黃珂，提浩，劉雨露，魏海，徐學(xué)智，劉磊，曹立紅(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

海上平臺電力系統(tǒng)作為海上油氣平臺的主要動力能源，保障其穩(wěn)定性和安全性就顯得尤為重要。但是，在海上平臺逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，邁向智能化的當(dāng)下，海上平臺配電系統(tǒng)的運(yùn)維大多還依賴于運(yùn)維人員的人工巡檢，這種方式存在著可靠性低、及時(shí)性差、追溯性低、風(fēng)險(xiǎn)性高等局限性。

同時(shí)，考慮油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，依托于中心平臺開發(fā)和建立海上固定式無人駐守平臺(以下簡稱“無人平臺”)已經(jīng)成為了近期乃至將來很長一段時(shí)間內(nèi)的主流思路。但海上無人駐守平臺這種平臺形式會使上述人工巡檢的幾個(gè)局限性愈發(fā)凸顯?；谏鲜龇治觯瑔螁我揽咳斯ぱ矙z很難滿足無人平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的需求。

隨著科技的不斷發(fā)展，各個(gè)種類的機(jī)器人走進(jìn)我們的視線，它們被廣泛應(yīng)用在設(shè)備巡檢領(lǐng)域，例如：煤礦采用巡檢機(jī)器人降低人員巡檢的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]；數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)房無人化管理等。其中智能巡檢機(jī)器人已經(jīng)在各地變電站廣泛應(yīng)用，推動了變電站的無人化和智能化發(fā)展[2]，這也為無人平臺在配電系統(tǒng)中應(yīng)用巡檢機(jī)器人提供了很好的借鑒案例。

本文從智能巡檢機(jī)器人的分類、適用環(huán)境和功能等角度出發(fā)，以海上某無人駐守平臺配電系統(tǒng)的應(yīng)用場景為例，分析巡檢機(jī)器人的選型和技術(shù)要求，探討該環(huán)境智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用方案的分析過程。此外，本文還深入分析了該海上無人駐守平臺配電系統(tǒng)采用智能巡檢機(jī)器人的階段性實(shí)際使用情況，并提出了一些改進(jìn)意見和展望，希望能夠?yàn)楹罄m(xù)無人平臺的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供一些啟發(fā)和參考。

1 海上某無人駐守平臺智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用的可行性研究

1.1 應(yīng)用場景情況分析和巡檢機(jī)器人的選型要求

海上無人駐守平臺配電系統(tǒng)承擔(dān)著為整個(gè)無人平臺輸配電的作用，配電系統(tǒng)主要設(shè)備集中在配電間內(nèi)?？紤]配電間內(nèi)的具體情況，結(jié)合各類巡檢機(jī)器人的特點(diǎn)和功能，應(yīng)從以下幾個(gè)方面做選型考慮。

1.1.1 占用空間

無人平臺配電間內(nèi)設(shè)備眾多，剩余空間有限，可供機(jī)器人安裝和規(guī)劃巡檢路線的區(qū)域比較局限，且需為必要的人員巡檢和設(shè)備檢修預(yù)留出足夠空間，故機(jī)器人及其附件的體積和通過性是必須考慮的因素之一。

1.1.2 移動安全性

無人平臺配電間內(nèi)關(guān)鍵電氣設(shè)備眾多，盤柜的振動、開關(guān)按鈕的誤碰均有可能造成設(shè)備關(guān)停和油田關(guān)斷，故機(jī)器人必須具有很強(qiáng)的移動安全性。

1.1.3 巡檢覆蓋率

配電系統(tǒng)中配電盤高度大多在200 cm左右，想要全方位、多角度檢查配電系統(tǒng)，巡檢機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)行程就必須滿足要求，這也是一項(xiàng)選型的重要因素。

1.2 智能巡檢機(jī)器人的分類和特點(diǎn)分析

智能巡檢機(jī)器人的分類主要依據(jù)其移動方式，可分為輪式巡檢機(jī)器人、軌道式巡檢機(jī)器人、履帶式巡檢機(jī)器人和飛行巡檢機(jī)器人這四類。機(jī)器人的適用環(huán)境和其移動方式關(guān)系密切，

下面采用表格的方式對四種巡檢機(jī)器人進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 各類巡檢機(jī)器人對比情況

考慮該無人平臺配電間的環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合上述分析，輪式巡檢機(jī)器人和履帶式巡檢機(jī)器人移動安全性和巡檢覆蓋率不能滿足要求，飛行巡檢機(jī)器人控制精度低，可靠性不強(qiáng)同樣不適用于無人平臺配電間的環(huán)境。故軌道式巡檢機(jī)器人具備占用空間小、移動安全性高、升降機(jī)構(gòu)行程大，可滿足巡檢覆蓋率的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于該無人平臺配電系統(tǒng)中。

1.3 海上某無人駐守平臺智能巡檢機(jī)器人的技術(shù)要求

為了在后續(xù)使用中實(shí)現(xiàn)自動化和智能化，彌補(bǔ)人工巡檢的短板，同時(shí)結(jié)合海上平臺的特殊工作環(huán)境和運(yùn)維需求，巡檢機(jī)器人還應(yīng)滿足以下技術(shù)要求。

1.3.1 機(jī)器人及其附屬設(shè)備材料選型合理

經(jīng)考察，該海域環(huán)境溫度變化較大，導(dǎo)致室內(nèi)最低可至-17.2 ℃，最高可至34.6 ℃，同時(shí)海上氣候影響導(dǎo)致相對濕度最大值可達(dá)90%，且空氣中常伴有鹽霧?？紤]到巡檢機(jī)器人及其附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命不應(yīng)低于15年的要求，這對機(jī)器人及其附屬設(shè)備的材料選擇提出了考驗(yàn)。

1.3.2 機(jī)器人的移動能力滿足要求

結(jié)合該無人平臺配電間各設(shè)備的布置情況和實(shí)際剩余空間尺寸，對機(jī)器人的通過性提出了要求。同時(shí)考慮各盤柜的實(shí)際高度，為了實(shí)現(xiàn)對整個(gè)配電盤盤面范圍的巡檢全覆蓋，我們將機(jī)器人的移動能力限制如下：最小轉(zhuǎn)彎半徑不應(yīng)大于0.3 m，且應(yīng)具備升降功能，升降范圍和距離不應(yīng)小于2 m。

1.3.3 巡檢機(jī)器人需可基本代替人工巡檢，且具備進(jìn)行必要的檢測功能

為了基本替代人工巡檢模式，要求機(jī)器人具備各類表計(jì)讀取、開關(guān)狀態(tài)識別，溫度檢測、異常情況報(bào)警等功能，且表計(jì)讀取和開關(guān)狀態(tài)識別的準(zhǔn)確率應(yīng)在95%以上[4]。且因海上平臺電氣設(shè)備管理相關(guān)規(guī)定中要求了定期的熱成像和局部放電檢測，故巡檢機(jī)器人應(yīng)能自主進(jìn)行上述兩項(xiàng)檢測，并具有自主識別與預(yù)警功能，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，為發(fā)現(xiàn)隱患后的檢修預(yù)留出足夠的時(shí)間。

1.3.4 巡檢機(jī)器人必須同時(shí)具備自行巡檢、遠(yuǎn)程操控的功能

能夠?qū)D片數(shù)據(jù)進(jìn)行自動識別和生成報(bào)表，從而滿足配電間例行巡檢和特殊巡檢的要求，為海上無人駐守平臺的平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。

1.3.5 設(shè)備符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

考慮到機(jī)器人功能繁多，具有高度的集成化水平，機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造、安裝和軌道設(shè)置應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1.4 基于上述分析的問題解決方案

基于上述分析，明確了巡檢機(jī)器人的類型選擇，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景規(guī)定了技術(shù)要求，最終在海上某無人駐守平臺選用了符合要求的某種懸掛式軌道智能巡檢機(jī)器人(以下簡稱“巡檢機(jī)器人”)，其具體情況如下。

1.4.1 系統(tǒng)組成和組網(wǎng)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)依托于油田開發(fā)時(shí)鋪設(shè)的海底光纖與中心平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，中心平臺和無人駐守平臺各設(shè)有交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，巡檢機(jī)器人與中心平臺的數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性和可靠性較高。在中心平臺設(shè)有配備客戶端的遠(yuǎn)程工作站，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的現(xiàn)場操控、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存和分析等功能。

1.4.2 巡檢機(jī)器人的軌道、供電和本體

針對配電間空間和盤柜布局等情況，將巡檢機(jī)器人的軌道設(shè)置為環(huán)繞低壓盤和中壓盤布置，從而最大限度地監(jiān)控電氣間的主要電氣設(shè)備。

巡檢機(jī)器人的軌道采用高強(qiáng)度合金鋁，為應(yīng)對海上的特殊環(huán)境，采用陽極化防腐設(shè)計(jì)，其IP等級優(yōu)于IP23，軌道轉(zhuǎn)彎處采用可拼接的U型彎和S型彎可適用于不同環(huán)境配電間的標(biāo)準(zhǔn)化軌道拼接安裝，利于向其他應(yīng)用場景推廣。

巡檢機(jī)器人的供電系統(tǒng)采用依托于軌道內(nèi)的T型銅排供電，機(jī)器人接觸電極與T型銅排連接，接觸電極下裝有彈簧裝置，可保證任何情況下不會斷電，進(jìn)一步保障了巡檢機(jī)器人供電的可靠性。

機(jī)器人本體為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)要求，配備了各類傳感器來實(shí)現(xiàn)功能，包括用于機(jī)器人行走和轉(zhuǎn)動的升降機(jī)構(gòu)、監(jiān)測機(jī)構(gòu)、雙視手臂、行走機(jī)構(gòu)、限位輪、激光定位裝置、雷達(dá)系統(tǒng)等，此外還包括紅外攝像機(jī)、局放傳感器、揚(yáng)聲器等。這些構(gòu)件保證了巡檢機(jī)器人各功能的實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行任務(wù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.4.3 遠(yuǎn)程工作站

在中心平臺中控室設(shè)置遠(yuǎn)程工作站，電氣人員可以與巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)聯(lián)動控制。在客戶端上可以通過報(bào)表系統(tǒng)準(zhǔn)確反映出機(jī)器人本體采集的圖像信息和自主識別的各類表計(jì)的運(yùn)行數(shù)值、盤柜表面溫度和是否存在異常的診斷信息等。

2 智能巡檢機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場智能巡檢情況

(1)巡檢機(jī)器人按巡檢路徑，每隔8 h對電氣間進(jìn)行全面巡檢，一天內(nèi)可完成巡檢三次。

(2)機(jī)器人本體的高清攝像頭可對盤柜上的電流表、電壓表、開關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行檢測和自主識別，并在報(bào)告中判斷是否處于異常狀態(tài)。

(3)紅外熱成像可以對盤柜表面溫度進(jìn)行測量并自主識別，判斷是否存在隱患。

(4)局放傳感器可以有效發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣缺陷并精確定位故障位置，并在后臺生成趨勢分析報(bào)告和報(bào)警提示，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

(5)對現(xiàn)場盤柜聲音和房間環(huán)境氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2 巡檢報(bào)告系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析診斷

巡檢機(jī)器人投入運(yùn)行以來，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，報(bào)告內(nèi)巡檢數(shù)據(jù)識別準(zhǔn)確率經(jīng)統(tǒng)計(jì)確實(shí)可達(dá)95%以上，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性可以得到保障，可以作為判斷電氣間配電系統(tǒng)運(yùn)行是否正常的依據(jù)。

2.3 取得成果

在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，巡檢機(jī)器人依托于其高度的集成化水平，代替了傳統(tǒng)的人工巡檢，功能完善并具有多方面優(yōu)勢，具體應(yīng)用成果如下：

(1)巡檢機(jī)器人可以對電氣間進(jìn)行高效率的巡檢，可代替每日的人工例行巡檢，從而有效降低人工巡檢的人力成本，為后期有相關(guān)需求的無人平臺提供了借鑒。

(2)遠(yuǎn)程工作站配備的客戶端可以對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和診斷，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，從而預(yù)留出檢修時(shí)間，有效解決人工巡檢帶來的滯后性，提高了無人平臺的智能化水平。

(3)巡檢機(jī)器人具有全自動和遠(yuǎn)程遙控兩種模式，電氣操作人員能夠隨時(shí)介入機(jī)器人的控制。同時(shí)機(jī)器人能夠部分代替房間內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和火氣報(bào)警系統(tǒng)，從而提高了無人平臺設(shè)備的集成化水平，方便了中心平臺人員對無人平臺的現(xiàn)場監(jiān)控。

3 結(jié)語

通過深入分析，優(yōu)化選型，探究無人平臺配電系統(tǒng)應(yīng)用巡檢機(jī)器人的核心技術(shù)要求，從而得出了完善的問題解決方案，成功將軌道式智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用到無人平臺配電系統(tǒng)中，基本替代了人工巡檢模式，取得了良好的應(yīng)用效果，是海上油田無人平臺相關(guān)方面的首次嘗試，為后續(xù)海洋石油滾動開發(fā)及平臺的無人化發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

同時(shí)，智能化巡檢機(jī)器人要充分考慮平臺的無人化需求，依托科技的日趨進(jìn)步，通過功能的不斷完善和多種類型機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，使巡檢更加便捷、高效。在國家號召石油企業(yè)大力提升油氣勘探開發(fā)各項(xiàng)工作的當(dāng)下，智能巡檢機(jī)器人必將在海洋石油領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。