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精準(zhǔn)定位的能力，并支持路線規(guī)劃和任務(wù)調(diào)度功能。場(chǎng)站聚集大量油氣管道，北斗機(jī)器人在場(chǎng)站內(nèi)外巡檢時(shí)可使用厘米級(jí)的北斗定位，可以第一時(shí)間精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)泄漏位置并上報(bào)，北斗機(jī)器人在解放人力資源的同時(shí)大幅提升巡檢效率。

（2）定位安全

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國(guó)自主研制、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)研制、數(shù)據(jù)傳輸都具備極強(qiáng)的安全性。油氣場(chǎng)站數(shù)據(jù)涉及國(guó)家能源信息安全，在采集、獲取、存儲(chǔ)過(guò)程中任意環(huán)節(jié)都需要按照規(guī)范進(jìn)行操作，確保數(shù)據(jù)安全。結(jié)合北斗系統(tǒng)的巡檢機(jī)器人能夠有效避免定位數(shù)據(jù)被篡改、導(dǎo)航數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的問(wèn)題，預(yù)防在場(chǎng)站內(nèi)由于導(dǎo)航異常造成安全事故，助力實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站信息安全。

（3）即時(shí)高效

基于北斗的防爆智能巡檢機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中是以北斗系統(tǒng)高精度定位導(dǎo)航能力為依托，實(shí)現(xiàn)大地坐標(biāo)系內(nèi)的精準(zhǔn)定位定向，將整個(gè)大地坐標(biāo)系作為其行駛的基礎(chǔ)地圖。相較于以磁導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航這類在固定路線及固定建圖區(qū)域內(nèi)行駛執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人，具有真正廣闊空間的無(wú)人駕駛能力，在固定的場(chǎng)站內(nèi)可智能執(zhí)行任務(wù)，在未掃描建圖的應(yīng)急場(chǎng)所，北斗機(jī)器人也具備啟動(dòng)即用的高效執(zhí)行能力，北斗定位導(dǎo)航的融合應(yīng)用極大地?cái)U(kuò)展了機(jī)器人在油氣行業(yè)各類應(yīng)用場(chǎng)景的支撐能力。

（4）響應(yīng)國(guó)家政策

助力推進(jìn)安全生產(chǎn)。國(guó)家、部委發(fā)布的“十四五”系列規(guī)劃文件中提到，通過(guò)深化北斗應(yīng)用，促進(jìn)行業(yè)生產(chǎn)安全發(fā)展；堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、加快數(shù)字化發(fā)展、全面提高公共安全保障能力，推動(dòng)危險(xiǎn)崗位機(jī)器人替代。北斗機(jī)器人的研發(fā)正是順應(yīng)了國(guó)家要求，圍繞經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和社會(huì)發(fā)展的安全需求，推動(dòng)北斗應(yīng)用深度融合，完善北斗系統(tǒng)在油氣行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景。

助力保障能源安全。能源安全在國(guó)家頂層設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，提升我國(guó)油氣能源供應(yīng)保障能力，牢牢掌握能源供給主動(dòng)權(quán)，是保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展、全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的迫切要求。油氣場(chǎng)站是長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)中的重要生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在管理及運(yùn)維過(guò)程中通常面臨諸多安全風(fēng)險(xiǎn)。北斗機(jī)器人結(jié)合北斗系統(tǒng)提供的精準(zhǔn)時(shí)空數(shù)據(jù)信息，能夠有效減少人為操作、設(shè)備故障、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、管理失誤等環(huán)節(jié)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，將事后處理化為事前預(yù)防，保障油氣場(chǎng)站安全，進(jìn)而提升國(guó)家油氣能源供應(yīng)保障能力，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

4.應(yīng)用場(chǎng)景

相比較傳統(tǒng)機(jī)器人，北斗機(jī)器人具備更高的精準(zhǔn)定位、工作效率、協(xié)同能力，同時(shí)提供更強(qiáng)有力的安全保障能力。北斗機(jī)器人在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用探索中，開(kāi)拓了多種應(yīng)用場(chǎng)景。

（1）日常巡檢

北斗機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)的巡檢路徑，依靠北斗定位數(shù)據(jù)自主進(jìn)行日常巡檢，協(xié)助或替代人員巡查油氣場(chǎng)站等重點(diǎn)區(qū)域是否發(fā)生氣體泄漏、實(shí)時(shí)采集特殊位置或重要儀表設(shè)備視頻及圖像，也可設(shè)置對(duì)場(chǎng)站周界進(jìn)行定時(shí)視頻巡查，管理人員對(duì)于禁行區(qū)域闖入人員抓拍、報(bào)警、喊話驅(qū)離。機(jī)器人行進(jìn)中遇到障礙物能夠自主避障，繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù)，完成整個(gè)巡檢任務(wù)流程。降低了巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升巡檢效率。

（2）現(xiàn)場(chǎng)看護(hù)

當(dāng)油氣場(chǎng)站、輸氣管道周圍進(jìn)行臨時(shí)施工時(shí)，依靠管理軟件可遠(yuǎn)程調(diào)度北斗機(jī)器人根據(jù)北斗定位信息導(dǎo)航行駛至施工現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合遠(yuǎn)程喊話、記錄施工工作流程，實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體濃度、獲取溫濕度環(huán)境信息等功能，一旦危險(xiǎn)氣體濃度過(guò)高，北斗機(jī)器人立即報(bào)警提示，保障施工中的輸氣安全與人員安全，還支持對(duì)運(yùn)行異常的設(shè)備儀表進(jìn)行定點(diǎn)看護(hù)、圖片抓拍，并遠(yuǎn)程傳輸其運(yùn)行視頻數(shù)據(jù)。提高場(chǎng)站人員的安全管理手段，協(xié)助規(guī)范工作流程。

（3）應(yīng)急偵測(cè)

一旦油氣場(chǎng)站內(nèi)或輸氣管道周圍發(fā)生氣體泄漏應(yīng)急事件，北斗機(jī)器人可根據(jù)應(yīng)急地點(diǎn)的北斗定位信息遙控機(jī)器人至指定位置深入搶險(xiǎn)一線，先期進(jìn)入易燃易爆氣體等危險(xiǎn)的應(yīng)急事故區(qū)域探明情況，獲取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，超遠(yuǎn)距離協(xié)同共享信息，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)多維環(huán)境信息傳感數(shù)據(jù)統(tǒng)一時(shí)空采集處理、實(shí)時(shí)傳輸和即時(shí)融合展現(xiàn)（圖2），應(yīng)急指揮中心可根據(jù)機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)回傳的數(shù)據(jù)提前進(jìn)行分析，制定應(yīng)急方案，有序進(jìn)行處置，降低了應(yīng)急人員前期處置的危險(xiǎn)性，并且提升指揮中心與現(xiàn)場(chǎng)人員的應(yīng)急協(xié)同能力。

圖2 北斗機(jī)器人數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺(tái)

四、展望

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在巡檢機(jī)器人中的結(jié)合應(yīng)用已經(jīng)成果顯著，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層面為油氣場(chǎng)站帶來(lái)了巡檢工作的技術(shù)革新，基于對(duì)北斗機(jī)器人的應(yīng)用分析，提出以下展望：

1.體系建設(shè)

目前，大多學(xué)者對(duì)場(chǎng)站的危險(xiǎn)分析集中于對(duì)場(chǎng)站安全的宏觀分析，尚未針對(duì)值班人員對(duì)場(chǎng)站的日常巡檢提出建議措施，而場(chǎng)站日常巡檢中值班人員僅依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單規(guī)則進(jìn)行危險(xiǎn)排查，不夠全面，尚未形成較為系統(tǒng)的巡檢體系[4]。油氣場(chǎng)站的安全制度在頂層貫徹落實(shí)得比較徹底，但是在基層的執(zhí)行效果不佳，亦與體系建設(shè)不夠全面息息相關(guān)。

面對(duì)油氣領(lǐng)域各集團(tuán)年供氣百億立方米的用氣安全需求，安全生產(chǎn)綜合治理和應(yīng)急保障任務(wù)極其艱巨。北斗機(jī)器人能夠在油氣場(chǎng)站巡檢過(guò)程中發(fā)揮巨大作用，顯著提升運(yùn)行安全治理，助力推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在完善場(chǎng)站體系建設(shè)的過(guò)程中應(yīng)考慮建立以北斗機(jī)器人為主的巡檢體系，促進(jìn)北斗機(jī)器人多站端標(biāo)準(zhǔn)化部署應(yīng)用，進(jìn)一步深化油氣行業(yè)的北斗應(yīng)用，構(gòu)建北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.應(yīng)用拓展

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)融合激光SLAM系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠在油氣場(chǎng)站內(nèi)外為巡檢機(jī)器人提供厘米級(jí)的高精準(zhǔn)定位，大幅提升了機(jī)器人行駛精度以及定位精度，為油氣領(lǐng)域安全運(yùn)營(yíng)提供了重要保障。

結(jié)合國(guó)內(nèi)人工智能發(fā)展現(xiàn)狀，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)器人已經(jīng)在安全監(jiān)護(hù)、防火防災(zāi)、巡邏搜救等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。其他生產(chǎn)領(lǐng)域可根據(jù)各自領(lǐng)域特征與需求，結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，積極挖掘應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)北斗典型應(yīng)用在更多領(lǐng)域落地。