張星，陳逸，王立學，張金亞

（1.國家管網(wǎng)集團北京管道有限公司，北京 100101；2.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對油氣的需求日益增多，為了滿足巨大的需求，我國每年都會大量的新建或者擴建油田。為了保證油田的穩(wěn)定生產(chǎn)，油田巡檢是必不可少的。目前，主要采用人工巡檢與監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的方式，由站內(nèi)工作人員定期檢查設(shè)備損壞以及管道泄漏情況。然而，人工巡檢方式存在很多無法解決的弊端，勞動強度較大但工作效率卻很低，在雨雪等天氣條件下，會受到影響，而且工作人員重復(fù)相同的工作，容易產(chǎn)生不良情緒。視頻監(jiān)控系統(tǒng)也有很多不足之處，存在盲區(qū)，很難實現(xiàn)全方位覆蓋。另外，由于攝像頭數(shù)量特別多且系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此經(jīng)常會發(fā)生故障，維護起來比較困難。近幾年，國家大力實施自動化降壓減人、機械化更換人的工作方針，機器人技術(shù)在我國發(fā)展迅速，越來越多成本低、效率高、可靠性高的智能巡檢機器人被設(shè)計和研制出來，并逐步廣泛地應(yīng)用于油氣行業(yè)，替代人工巡檢，彌補了人工巡檢存在的一些不足。本文簡單介紹了智能巡檢機器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，通過分析巡檢機器人的研究現(xiàn)狀，找出存在的問題，并提出對未來的展望。

1 智能巡檢機器人概述

智能巡檢機器人是一個融合多種計算機技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，在各種傳感器的協(xié)作幫助下，可以檢測設(shè)備的實時狀態(tài)，并開展相應(yīng)的工作，為工作站的員工減輕負擔。智能巡檢機器人使用范圍很廣泛，有許多種類型，比如油氣工作站的巡檢機器人、廊道的巡檢機器人、變電站的巡檢機器人等。智能巡檢機器人一般由傳感器、探測器、攝像頭和其他輔助裝置組成。目前投入使用的智能巡檢機器人多數(shù)是輪式驅(qū)動和履帶式驅(qū)動底盤，輪式驅(qū)動移動速度快，但只能在平坦的路面上行駛，履帶式驅(qū)動可以跨越障礙物，不過速度較慢。

油氣工作站智能巡檢機器人有以下功能：通過高清攝像頭采集圖像和視頻并傳輸?shù)胶笈_存檔；借助紅外測溫儀，反映工作站設(shè)備的溫度分布情況，方便工作人員找出存在的問題，避免發(fā)生故障；通過激光甲烷檢測儀，能夠及時發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏位置，讓工作人員進行修補工作；依靠超聲波傳感器，定位并識別各種障礙物，確保在巡檢時能夠避開障礙物，防止自身受到損壞；在互聯(lián)網(wǎng)的幫助下，獲取工作站周圍的天氣、溫度和風速等相關(guān)信息，切換不同的工作模式。

2 壓氣站智能巡檢機器人研究現(xiàn)狀

智能巡檢機器人最早使用于電力行業(yè)，早在20世紀90年代，東京電力公司和日本三菱公司聯(lián)合開發(fā)了變電站巡檢機器人，通過紅外熱像儀和數(shù)字圖像采集裝置，獲取變電站內(nèi)的信息，如圖1所示。2008年，巴西圣保羅大學開發(fā)研制了一種用于變電站內(nèi)部溫度監(jiān)測的移動式機器人，體積和重量都比較小，易于操作，紅外熱成像儀通過架設(shè)在變電站上面的高空軌道移動，如圖2所示。美國自主研發(fā)的變電站檢測機器人，能夠自動對電力設(shè)備進行紅外檢測，并使用檢測天線定位局部放電的位置，如圖3所示。2013年，加拿大研制出一種既可以檢測也可以操作的機器人，擁有視覺和紅外檢測的功能，而且能夠進行遠程遙控，如圖4所示。

圖1 日本早期研制的 變電站巡檢機器人

圖2 巴西圣保羅大學研制的備熱點監(jiān)測機器人

圖3 美國電力巡檢機器人

圖4 加拿大檢測及操作機器人

國內(nèi)對智能巡檢機器人的研究起步較晚，但發(fā)展十分迅速。2004年，我國自主研發(fā)的第一臺巡檢機器人誕生。2007年，山東電力研究院的魯守銀等深入研究了智能巡檢機器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并基于攝像機、高性能定向MIC等傳感器，給出了實現(xiàn)巡檢機器人圖像識別及溫度測量等功能的方法，提高了變電站設(shè)備運行的安全性。中國石油大學的矯德余在控制硬件設(shè)計中，使用ARM嵌入式系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)，讓巡檢機器人系統(tǒng)更加智能化，為后續(xù)復(fù)雜的應(yīng)用提供了條件。電子科技大學的鄒其雨設(shè)計了SIPR數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)，提高了工作站設(shè)備維護和檢測的自動化水平。

近幾年，油氣行業(yè)巡檢機器人發(fā)展迅速。2018年中國石油首臺巡檢機器人在長慶油田采氣四場使用，以電動四輪驅(qū)動，配有360°轉(zhuǎn)動的攝像頭，可以在晚上使用，裝配氣體檢測儀和聲音采集裝置，實現(xiàn)了氣、聲、光三項數(shù)據(jù)收集和各類危害風險的自動化預(yù)警，如圖5所示。中衛(wèi)站的第二代智能巡檢機器人可以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)智能采集分析、及時報警等功能，如圖6所示。西安市油氣田智慧裝備工程技術(shù)研究中心研發(fā)的第二代5G激光機器人，通過激光雷達導(dǎo)航，利用激光甲烷檢測儀和紅外線甲烷檢測儀檢測工藝區(qū)甲烷含量，在紅外熱成像儀和攝像頭的幫助下檢測設(shè)備溫度及儀表讀數(shù)，同時將采集的圖像和數(shù)據(jù)，通過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到控制中心，如圖7所示。北斗油氣站場智能巡檢機器人，通過北斗精準定位、三維激光SLAM建模，擁有無人駕駛自主避障行駛和精準定位能力，可以輕松完成路線規(guī)劃且多任務(wù)自主執(zhí)行，如圖8所示。

圖5 長慶油田巡檢機器人

圖6 中衛(wèi)站巡檢機器人

圖7 第二代5G激光機器人

圖8 北斗油氣站場智能巡檢機器人

3 智能巡檢機器人在實際應(yīng)用中的不足

3.1 識別問題

智能巡檢機器人在進行巡檢工作時，是依靠相應(yīng)的傳感器對各種障礙物進行感應(yīng)，從而避開障礙物。但在具體使用過程中仍存在一些問題，比如智能巡檢機器人可能將一些設(shè)備識別為障礙物，那么操作人員就無法獲取這些設(shè)備的信息，會影響后續(xù)的工作。

3.2 測溫問題

智能巡檢機器人進行測溫工作的時候，一般是按照工作人員事先設(shè)計好的路徑行走，無法全方位的對設(shè)備進行溫度測量，又因為站內(nèi)各種設(shè)備的存在，有些區(qū)域工作的機器人只能在相對較遠的地方進行溫度測量，導(dǎo)致測量結(jié)果不夠精確。另外，在下雨或者下雪的情況下測溫工作也會受到影響。因此，巡檢機器人只能對設(shè)備進行簡單的溫度測量，無法保證測量溫度的準確性。

3.3 讀取數(shù)據(jù)問題

一般情況下智能巡檢機器人配備的攝像頭是可以調(diào)節(jié)焦距的，其讀取儀表上的數(shù)據(jù)比人工巡檢人員的目測相對要準確一些。智能巡檢機器人通過調(diào)節(jié)焦距可以把距離較遠或較高的儀表界面拍攝為清楚的圖片并傳輸?shù)胶笈_進行保存。但是在長時間使用后，攝像頭會變臟，機器人又不能自動清洗，儀表檢測和讀取數(shù)據(jù)就會受到影響。除此之外，也時常發(fā)生攝像頭對焦不準確的問題。

3.4 續(xù)航問題

目前投入使用的智能巡檢機器人持續(xù)工作時間只有6-8小時，續(xù)航能力太差，一旦電量耗盡，操作人員就要將它回收充電，充電結(jié)束后又要重新進行設(shè)置，浪費了很多時間和精力。如果工作人員沒有發(fā)現(xiàn)巡檢機器人電量耗盡，那么機器人將會一直停留在那。

4 結(jié)語

油氣行業(yè)巡檢機器人在最近幾年迅速發(fā)展，它的工作效率比人工巡檢高得多，而且在惡劣的天氣條件下依然可以正常工作，是我國油氣行業(yè)智慧化發(fā)展的必然趨勢。然而，智能巡檢機器人也存在很多問題，針對這些問題，未來可在以下方面發(fā)展：（1）革新SLAM 算法，使得定位和導(dǎo)航更加準確，更加簡單，盡量減少識別錯誤，保證巡檢機器人正常工作。（2）加強一些關(guān)鍵技術(shù)的研究。如紅外測溫技術(shù)，實現(xiàn)溫度的精準測量。（3）添加自動清洗裝置以及更好的焦距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，讓拍出的圖片或視頻更加清晰。（4）搭載更多類型的傳感器，獲取各種各樣的設(shè)備狀態(tài)信息。（5）機器人更加智能化，可自主解決發(fā)現(xiàn)的問題。