劉 華，路 園，劉雨晴

(1.佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司，廣東 佛山 528000；2.北京訊騰智慧科技股份有限公司，北京 100029)

1 概述

天然氣廠站由于其設(shè)備特征和天然氣易燃易爆的氣體特性，不可避免地存在各種安全風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行巡檢。

對(duì)于天然氣廠站的監(jiān)控和巡檢，傳統(tǒng)方式通常采用定點(diǎn)安裝檢測(cè)儀表結(jié)合人工巡檢，應(yīng)用四班三運(yùn)轉(zhuǎn)模式，實(shí)現(xiàn)廠站內(nèi)人員24 h值守，一班3人。因此一個(gè)廠站運(yùn)維至少需要12名員工進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、事故預(yù)警、災(zāi)害處置、數(shù)據(jù)記錄及臺(tái)賬管理等[1]。這一方式在實(shí)際應(yīng)用中檢測(cè)效率低，檢驗(yàn)方式單一，影響因素多，檢測(cè)數(shù)據(jù)分散。

應(yīng)用巡檢機(jī)器人加強(qiáng)燃?xì)鈴S站泄漏檢測(cè)，對(duì)保障燃?xì)獍踩?、推?dòng)事前預(yù)防非常必要。因此，本文針對(duì)在燃?xì)鈴S站開展智能防爆巡檢機(jī)器人(簡(jiǎn)稱巡檢機(jī)器人)的應(yīng)用研究，分析其主要構(gòu)成、應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提升燃?xì)鈴S站本質(zhì)安全甚至應(yīng)用在應(yīng)急場(chǎng)景均有重要意義。

2 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人整機(jī)采用防爆式設(shè)計(jì)，可用于Ⅱ類爆炸環(huán)境，能在-20～60 ℃環(huán)境內(nèi)正常工作，能夠滿足多種工作需求。巡檢機(jī)器人整機(jī)見圖1，智能檢測(cè)云臺(tái)見圖2。巡檢機(jī)器人組成件名稱及作用如下。

圖1 巡檢機(jī)器人整機(jī)1.防爆機(jī)箱 2.通信天線和北斗天線 3.聲光報(bào)警器、拾音器和擴(kuò)音器 4.磁導(dǎo)航傳感器 5.激光避障傳感器 6.激光雷達(dá) 7.高清攝像頭、紅外攝像頭 8.4組驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱和橡膠輪胎 9.激光甲烷遙測(cè)儀 10.四合一環(huán)境氣體檢測(cè)儀 11.云臺(tái)

圖2 智能檢測(cè)云臺(tái)

① 防爆機(jī)箱：將自控裝置、電池及驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在防爆機(jī)箱中，提高工作性能的穩(wěn)定性和可靠性。

② 通信天線和北斗天線：置于防爆機(jī)箱頂部，通過(guò)設(shè)置無(wú)線通信模塊和通信天線，使巡檢機(jī)器人具備無(wú)線通信功能，將巡檢信息上傳至數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺(tái)(簡(jiǎn)稱監(jiān)控平臺(tái))。通過(guò)設(shè)置北斗接收模塊和北斗天線，可準(zhǔn)確判定巡檢機(jī)器人的位置，增強(qiáng)了巡檢機(jī)器人的功能性和自動(dòng)化程度。

③ 聲光報(bào)警器、拾音器和擴(kuò)音器：置于防爆機(jī)箱頂部，拾音距離達(dá)到15 m，可通過(guò)無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)對(duì)講、遠(yuǎn)程喊話，以達(dá)到了解現(xiàn)場(chǎng)情況、警告威懾等多種目的。

④ 磁導(dǎo)航傳感器：置于防爆機(jī)箱底部前側(cè)，通過(guò)測(cè)量路徑上的磁場(chǎng)信號(hào)獲取巡檢機(jī)器人自身相對(duì)于目標(biāo)跟蹤路徑之間的位置偏差，具有很高的測(cè)量精度及良好的重復(fù)性，不易受光線變化影響。

⑤ 激光避障傳感器：置于防爆機(jī)箱四周，用于檢測(cè)巡檢機(jī)器人附近的低位置障礙物。

⑥ 激光雷達(dá)：置于防爆機(jī)箱頂部，用于在運(yùn)行區(qū)域構(gòu)建三維地圖，巡檢機(jī)器人運(yùn)行中自主避障。

⑦ 高清攝像頭、紅外攝像頭：置于云臺(tái)連接的腔體內(nèi)，對(duì)巡檢現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍照或錄像，高清攝像頭拍攝實(shí)時(shí)高清圖像，紅外攝像頭拍攝紅外溫度視場(chǎng)圖像。

⑧ 4組驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱和橡膠輪胎：置于防爆機(jī)箱內(nèi)部和底部，使巡檢機(jī)器人具備4輪差速轉(zhuǎn)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。

⑨ 激光甲烷遙測(cè)儀：置于云臺(tái)連接的腔體內(nèi)，對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行泄漏檢測(cè)的非接觸式主檢測(cè)設(shè)備。

⑩ 四合一環(huán)境氣體檢測(cè)儀：置于防爆機(jī)箱頂部，可選配不同探頭進(jìn)行可燃?xì)怏w(甲烷、一氧化碳、氨氣、二氧化硫等)同時(shí)在線檢測(cè)。

3 主要功能

巡檢機(jī)器人結(jié)合防爆設(shè)計(jì)、北斗定位、自動(dòng)駕駛、多元數(shù)據(jù)傳感等技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了組合導(dǎo)航、多功能氣體檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控等。

3.1 組合導(dǎo)航

巡檢機(jī)器人融入磁導(dǎo)航傳感器、激光雷達(dá)、北斗天線等，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)精準(zhǔn)定位定向，同時(shí)結(jié)合高精度慣導(dǎo)、激光雷達(dá)同時(shí)定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)精準(zhǔn)定位和均方根0.4°定向，并支持路線規(guī)劃和任務(wù)調(diào)度功能。北斗組合導(dǎo)航原理見圖3。

圖3 北斗組合導(dǎo)航原理

巡檢機(jī)器人根據(jù)北斗衛(wèi)星和附近的北斗地基增強(qiáng)站獲得高精度的定位定向，結(jié)合自身裝備的激光雷達(dá)在現(xiàn)場(chǎng)掃描建圖，不僅能夠執(zhí)行固定線路的巡檢任務(wù)，自動(dòng)躲避線路上障礙物，還可執(zhí)行臨時(shí)性應(yīng)急任務(wù)，擴(kuò)展了巡檢機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景支持能力。

3.2 多功能氣體檢測(cè)

巡檢機(jī)器人搭載激光甲烷遙測(cè)儀及四合一環(huán)境氣體檢測(cè)儀。激光甲烷遙測(cè)儀可隨云臺(tái)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，精度高、距離遠(yuǎn)、響應(yīng)快，是對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行泄漏檢測(cè)的非接觸式主檢測(cè)設(shè)備。激光甲烷遙測(cè)儀參數(shù)見表1。

表1 激光甲烷遙測(cè)儀參數(shù)

四合一環(huán)境氣體檢測(cè)儀采用車載固定式安裝，可選配不同傳感器實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w(甲烷、一氧化碳、氨氣、二氧化硫等)同時(shí)檢測(cè)，響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)30 s。檢測(cè)精度±3%，視具體傳感器而定。能同時(shí)保存500個(gè)事件數(shù)據(jù)，并且具有數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。除檢測(cè)氣體之外，能夠同時(shí)實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度和濕度。四合一環(huán)境氣體檢測(cè)儀見圖4。

激光甲烷遙測(cè)儀及四合一環(huán)境氣體檢測(cè)儀結(jié)合使用，可提升巡檢機(jī)器人的檢測(cè)質(zhì)效，適配多場(chǎng)景多需求氣體檢測(cè)。

圖4 四合一環(huán)境氣體檢測(cè)儀

3.3 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控

巡檢機(jī)器人所采集的數(shù)據(jù)，可通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)展示、存儲(chǔ)，同時(shí)可通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)控制巡檢機(jī)器人。監(jiān)控平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，可對(duì)接SCADA系統(tǒng)、生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控平臺(tái)界面見圖5。

圖5 監(jiān)控平臺(tái)界面

監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可見光圖像、紅外圖像、設(shè)備噪聲等信息，支持視頻播放、停止、抓圖、錄像、全屏顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)控巡檢機(jī)器人自身狀態(tài)。

監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)任務(wù)下達(dá)、自主篩選。通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)，工作人員可對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)調(diào)整、下發(fā)，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的巡檢信息進(jìn)行自動(dòng)化篩選處理。

監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)追溯、輔助決策。監(jiān)控平臺(tái)具有多維度、多層次歷史巡檢數(shù)據(jù)追溯能力，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與位置、時(shí)間緊密關(guān)聯(lián)，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)，可以生成豐富的現(xiàn)場(chǎng)圖像和數(shù)據(jù)報(bào)表，輔助工作人員進(jìn)行決策分析。

4 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

① 提升巡檢質(zhì)量

巡檢機(jī)器人集合了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)以及防爆功能，在工作中降低人為誤差，且可以保障本體安全。在巡檢過(guò)程中可以選擇磁導(dǎo)航自動(dòng)巡檢以及自定義道路巡檢，既可以完成周期性自動(dòng)化任務(wù)，保障固定巡檢區(qū)域燃?xì)獍踩?，又可以通過(guò)控制巡檢機(jī)器人對(duì)設(shè)備存在的故障或者異常點(diǎn)位進(jìn)行確認(rèn)，全方位提升巡檢質(zhì)量。

② 提高巡檢效率

巡檢機(jī)器人的應(yīng)用提高了巡檢效率。以天津塘沽燃?xì)忾T站為例，實(shí)際測(cè)試巡檢機(jī)器人24 h可巡檢38次，人工巡檢受制于環(huán)境、管理、人為等各種因素，24 h可以巡檢2次[2]。巡檢效率提升可以增大對(duì)環(huán)境巡檢的次數(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)泄漏檢測(cè)力度。

③ 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)安全

搭載北斗衛(wèi)星精準(zhǔn)定位導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人，在廠站內(nèi)能夠快速建模和實(shí)現(xiàn)cm級(jí)的精準(zhǔn)定位，并保障數(shù)據(jù)安全。廠站設(shè)有大量燃?xì)夤艿溃绻麢z查到燃?xì)庑孤?，巡檢機(jī)器人可進(jìn)行精準(zhǔn)定位并上報(bào)。

5 應(yīng)用場(chǎng)景展望

目前，巡檢機(jī)器人在燃?xì)鈴S站逐漸得到應(yīng)用，通過(guò)持續(xù)的應(yīng)用探索和不斷的系統(tǒng)更新，拓展了更多巡檢機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景。

5.1 日常巡檢

巡檢機(jī)器人配置多種高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析和預(yù)警等功能?？梢栽谝兹家妆ｋU(xiǎn)環(huán)境中工作，輔助作業(yè)人員完成巡檢任務(wù)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度。巡檢機(jī)器人日常巡檢見圖6。

圖6 巡檢機(jī)器人日常巡檢

5.2 現(xiàn)場(chǎng)看護(hù)

當(dāng)燃?xì)鈴S站、輸氣管道周圍臨時(shí)施工時(shí)，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)可遠(yuǎn)程調(diào)度巡檢機(jī)器人根據(jù)北斗定位信息導(dǎo)航行駛至施工現(xiàn)場(chǎng)，遠(yuǎn)程喊話、記錄施工工作流程，實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體濃度、獲取環(huán)境溫濕度信息，一旦可燃?xì)怏w濃度過(guò)高，立即報(bào)警提示。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)，遠(yuǎn)程傳輸其運(yùn)行的視頻數(shù)據(jù)、抓拍圖像。

5.3 應(yīng)急偵測(cè)

一旦燃?xì)鈴S站內(nèi)或輸氣管道周圍發(fā)生氣體泄漏，巡檢機(jī)器人可根據(jù)應(yīng)急地點(diǎn)的北斗定位信息到達(dá)指定位置，深入搶險(xiǎn)一線，代替人員先期進(jìn)入易燃易爆應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)探明情況，獲取現(xiàn)場(chǎng)音視頻、氣體濃度、環(huán)境溫濕度。實(shí)現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)多維環(huán)境數(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)，應(yīng)急指揮中心可根據(jù)巡檢機(jī)器人回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制定應(yīng)急方案，有序處置，降低了應(yīng)急人員的風(fēng)險(xiǎn)。