左應(yīng)祥 韓光譜 馬清 何軍 文其志

(1.西南油氣田公司重慶氣礦工藝研究所，重慶 400021；2.重慶氣礦工藝研究所，重慶 400021；3.重慶慶云石油工程技術(shù)有限責任公司，重慶 400021；4.新津川港燃氣有限公司，四川 成都 611430)

0 引言

隨著改革開放步伐，我國經(jīng)濟進入高速發(fā)展時期，對能源的需求，日益增長，尤其在對天然氣的需求上，達到了歷史高峰。同時，隨著社會的發(fā)展和時代的進步，無論是從國家法律法規(guī)要求層面，還是從民眾自身心理安全預(yù)期層面，把對人的生命安全的重視程度提得越來越高。在高含硫天然氣生產(chǎn)場站，充分利用先進的5G通信技術(shù)，可以有效地保障生產(chǎn)場站人員的生命安全，防止和減少對環(huán)境造成破壞。

1 5G通信技術(shù)在高含硫天然氣生產(chǎn)場站智慧系統(tǒng)的要求

5G通信技術(shù)是第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有高帶寬、大連接、低時延特性。5G通信技術(shù)通過構(gòu)建分布式的核心網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將物理網(wǎng)絡(luò)劃分成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，滿足多元化需求。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，可以有效降低作業(yè)活動安全風險，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)管理?；诂F(xiàn)有油田，在原有設(shè)計方案的基礎(chǔ)上加入先進的5G邊緣計算、SPN、SDN、NFV、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，形成全新的基于5G的智慧油氣田解決方案，包括：基于5G的油氣水井物聯(lián)網(wǎng)解決方案、基于5G的站場無人值守解決方案和基于5G的管線監(jiān)測解決方案等。借助先進信息技術(shù)和專業(yè)技術(shù)，全面感知油氣田動態(tài)，自動操控油氣田行為，預(yù)測油氣田變化趨勢，持續(xù)優(yōu)化油氣田管理，科學輔助油氣田決策，使計算機信息系統(tǒng)智能的管理油氣田。

2 在高含硫天然氣生產(chǎn)場所5G通信系統(tǒng)技術(shù)的組成

2.1 高清視頻監(jiān)控及回傳系統(tǒng)

在每個重點區(qū)域均設(shè)置高清攝像頭，如大門、加熱爐、泵房、罐區(qū)等重點區(qū)域全覆蓋，視頻通過 5G通信技術(shù)實時傳輸至服務(wù)器，調(diào)度室可通過視頻監(jiān)控客戶端隨時查看站場內(nèi)的異常狀況，以及調(diào)閱回放歷史錄相。對重點區(qū)域內(nèi)的跑冒滴漏或各種險情進行有效地監(jiān)視。同時實時的高清視頻圖像分析，通過各種算法規(guī)則的設(shè)定來檢測圖像中的某種行為并發(fā)出報警，包括區(qū)域入侵監(jiān)測、絆線檢測、遺失檢測、遺留檢測、方向檢測、徘徊檢測、人群流量統(tǒng)計等。

2.2 機器人站內(nèi)輔助功能

利用機器人搭載高清攝像頭和熱成像攝像頭，對溫度敏感區(qū)域進行測溫，如加熱爐、站內(nèi)氣水管線、泵體、罐體等，一旦出現(xiàn)溫度越限的情況機器人就能及時報警；高清攝像頭對過熱部分進行觀察分析。實時回傳的視頻和數(shù)據(jù)能夠自動保存到后端的平臺，可以進行事后的計算分析，以供后期的運營維護管理決策。基于5G大帶寬以及低時延技術(shù)的排險機器人可以在高溫、毒氣等情況下，靠近險情發(fā)生地點，將近距離的高清視頻回傳至指揮中心，以判斷險情發(fā)生原因，指導(dǎo)排險工作；同時利用機器人搭載的機械臂，在人員無法靠近的情況下對閥門進行關(guān)閉操作，或?qū)⒒鹪磽錅?。機器人的輔助排險能夠極大的減小排險過程中的人員傷亡，提高搶險的安全系數(shù)。

2.3 VR/AR輔助控制

VR/AR作業(yè)輔助以頭戴式計算機為載體，基于平臺提供的人工智能服務(wù)，通過智能感知、智能交互，適配企業(yè)標準化作業(yè)流程；將智能眼鏡與開發(fā)生產(chǎn)基礎(chǔ)工作標準化管理成果、規(guī)程相結(jié)合，實現(xiàn)場站基礎(chǔ)工作質(zhì)量標準信息化支撐，讓場站員工在生產(chǎn)現(xiàn)場操作有據(jù)可依。在生產(chǎn)巡檢等方面，利用機器深度學習、圖像學習、人工智能識別等高新技術(shù)，結(jié)合VR/AR技術(shù)，將反饋信息疊加顯示在眼鏡上，為一線員工帶來全新作業(yè)體驗，助推企業(yè)實現(xiàn)智能化升級轉(zhuǎn)型。

3 5G通信技術(shù)在高含硫天然氣生產(chǎn)場所的推廣應(yīng)用研究

3.1 AR智能作業(yè)輔助系統(tǒng)研究

語音識別：通過AI降噪算法，可在工業(yè)噪聲中識別語音，經(jīng)過AI訓(xùn)練，有效提高語音指令準確性的輸入。智能作業(yè)輔助：使用頭戴式計算機替代手持終端，將作業(yè)指導(dǎo)的多維信息實時疊加至操作部位，實現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)“可視化”，聯(lián)動語音提示模塊，可自動播報作業(yè)要點與難點，形成全方位指導(dǎo)，提升作業(yè)質(zhì)量，降低誤操作風險。設(shè)備工藝擬合：將設(shè)備3D工藝動畫匹配到設(shè)備實景中，將理論與實踐融合在一起，使得作業(yè)要求和指導(dǎo)更加生動和易于理解，促使關(guān)鍵、復(fù)雜的操作變得更加容易和安全?；贏R的人臉識別擴展：將人臉識別技術(shù)應(yīng)用于進出站驗證，代替以往員工通過手持終端手工錄入準入碼的過程，更方便快速高效。

3.2 無人機巡檢研究

巡檢無人機主機：主要負責飛行及數(shù)據(jù)采集工作，通過搭載不同的負載設(shè)備從而達到不同的作業(yè)目的。掛載可見光相機，拍攝高清照片，通過系統(tǒng)導(dǎo)出至第三方內(nèi)業(yè)處理軟件，合成全景圖片后倒入系統(tǒng)進行查看。掛載可見光相機，拍攝高清視頻，可實時查看巡檢畫面，并保存視頻影像。云端控制系統(tǒng)：系統(tǒng)具有任務(wù)處理、數(shù)據(jù)加密及處理等功能，所有的數(shù)據(jù)指令全部通過云端控制系統(tǒng)進行上傳和下發(fā)。可選擇云存儲模式保存巡檢影像成果。本地飛行控制端：在本地部署的飛行控制端，將各類飛行控制功能、任務(wù)管理模塊、航線規(guī)劃模塊等集成其中，并具有本地保存巡檢數(shù)據(jù)成果的功能，包括視頻成果和圖片成果等。

3.3 智能機器人巡檢研究

激光導(dǎo)航引導(dǎo)機器人路徑；采用激光導(dǎo)航，現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性高?？赏ㄟ^路徑導(dǎo)航，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃的路徑運行。也可以自由導(dǎo)航，無需路徑，確定目標點，機器人在移動過程中會進行自主避障和動態(tài)規(guī)劃。機器人智能領(lǐng)工：可引領(lǐng)運維人員到達指定地點，查看歷史巡檢錄像，實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)遠程操控，并在指定地點巡檢工作。機器人自動智能巡檢：機器人按照對應(yīng)地圖自主生成巡檢路線。實現(xiàn)對指示燈的識別，展示巡檢任務(wù)軟件平臺與展示歷史記錄的功能。巡檢結(jié)果與告警可在平臺與工作臺展示。溫度敏感區(qū)域機器人測溫與分析：通過搭載高清攝像頭和熱成像攝像頭，對溫度敏感區(qū)域進行測溫，溫度越限的情況下機器人能及時報警；高清攝像頭能對過熱部完成智能讀表、故障分析等功能。

3.4 5G技術(shù)應(yīng)用管理模塊研發(fā)

高含硫氣田5G通信及應(yīng)用系統(tǒng)是由AR智能作業(yè)輔助系統(tǒng)、智能機器人巡檢研究、無人機巡檢研究等多個子系統(tǒng)組合而成的綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，為了使各個子系統(tǒng)之間互相協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)共享，統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準，保證系統(tǒng)的兼容性和工業(yè)建設(shè)質(zhì)量。

3.4.1 AR智能作業(yè)輔助系統(tǒng)

在工作開始前，系統(tǒng)根據(jù)檢修任務(wù)，自動匹配推薦合適的檢修工具。工作開始時，在工作場景中疊加多維信息，展示簡單友好的操作界面，跟隨系統(tǒng)實時指引，結(jié)合語音提醒，讓用戶輕易上手逐步完成生產(chǎn)操作，簡化操作難度，避免操作紕漏或者操作錯誤。

3.4.2 無人機巡檢研究

系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)實時傳輸功能、數(shù)據(jù)管理、任務(wù)規(guī)劃及圖像識別四大功能模塊。系統(tǒng)支持5G實時高清畫面回傳、飛行軌跡與對應(yīng)航跡影像同步記錄、圖像預(yù)警識別統(tǒng)計、遠程航線下發(fā)與航線共享等關(guān)鍵功能。用于輔助無人機開展線路巡檢工作，實現(xiàn)無人機巡檢工作工單化，自動化，可視化，同時采用機器學人工智能對線路上的隱患進行自動識別和發(fā)現(xiàn)，為無人機管網(wǎng)維護提供有力支撐。

3.4.3 智能機器人巡檢研究

系統(tǒng)研究對象包括智能控制研究，導(dǎo)航與定位技術(shù)研究，在線監(jiān)測方法與作業(yè)技術(shù)研究三大功能模塊。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃的巡檢路徑、巡檢點進行控制，并根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃路線進行導(dǎo)航，與實時定位產(chǎn)生巡檢軌跡。同時系統(tǒng)自動生成巡檢圖像、巡檢視頻、異常報警、巡檢軌跡等相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。大幅提高作業(yè)效率、降低勞動成本、減少維護人員的風險。

3.5 5G邊緣計算應(yīng)用研究

為實現(xiàn)場站立體空間全方位防控，提高過去依靠肉眼或“遠水救不了近火”的窘境，以人工智能和5G邊緣計算為手段，在井站部署高清攝像頭，監(jiān)控視頻通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳至大貓坪中心站5G邊緣云，通過部署于其上的安防平臺進行邊緣側(cè)的視頻識別推斷和存儲，將視頻和推斷結(jié)果上報至DCC，并通過大屏、喇叭、短消息等與井站進行聯(lián)動，實現(xiàn)實時監(jiān)控、自動發(fā)現(xiàn)問題、主動預(yù)警。

4 結(jié)語

5G作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐載體，將“打通”各生產(chǎn)要素，配合智能化技術(shù)，實現(xiàn)不同生產(chǎn)要素間的高效協(xié)同，從而提高生產(chǎn)效率，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能感知、泛在連接、實時分析、精準控制等需求得到滿足，實現(xiàn)操作空間集中化、操作崗位機器化、運維輔助遠程化、服務(wù)環(huán)節(jié)線上化，把員工從現(xiàn)場解放出來，實現(xiàn)少人、無人作業(yè)。通過構(gòu)建 “5G+邊緣云計算+大數(shù)據(jù)+人工智能”新架構(gòu)，建立“智慧油氣田”。