5G通信技術(shù)在高含硫天然氣生產(chǎn)場(chǎng)站的推廣應(yīng)用研究

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(zé)任公司，重慶 400021；4.新津川港燃?xì)庥邢薰荆拇?成都 611430)

0 引言

隨著改革開(kāi)放步伐，我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)能源的需求，日益增長(zhǎng)，尤其在對(duì)天然氣的需求上，達(dá)到了歷史高峰。同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，無(wú)論是從國(guó)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(duì)人的生命安全的重視程度提得越來(lái)越高。在高含硫天然氣生產(chǎn)場(chǎng)站，充分利用先進(jìn)的5G通信技術(shù)，可以有效地保障生產(chǎn)場(chǎng)站人員的生命安全，防止和減少對(duì)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(chǎng)站智慧系統(tǒng)的要求

5G通信技術(shù)是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有高帶寬、大連接、低時(shí)延特性。5G通信技術(shù)通過(guò)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(gè)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(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，可以有效降低作業(yè)活動(dòng)安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)管理。基于現(xiàn)有油田，在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上加入先進(jìn)的5G邊緣計(jì)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(chǎng)無(wú)人值守解決方案和基于5G的管線監(jiān)測(cè)解決方案等。借助先進(jìn)信息技術(shù)和專業(yè)技術(shù)，全面感知油氣田動(dòng)態(tài)，自動(dòng)操控油氣田行為，預(yù)測(cè)油氣田變化趨勢(shì)，持續(xù)優(yōu)化油氣田管理，科學(xué)輔助油氣田決策，使計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(gè)重點(diǎn)區(qū)域均設(shè)置高清攝像頭，如大門(mén)、加熱爐、泵房、罐區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域全覆蓋，視頻通過(guò) 5G通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器，調(diào)度室可通過(guò)視頻監(jiān)控客戶端隨時(shí)查看站場(chǎng)內(nèi)的異常狀況，以及調(diào)閱回放歷史錄相。對(duì)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的跑冒滴漏或各種險(xiǎn)情進(jìn)行有效地監(jiān)視。同時(shí)實(shí)時(shí)的高清視頻圖像分析，通過(guò)各種算法規(guī)則的設(shè)定來(lái)檢測(cè)圖像中的某種行為并發(fā)出報(bào)警，包括區(qū)域入侵監(jiān)測(cè)、絆線檢測(cè)、遺失檢測(cè)、遺留檢測(cè)、方向檢測(cè)、徘徊檢測(cè)、人群流量統(tǒng)計(jì)等。

2.2 機(jī)器人站內(nèi)輔助功能

利用機(jī)器人搭載高清攝像頭和熱成像攝像頭，對(duì)溫度敏感區(qū)域進(jìn)行測(cè)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(jī)器人就能及時(shí)報(bào)警；高清攝像頭對(duì)過(guò)熱部分進(jìn)行觀察分析。實(shí)時(shí)回傳的視頻和數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)保存到后端的平臺(tái)，可以進(jìn)行事后的計(jì)算分析，以供后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理決策。基于5G大帶寬以及低時(shí)延技術(shù)的排險(xiǎn)機(jī)器人可以在高溫、毒氣等情況下，靠近險(xiǎn)情發(fā)生地點(diǎn)，將近距離的高清視頻回傳至指揮中心，以判斷險(xiǎn)情發(fā)生原因，指導(dǎo)排險(xiǎn)工作；同時(shí)利用機(jī)器人搭載的機(jī)械臂，在人員無(wú)法靠近的情況下對(duì)閥門(mén)進(jìn)行關(guān)閉操作，或?qū)⒒鹪磽錅纭C(jī)器人的輔助排險(xiǎn)能夠極大的減小排險(xiǎn)過(guò)程中的人員傷亡，提高搶險(xiǎn)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(jì)算機(jī)為載體，基于平臺(tái)提供的人工智能服務(wù)，通過(guò)智能感知、智能交互，適配企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程；將智能眼鏡與開(kāi)發(fā)生產(chǎn)基礎(chǔ)工作標(biāo)準(zhǔn)化管理成果、規(guī)程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站基礎(chǔ)工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)信息化支撐，讓場(chǎng)站員工在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作有據(jù)可依。在生產(chǎn)巡檢等方面，利用機(jī)器深度學(xué)習(xí)、圖像學(xué)習(xí)、人工智能識(shí)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(lái)全新作業(yè)體驗(yàn)，助推企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型。

3 5G通信技術(shù)在高含硫天然氣生產(chǎn)場(chǎng)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(yǔ)音識(shí)別：通過(guò)AI降噪算法，可在工業(yè)噪聲中識(shí)別語(yǔ)音，經(jīng)過(guò)AI訓(xùn)練，有效提高語(yǔ)音指令準(zhǔn)確性的輸入。智能作業(yè)輔助：使用頭戴式計(jì)算機(jī)替代手持終端，將作業(yè)指導(dǎo)的多維信息實(shí)時(shí)疊加至操作部位，實(shí)現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)“可視化”，聯(lián)動(dòng)語(yǔ)音提示模塊，可自動(dòng)播報(bào)作業(yè)要點(diǎn)與難點(diǎn)，形成全方位指導(dǎo)，提升作業(yè)質(zhì)量，降低誤操作風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備工藝擬合：將設(shè)備3D工藝動(dòng)畫(huà)匹配到設(shè)備實(shí)景中，將理論與實(shí)踐融合在一起，使得作業(yè)要求和指導(dǎo)更加生動(dòng)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。基于AR的人臉識(shí)別擴(kuò)展：將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于進(jìn)出站驗(yàn)證，代替以往員工通過(guò)手持終端手工錄入準(zhǔn)入碼的過(guò)程，更方便快速高效。

3.2 無(wú)人機(jī)巡檢研究

巡檢無(wú)人機(jī)主機(jī)：主要負(fù)責(zé)飛行及數(shù)據(jù)采集工作，通過(guò)搭載不同的負(fù)載設(shè)備從而達(dá)到不同的作業(yè)目的。掛載可見(jiàn)光相機(jī)，拍攝高清照片，通過(guò)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(jìn)行查看。掛載可見(jiàn)光相機(jī)，拍攝高清視頻，可實(shí)時(shí)查看巡檢畫(huà)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(guò)云端控制系統(tǒng)進(jìn)行上傳和下發(fā)。可選擇云存儲(chǔ)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(jī)器人巡檢研究

激光導(dǎo)航引導(dǎo)機(jī)器人路徑；采用激光導(dǎo)航，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性高。可通過(guò)路徑導(dǎo)航，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃的路徑運(yùn)行。也可以自由導(dǎo)航，無(wú)需路徑，確定目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)進(jìn)行自主避障和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。機(jī)器人智能領(lǐng)工：可引領(lǐng)運(yùn)維人員到達(dá)指定地點(diǎn)，查看歷史巡檢錄像，實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控，并在指定地點(diǎn)巡檢工作。機(jī)器人自動(dòng)智能巡檢：機(jī)器人按照對(duì)應(yīng)地圖自主生成巡檢路線。實(shí)現(xiàn)對(duì)指示燈的識(shí)別，展示巡檢任務(wù)軟件平臺(tái)與展示歷史記錄的功能。巡檢結(jié)果與告警可在平臺(tái)與工作臺(tái)展示。溫度敏感區(qū)域機(jī)器人測(cè)溫與分析：通過(guò)搭載高清攝像頭和熱成像攝像頭，對(duì)溫度敏感區(qū)域進(jìn)行測(cè)溫，溫度越限的情況下機(jī)器人能及時(shí)報(bào)警；高清攝像頭能對(duì)過(guò)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(jī)器人巡檢研究、無(wú)人機(jī)巡檢研究等多個(gè)子系統(tǒng)組合而成的綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，為了使各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，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(kāi)始前，系統(tǒng)根據(jù)檢修任務(wù)，自動(dòng)匹配推薦合適的檢修工具。工作開(kāi)始時(shí)，在工作場(chǎng)景中疊加多維信息，展示簡(jiǎn)單友好的操作界面，跟隨系統(tǒng)實(shí)時(shí)指引，結(jié)合語(yǔ)音提醒，讓用戶輕易上手逐步完成生產(chǎn)操作，簡(jiǎn)化操作難度，避免操作紕漏或者操作錯(cuò)誤。

3.4.2 無(wú)人機(jī)巡檢研究

系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能、數(shù)據(jù)管理、任務(wù)規(guī)劃及圖像識(shí)別四大功能模塊。系統(tǒng)支持5G實(shí)時(shí)高清畫(huà)面回傳、飛行軌跡與對(duì)應(yīng)航跡影像同步記錄、圖像預(yù)警識(shí)別統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程航線下發(fā)與航線共享等關(guān)鍵功能。用于輔助無(wú)人機(jī)開(kāi)展線路巡檢工作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡檢工作工單化，自動(dòng)化，可視化，同時(shí)采用機(jī)器學(xué)人工智能對(duì)線路上的隱患進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)，為無(wú)人機(jī)管網(wǎng)維護(hù)提供有力支撐。

3.4.3 智能機(jī)器人巡檢研究

系統(tǒng)研究對(duì)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(cè)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(diǎn)進(jìn)行控制，并根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃路線進(jìn)行導(dǎo)航，與實(shí)時(shí)定位產(chǎn)生巡檢軌跡。同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)生成巡檢圖像、巡檢視頻、異常報(bào)警、巡檢軌跡等相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。大幅提高作業(yè)效率、降低勞動(dòng)成本、減少維護(hù)人員的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 5G邊緣計(jì)算應(yīng)用研究

為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站立體空間全方位防控，提高過(guò)去依靠肉眼或“遠(yuǎn)水救不了近火”的窘境，以人工智能和5G邊緣計(jì)算為手段，在井站部署高清攝像頭，監(jiān)控視頻通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳至大貓坪中心站5G邊緣云，通過(guò)部署于其上的安防平臺(tái)進(jìn)行邊緣側(cè)的視頻識(shí)別推斷和存儲(chǔ)，將視頻和推斷結(jié)果上報(bào)至DCC，并通過(guò)大屏、喇叭、短消息等與井站進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、主動(dòng)預(yù)警。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)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(shí)時(shí)分析、精準(zhǔn)控制等需求得到滿足，實(shí)現(xiàn)操作空間集中化、操作崗位機(jī)器化、運(yùn)維輔助遠(yuǎn)程化、服務(wù)環(huán)節(jié)線上化，把員工從現(xiàn)場(chǎng)解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)少人、無(wú)人作業(yè)。通過(guò)構(gòu)建 “5G+邊緣云計(jì)算+大數(shù)據(jù)+人工智能”新架構(gòu)，建立“智慧油氣田”。