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煉化企業(yè)智能機器人巡檢技術(shù)應(yīng)用前景分析

王國彤1,孫秉才2,儲勝利2,宋亞敏1(1.中國石油天然氣股份有限公司大連石化分公司，遼寧省大連市；2.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京市)摘要：隨著石油煉制技術(shù)的進步，煉化企業(yè)裝置規(guī)模呈大型化一體化發(fā)展態(tài)勢。為了保障裝置安全可靠運轉(zhuǎn)，單純依靠人工巡檢不能滿足現(xiàn)場巡檢需要，且危險區(qū)域人工巡檢風(fēng)險高，巡檢質(zhì)量易受人員素質(zhì)影響。結(jié)合智能機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出智能機器人替代人工巡檢的方案，以達到降低巡檢強度、提高巡檢質(zhì)量、降低人身傷害風(fēng)險的目的。結(jié)合煉化企業(yè)日常巡檢的業(yè)務(wù)需求，分析國內(nèi)外智能機器人巡檢技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和現(xiàn)狀，簡要介紹了智能巡檢機器人的組成原理及解決方案，并分析了智能機器人巡檢技術(shù)在煉化企業(yè)日常巡檢中的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：煉化企業(yè) 智能 機器人 巡檢 導(dǎo)航 控制隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和機器人技術(shù)的深度融合，智能機器人已替代傳統(tǒng)機器人滲透到多個領(lǐng)域，如汽車制造、物流分揀、采礦、電力巡檢以及餐飲服務(wù)等，能夠替代人工完成相關(guān)工作任務(wù)。《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》提出，在危險程度高的化工等行業(yè)推進工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用。因此，對存在高危作業(yè)場所的煉化企業(yè)而言，應(yīng)抓住契機，深入研究智能機器人替代人工技術(shù)，減少危險作業(yè)場所人工巡檢操作頻次，降低造成人員傷亡事故的風(fēng)險。

1、煉化企業(yè)巡檢現(xiàn)狀分析

隨著科技的進步，煉化企業(yè)安全巡檢方式也發(fā)生了變化，大致可分為3個階段：第一階段為人工巡視、檢查，紙質(zhì)表格記錄，該方式完全依靠人工“聽、看、摸、聞”判斷設(shè)備故障，巡檢質(zhì)量差，且受巡檢人員素質(zhì)影響大，存在巡檢不到位的現(xiàn)象；第二階段為信息點巡檢系統(tǒng)，該方式解決了巡檢不到位的問題，但巡檢質(zhì)量沒有得到根本改善；第三階段為基于移動終端等設(shè)備和移動通信技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)，該方式在巡檢過程中增加了便攜式檢測設(shè)備，解決了前兩階段巡檢依靠人工感官判斷故障的問題，提高了巡檢質(zhì)量和巡檢效率。以上方式雖然一定程度上解決了巡檢質(zhì)量問題，但均需要人工完成，沒有降低巡檢人員人身傷害的風(fēng)險。對典型的97例煉化企業(yè)事故進行分析，其中直接或間接因巡檢造成人員傷亡的事故19例(見表1)，約占20%，可見，巡檢過程造成巡檢人員傷亡的風(fēng)險較高。表1?巡檢事故統(tǒng)計增加智能機器人設(shè)備，發(fā)展基于人工智能的機器人巡檢技術(shù)，可以在確保巡檢質(zhì)量的前提下，降低巡檢人員人身傷害的風(fēng)險。

2、智能機器人巡檢技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外電力行業(yè)廣泛應(yīng)用智能巡檢機器人替代人工完成巡檢任務(wù)。電力巡檢機器人如圖1所示，該技術(shù)相對比較成熟，應(yīng)用較好的國家有日本、美國和加拿大等。國內(nèi)經(jīng)過十多年的發(fā)展，巡檢可靠性大力提高，已在電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用[1-2]。圖1?電力巡檢機器人由于煉化企業(yè)裝置密集，存在易燃易爆有毒有害物質(zhì)，導(dǎo)致開發(fā)智能巡檢機器人替代人工完成巡檢任務(wù)難度較大，目前在該領(lǐng)域鮮有應(yīng)用，但也有公司進行了嘗試及應(yīng)用，如圖2和圖3所示。圖2?殼牌公司某現(xiàn)場智能巡檢機器人圖3?中國石化某站場智能巡檢機器人圖2為殼牌公司委托美國國家機器人工程中心研發(fā)的第一臺被許可用于油氣行業(yè)爆炸性環(huán)境的機器人，該機器人應(yīng)用于哈薩克斯坦卡薩干油田，替代人工檢測管道、閥門、泵以及儀器儀表等設(shè)備狀態(tài)，可連續(xù)6個月不檢修穩(wěn)定運行，采用半自動方式控制。圖3為中國石化某站場智能巡檢機器人，該巡檢機器人采用磁條導(dǎo)航方式，按照規(guī)定的路線檢查站場閥門、儀器儀表讀數(shù)以及管道等，機器人攜帶可見光視頻攝像頭、紅外攝像頭以及硫化氫氣體報警器等檢測傳感器[3-4]。

3、煉化企業(yè)智能巡檢機器人發(fā)展趨勢

目前，煉化企業(yè)巡檢任務(wù)主要通過“聽、看、測、摸、聞”判斷現(xiàn)場管道、閥門、動設(shè)備、靜設(shè)備以及儀器儀表的工作狀態(tài)。利用智能機器人替代人工完成以上任務(wù)，該機器人必須具備自動或半自動移動能力、現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)診斷能力、有毒有害和爆炸性氣體檢測能力以及報警能力等。基于上述要求，適用于煉化企業(yè)現(xiàn)場的智能巡檢機器人主要由5部分組成，如圖4所示，分別為導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)以及實時通信系統(tǒng)。

3.1?導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

導(dǎo)航與控制系統(tǒng)為巡檢機器人的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由9部分組成，負責(zé)將安裝的各種檢測傳感系統(tǒng)安全地移動到檢測位置。該部分主要利用激光雷達以及地圖識別等組成 SLAM(同步定位與建圖)導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人行走路徑規(guī)劃，從而控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)的啟停、速度與轉(zhuǎn)向。對于機器人自身高度達不到的巡檢點，利用自由度多的機械臂，擴大巡檢機器人的巡檢空間，補償自身高度不足的問題，滿足現(xiàn)場巡檢的需要。

3.2?檢測傳感系統(tǒng)

檢測傳感系統(tǒng)主要負責(zé)識別檢測位置設(shè)備的運行狀態(tài)，可根據(jù)實際需要，配備不同的檢測傳感設(shè)備，目的通過傳感器檢測巡檢路線上各個重要設(shè)備的溫度、外觀、噪聲、振動、硫化氫氣體、爆炸氣體濃度以及重要管道的剩余壁厚等。

3.3?安全防護系統(tǒng)

由于巡檢機器人運行環(huán)境存在易燃易爆氣體，且在室外會受到粉塵及雨淋的影響，因此，智能巡檢機器人必須滿足在危險場所1級區(qū)域，以及不低于IP65的防塵防水使用要求。智能巡檢機器人在煉化企業(yè)廠區(qū)行走，還必須保證在行進過程中不出現(xiàn)失控、碰撞現(xiàn)場運行設(shè)備及現(xiàn)場作業(yè)人員的現(xiàn)象，并具有邊沿感測能力，防止跌落。

3.4?智能識別系統(tǒng)

智能識別系統(tǒng)相當于機器人的大腦，用于實時準確診斷現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題。泄漏識別分為氣體和液體泄漏識別，氣體識別技術(shù)可利用高光譜紅外識別技術(shù)以及光學(xué)氣體成像紅外熱像儀，能夠準確識別氣體的泄漏位置以及氣體濃度；液體泄漏因受位置及環(huán)境光線的影響，難于識別和發(fā)現(xiàn)，目前，可通過基于大數(shù)據(jù)的人工智能可見光視頻識別技術(shù)初步判斷液體泄漏情況，但該技術(shù)還處于探索階段[5]。煉化企業(yè)現(xiàn)場存在大量指針式儀表、數(shù)字式儀表、玻璃管液位計以及閥門等，通過機器人上搭載的視覺系統(tǒng)，有效準確識別儀表讀數(shù)、液位位置及閥門開度等[6]。智能巡檢機器人增加語音識別功能，可以識別操作人員發(fā)出的語音指令，判斷機器人所要執(zhí)行的動作，大大提高機器人的適應(yīng)性，更好地為巡檢作業(yè)服務(wù)。

3.5?實時通信系統(tǒng)

實時通信系統(tǒng)主要提供現(xiàn)場機器人與控制室內(nèi)部信息的交互，隨著工業(yè)5G技術(shù)的成熟以及云服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，巡檢機器人現(xiàn)場采集的大量數(shù)據(jù)可以實時傳輸和存儲到云服務(wù)空間，通過云端的分析計算，實現(xiàn)即時響應(yīng)需求，為第一時間發(fā)現(xiàn)安全隱患和預(yù)知潛在風(fēng)險提供有效支持，降低現(xiàn)場事故發(fā)生率，保障巡檢安全。

圖4?智能巡檢機器人組成原理4、智能機器人巡檢面臨的技術(shù)難點雖然智能機器人替代人工巡檢是降低巡檢強度及人身傷害風(fēng)險的有效手段，但是需要解決以下技術(shù)問題。一是已建煉化企業(yè)裝置布置較為密集，呈立體分層布置，受裝置布置空間影響，人工巡檢需跨塄坎、登扶梯、繞障礙等查看設(shè)備狀態(tài)，因此，需要解決智能機器人巡檢路徑規(guī)劃以及查看遮蔽處設(shè)備狀況的問題。二是煉化企業(yè)廠區(qū)占地面積較大，信號覆蓋強度可能不高，且大型裝置可能造成信號遮蔽干擾，需要解決巡檢機器人信息傳輸及電磁干擾的問題。三是對液體泄漏的識別，當現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生滲漏而不產(chǎn)生滴落時，受到環(huán)境光線及背景影響，通過可見光人工智能識別泄漏點前后圖像難度較大。

5、結(jié)論及展望

煉化企業(yè)智能巡檢機器人替代人工完成巡檢任務(wù)既是機遇又是挑戰(zhàn)，其優(yōu)勢較為明顯。1)智能巡檢機器人替代人工巡檢可以降低巡檢人員勞動強度和人身傷害的風(fēng)險，減少不必要的人員傷亡事故，保障人員安全。2)智能巡檢機器人可以配備多種檢測傳感設(shè)備，并利用強大的云服務(wù)處理能力，即時對比分析歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測設(shè)備運行過程中的潛在風(fēng)險。3)只要電力充足，智能巡檢機器人可以根據(jù)需要隨意安排巡檢頻次，提高巡檢質(zhì)量，保障企業(yè)安全穩(wěn)定運行。隨著5G技術(shù)的成熟，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合煉化行業(yè)特點，煉化企業(yè)現(xiàn)場巡檢安全保障技術(shù)將發(fā)生革命性的變化，形成以云計算服務(wù)為核心、現(xiàn)場自主導(dǎo)航、軌道以及固定式不同的機器人，按需采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息，及時診斷運行狀況，預(yù)測設(shè)備的可靠性并提出檢修及維修計劃，達到保障現(xiàn)場安全可靠運行的目的。參考文獻：[1] 梁永強.智能巡檢機器人應(yīng)用現(xiàn)狀及問題探析[J].山東電力技術(shù),2018,45(2):31-34.[2] 朱齊.智能巡檢機器人系統(tǒng)在500 kV東臺變電站的應(yīng)用研究[D].福州:福州大學(xué),2017.[3] 徐遵義,韓紹超.基于相機標定和最大連通區(qū)域算法的指針式儀表讀數(shù)識別[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2019,42(9):46-50.[4] 周楊浩,劉一帆,李瑮.一種自動讀取指針式儀表讀數(shù)的方法[J/OL].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版):1-7[2019-04-29].http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1391.t.20190416.1145.002.html.[5] 堯衛(wèi).基于機器視覺的指針儀表讀數(shù)識別技術(shù)研究[D].南昌:南昌航空大學(xué),2018.[6] 定康.易燃易爆氣體泄漏檢測系統(tǒng)研究[D].武漢:武漢工程大學(xué),2017.

作者簡介：王國彤，高級工程師，本科，主要從事聚烯烴、質(zhì)量管理、油氣儲運、煉油技術(shù)等工作。本文內(nèi)容來源于《煉油技術(shù)與工程》，由石化緣整理發(fā)布，數(shù)據(jù)僅供參考，與石化緣合作投稿請加文末小編微信了解！

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總結(jié)

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