海上平臺(tái)設(shè)備故障智能預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線研究

李明，朱澤錦，于成龍，楊森

(中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

海上平臺(tái)作為油氣水生產(chǎn)的重要裝置，遠(yuǎn)離陸地，具有高投資、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)等特點(diǎn)，一般配有生產(chǎn)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，設(shè)備包括分離器、加熱器、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、海水提升泵、注水泵、外輸泵、電機(jī)等，數(shù)量眾多。為了解、掌握設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)、綜合評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)其故障出現(xiàn)趨勢(shì)、做到盡早發(fā)現(xiàn)盡早決策，需要采取各種手段對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)海上平臺(tái)作業(yè)環(huán)境、設(shè)備操維人員作業(yè)特點(diǎn)等進(jìn)行分析，具有以下特性：(1)平臺(tái)操維人員工作環(huán)境多為高溫、高濕、高噪，甚至易爆的現(xiàn)場(chǎng)，不利于人員的安全和健康；(2)設(shè)備種類(lèi)多、分布廣，人工巡檢任務(wù)重，無(wú)法做到全面掌握所有設(shè)備狀態(tài)；(3)專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備不便于攜帶和使用。

為解決以上問(wèn)題，采用噪聲監(jiān)測(cè)、紅外熱成像、圖像識(shí)別等非接觸手段進(jìn)行表征機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)處理、分析，整體技術(shù)方案為：(1)采用傳感器和控制柜與人機(jī)交互界面(顯示屏)分離、信號(hào)電纜或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆蛛x式布置方案；(2)采用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，采用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)提取噪聲、熱紅外、圖像三種參數(shù)的特征，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開(kāi)展比對(duì)分析，并結(jié)合過(guò)程控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)分析和預(yù)警功能；(3)系統(tǒng)應(yīng)具備基于互聯(lián)網(wǎng)通訊的數(shù)據(jù)交互功能。

2 總體性能技術(shù)方案

為使用較少的傳感器數(shù)量實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備臺(tái)數(shù)不少于4 臺(tái)的目標(biāo)，系統(tǒng)應(yīng)采用云臺(tái)掃描、自動(dòng)變焦、重復(fù)對(duì)準(zhǔn)等技術(shù)；為了具備擴(kuò)展能力，使用模塊化技術(shù)或軟件系統(tǒng)應(yīng)具備控制多模塊/子系統(tǒng)的功能。

為實(shí)現(xiàn)預(yù)警準(zhǔn)確率大于80%，系統(tǒng)應(yīng)裝備故障模式特征數(shù)據(jù)庫(kù)并動(dòng)態(tài)更新，技術(shù)人員可事先針對(duì)所需監(jiān)測(cè)的設(shè)備進(jìn)行常見(jiàn)故障、頻域特征的分析并輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中供程序調(diào)用。

為提高時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)時(shí)效值＜2 h 的目的，系統(tǒng)設(shè)置噪聲、熱紅外和圖像三項(xiàng)參數(shù)處理后數(shù)據(jù)的有序存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)也應(yīng)考慮調(diào)用速度。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)不斷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成基于統(tǒng)計(jì)方法的閾值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，既能在故障、異常出現(xiàn)時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，又能對(duì)臨時(shí)干擾進(jìn)行排除。

3 性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案

3.1 硬件指標(biāo)

為滿足海上平臺(tái)的使用要求，預(yù)警系統(tǒng)硬件指標(biāo)如表1 所示。聲傳感有關(guān)性能指標(biāo)：一是實(shí)現(xiàn)60～110 dB幅值范圍的測(cè)量，在光纖聲傳感方面，光信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換等硬件應(yīng)選用動(dòng)態(tài)范圍較大的元器件；在MEMS聲傳感方面，科研或工業(yè)型SDK 套件能較好滿足該測(cè)量范圍需求，而消費(fèi)型SDK 套件從技術(shù)指標(biāo)說(shuō)明書(shū)來(lái)看可能存在過(guò)載問(wèn)題(傳感器處噪聲應(yīng)低于90 dB)。除價(jià)格優(yōu)勢(shì)外，后者在消除混響方面較為成熟，尤其是在人聲量級(jí)低于環(huán)境噪聲25 dB 情況下仍能被有效識(shí)別，性能卓越。二是實(shí)現(xiàn)50～8 000 Hz所含頻帶的測(cè)量頻率范圍，在光纖聲傳感方面，應(yīng)對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，使該頻率范圍內(nèi)無(wú)過(guò)多的共振峰，降低補(bǔ)償算法運(yùn)算資源需求；在MEMS聲傳感方面，科研或工業(yè)型SDK 套件基本滿足要求，而消費(fèi)型SDK 套件從技術(shù)指標(biāo)說(shuō)明書(shū)來(lái)看可能存在50～100 Hz 頻響下降較快的現(xiàn)象，需要開(kāi)展靈敏度頻域修正，增大算法運(yùn)算資源需求。

表1 預(yù)警系統(tǒng)硬件指標(biāo)

3.2 軟件技術(shù)要求

通過(guò)分析現(xiàn)有軟件平臺(tái)和加強(qiáng)與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員交流，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以滿足友好的人機(jī)交互要求。在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)中采用微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，對(duì)服務(wù)進(jìn)行拆分，通過(guò)Web 界面等前端、HTTP(S)通訊協(xié)議、UTF-8 編碼等方式實(shí)現(xiàn)分布式操作和異處協(xié)同的需求。通過(guò)軟件接口測(cè)試、邏輯測(cè)試和壓力測(cè)試等滿足穩(wěn)定性要求。

3.3 系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性

光纖聲傳感器適應(yīng)溫度-10～80 ℃、相對(duì)濕度＜95%的工作環(huán)境，其感受器及信號(hào)傳輸均采用光纖制作，光纖為石英玻璃或特殊塑料高溫拉制而成，且無(wú)需通電，天然具有適應(yīng)高溫、高濕的能力[1]?？紤]到設(shè)備部署在機(jī)艙等區(qū)域，MEMS 傳感器應(yīng)用的主要目標(biāo)是降低系統(tǒng)成本、提供靈活部署方案、降低環(huán)境適應(yīng)性要求。其中，科研、工業(yè)型MEMS 傳感器技術(shù)指標(biāo)顯示工作溫度為-40～85 ℃，消費(fèi)型MEMS尚未有明確技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)。其他設(shè)備環(huán)境溫度為-10～50 ℃，在采取風(fēng)冷措施的情況下，應(yīng)能滿足要求。

4 數(shù)據(jù)處理流程方案

4.1 聲學(xué)數(shù)據(jù)處理流程方案

對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)的聲學(xué)數(shù)據(jù)處理流程，原始時(shí)域信號(hào)獲取部分有所差異：光纖聲傳感子系統(tǒng)主要是通過(guò)光纖傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、光路模塊進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、電路模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，以獲取原始時(shí)域信號(hào)；MEMS 聲傳感子系統(tǒng)主要是通過(guò)MEMS 聲傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、內(nèi)置芯片進(jìn)行初步的信號(hào)分析處理[2]，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、聲聚焦波束成形、信號(hào)消噪等(為更具靈活性，考慮通過(guò)二次開(kāi)發(fā)接口進(jìn)行算法注入)。此外，兩個(gè)子系統(tǒng)的其他處理流程基本一致，依次為：信號(hào)處理→工況負(fù)載識(shí)別(為選取對(duì)應(yīng)的檢測(cè)閾值)→聲紋數(shù)據(jù)庫(kù)生成和調(diào)用(主要用于生成檢測(cè)閾值、預(yù)置和更新故障特征、自動(dòng)識(shí)別工況等)→趨勢(shì)性分析→故障分析診斷→聲學(xué)、熱紅外成像、圖像識(shí)別融合分析→云平臺(tái)(主要通過(guò)專(zhuān)家協(xié)助分析疑難情況)，其間將設(shè)置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環(huán)節(jié)。

4.2 熱紅外成像數(shù)據(jù)處理流程方案

熱紅外成像數(shù)據(jù)獲取主要通過(guò)SDK 套件，套件內(nèi)完成熱紅外成像數(shù)據(jù)的初步處理，輸出溫度云圖和視頻，相關(guān)數(shù)據(jù)處理流程為：紅外亮點(diǎn)提取→工況負(fù)載識(shí)別→熱紅外數(shù)據(jù)庫(kù)→趨勢(shì)性分析等。如同聲學(xué)數(shù)據(jù)處理，一方面通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和統(tǒng)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)工況識(shí)別、閾值生成等；另一方面設(shè)置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環(huán)節(jié)。

4.3 圖像識(shí)別數(shù)據(jù)處理流程方案

圖像識(shí)別數(shù)據(jù)獲取主要通過(guò)SDK 套件，套件結(jié)合配套軟件，將具有移動(dòng)偵測(cè)、特征識(shí)別等功能，同時(shí)輸出較高清晰度的圖像和視頻。為簡(jiǎn)化二次接口開(kāi)發(fā)，將主要針對(duì)輸出的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(視頻可存入數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)閱)。相關(guān)數(shù)據(jù)處理流程為：獲取特征點(diǎn)用于對(duì)準(zhǔn)定位和調(diào)焦→圖像特征提取→圖像識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)→趨勢(shì)性分析等。由于圖像基本不隨工況載荷變化，無(wú)需設(shè)置工況載荷識(shí)別流程，但要設(shè)置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環(huán)節(jié)。

4.4 數(shù)據(jù)融合處理框架方案

三種異構(gòu)數(shù)據(jù)均為設(shè)備故障某方面的表征，利用信息融合技術(shù)綜合處理其分析結(jié)果，有利于提高預(yù)警的準(zhǔn)確性和改善時(shí)效性，本研究采用決策層的融合方法。

對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行分類(lèi)，并歸納其故障特征，為進(jìn)行決策層的信息融合提供邏輯基礎(chǔ)：

(1)運(yùn)動(dòng)部件故障

該類(lèi)故障是摩擦增大甚至剮蹭、撞擊以及彎曲、磨損破損等現(xiàn)象，將引發(fā)噪聲增大、負(fù)載增大(即溫度上升)，利用聲學(xué)和熱紅外數(shù)據(jù)分析，因兩者具有較大的關(guān)聯(lián)性，可利用該特點(diǎn)進(jìn)行相互檢驗(yàn)，提高判斷準(zhǔn)確性。但運(yùn)動(dòng)部件一般被機(jī)體包圍在內(nèi)，難以用圖像識(shí)別。少數(shù)情況為設(shè)備安裝不良或受到劇烈激勵(lì)導(dǎo)致的設(shè)備整體晃動(dòng)，即剛體運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的噪聲可能低于聲傳感器測(cè)量范圍即測(cè)得的噪聲變化程度不明顯，且熱紅外需較長(zhǎng)時(shí)間才變化顯著，若此時(shí)圖像識(shí)別到明顯變化，應(yīng)及時(shí)預(yù)警、報(bào)警，提示人工巡檢。

(2)機(jī)體等靜止部件故障

該類(lèi)故障一般是漏液、裂紋。一般來(lái)說(shuō)，故障初期的聲學(xué)、熱紅外數(shù)據(jù)變化不大，一旦出現(xiàn)圖像明顯變化，在排除干擾后，應(yīng)及時(shí)預(yù)警、報(bào)警，提示人工巡檢。裂紋擴(kuò)展到一定程度，此時(shí)如同松動(dòng)情況，意味著運(yùn)動(dòng)部件的支撐邊界發(fā)生變化，產(chǎn)生的噪聲將有較大變化。

5 預(yù)警系統(tǒng)硬件組成

(1)聲傳感系統(tǒng)

①光纖聲傳感子系統(tǒng)用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設(shè)備的空氣噪聲，能適應(yīng)高溫、高濕、高鹽、易爆等環(huán)境要求。同時(shí)研究光纖復(fù)用技術(shù)在多臺(tái)設(shè)備監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，以降低光源貴重元器件的采購(gòu)成本。

②MEMS 聲傳感子系統(tǒng)主要由MEMS 聲傳感器SDK 套件、供電模塊、信號(hào)傳輸模塊組成，用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設(shè)備的空氣噪聲。

(2)熱紅外成像傳感系統(tǒng)

熱紅外成像傳感系統(tǒng)主要由熱紅外成像傳感器SDK 套件以及供電模塊組成，用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設(shè)備的機(jī)體表面溫度。

(3)圖像傳感系統(tǒng)

圖像傳感系統(tǒng)主要由圖像傳感器SDK 套件以及供電模塊組成，用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設(shè)備的外表圖像。

(4)傳感器搭載裝置

傳感器搭載裝置主要有云臺(tái)、移動(dòng)滑軌以及供電模塊組成，用于搭載熱紅外成像傳感裝置、圖像傳感裝置以及MEMS 聲傳感器SDK 套件。通過(guò)云臺(tái)的定期、定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)合移動(dòng)滑軌的定期、定點(diǎn)的往復(fù)移動(dòng)，滿足對(duì)多臺(tái)設(shè)備監(jiān)測(cè)的要求，并較好地克服“視線”死角。

(5)系統(tǒng)控制柜

系統(tǒng)控制柜主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)器、機(jī)柜柜體、高速路由器等組成，并為光纖聲傳感子系統(tǒng)的光路、電路提供安裝空間。

(6)可視化和人機(jī)交互裝置

可視化和人機(jī)交互裝置主要是大尺寸液晶觸摸屏，用于數(shù)據(jù)的顯示及技術(shù)人員的操作控制。

6 預(yù)警系統(tǒng)軟件組成

(1)聲紋數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

聲紋數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要由光纖聲傳感子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制模塊、MEMS 聲傳感子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制模塊、聲聚焦波束形成算法模塊、設(shè)備噪聲信號(hào)處理及特征參數(shù)提取模塊、設(shè)備聲紋數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、設(shè)備聲學(xué)故障診斷模塊、設(shè)備聲學(xué)趨勢(shì)性分析模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)聲學(xué)子系統(tǒng)相關(guān)硬件的控制，并克服區(qū)域混響的影響，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)異常噪聲的定位和故障初步識(shí)別，以及根據(jù)故障發(fā)展情況及時(shí)預(yù)警。

(2)熱紅外成像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

熱紅外成像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要由熱紅外成像傳感器SDK 套件控制和通訊模塊、設(shè)備紅外亮點(diǎn)提取模塊、設(shè)備紅外趨勢(shì)性分析模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)熱紅外成像裝置硬件的控制，并克服人員短時(shí)遮掩，提取設(shè)備表面紅外特征，以及根據(jù)故障發(fā)展情況及時(shí)預(yù)警。

(3)圖像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

圖像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要由圖像成像傳感器SDK 套件控制和通訊模塊、圖像定位特征提取和重復(fù)對(duì)準(zhǔn)模塊、設(shè)備表面圖像特征提取模塊、設(shè)備表面圖像變化趨勢(shì)性分析模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)圖像成像裝置硬件的控制，并克服人員短時(shí)遮掩，提取設(shè)備表面圖像特征，以及根據(jù)故障發(fā)展情況及時(shí)預(yù)警。

(4)傳感器運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)

傳感器運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)分別設(shè)置云臺(tái)旋轉(zhuǎn)掃描和定位控制模塊、滑軌移動(dòng)和定位控制模塊、熱紅外成像和圖像識(shí)別傳感器的鏡頭變焦控制模塊等，主要實(shí)現(xiàn)MEMS 聲學(xué)傳感、熱紅外成像和圖像識(shí)別等對(duì)準(zhǔn)、切換等需求。

7 結(jié)語(yǔ)

在海上平臺(tái)運(yùn)行和維護(hù)中，現(xiàn)代監(jiān)測(cè)預(yù)警和故障排查技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提升平臺(tái)的安全管理水平至關(guān)重要。而噪聲監(jiān)測(cè)、紅外熱成像、圖像識(shí)別等技術(shù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析和預(yù)判，提前發(fā)現(xiàn)平臺(tái)的潛在問(wèn)題，并提醒維保人員及時(shí)采取措施進(jìn)行維修，從而提高了故障排查的效率和精準(zhǔn)度。隨著數(shù)智技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，相信平臺(tái)將能夠應(yīng)對(duì)運(yùn)行維護(hù)中的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。