防爆巡檢機器人在天然氣分輸站的應用

劉標(浙江浙能天然氣運行有限公司,浙江 杭州 310052)

0 引言

天然氣分輸站是長輸管線當中一個非常重要的節點，擔負著承接上游來氣和向下游城市門站輸氣的責任，關系到國家的能源安全和民生穩定。為了在這些過程中確保天然氣分輸站的生產安全，杜絕“跑冒滴漏”等現象發生，需要工作人員定期通過便攜式可燃氣體檢測儀或者肥皂水對生產設備的每處易漏點進行巡檢檢測。但是由于人工巡檢效率低，難以確保巡檢質量，分輸站的生產安全無法得到有效保證。

為了更加高效地實現天然氣分輸站的巡檢工作，現使用一種具備在天然氣分輸站的易燃易爆環境下，具備防爆能力的巡檢機器人，替代人工巡檢，提升天然氣分輸站巡檢的工作效率，確保天然氣分輸站的安全性，并且防爆巡檢機器人可以替代人工進入危險地帶進行巡檢，并且可以精確地采集數據，同時判斷天然氣分輸站各設施的運行狀況，并及時作出判斷，實現了天然氣分輸站的自動化、智能化管理，具有良好的發展前景與市場空間。

1 防爆巡檢系統的構成

天然氣分輸站的巡檢機器人為防爆輪式巡檢機器人X3系列，同時配合防爆無線基站、自動充電裝置、AI分析管控平臺共同組成無人值守的防爆巡檢系統。

1.1 防爆巡檢機器人

在天然氣分輸站的巡檢系統當中，防爆巡檢機器人是整個巡檢系統當中的核心裝置，本次提出運用于天然氣站巡檢工作當中的是防爆巡檢機器人X3系列，由四輪驅動底盤、無需部署軌道的激光自然導航器、區域泄漏檢測傳感器、定點泄漏檢測傳感器、機器人移動安全檢測傳感器，和AI算法實現智能分析的視覺傳感器等共同組成。防爆巡檢機器人X3系列外觀如圖1所示，詳細參數如表1所示。

圖1 防爆巡檢機器人X3系列

表1 防爆巡檢機器人X3系列參數

防爆巡檢機器人的運動底盤由防爆驅動機構與車輪共同組成。防爆驅動機構由四組構成，機械結構相同并獨立，由防爆殼體、驅動電機、減震器、減速器、驅動軸共同構成；每組防爆驅動機構都配備獨立的減震器與懸掛[1]。

防爆巡檢機器人行走的地形復雜時，因為每組驅動都配備獨立的懸掛，因此可以保證每只輪子都實現與地面充分接觸，避免打滑現象。

防爆巡檢機器人使用的是無須鋪設軌道的自然導航自動駕駛技術，不僅可以按照預計路線進行全自動的巡檢，而且在特殊情況下，可以由操作站的人員遠程遙控巡檢機器人執行一些特殊巡檢工作。采用無軌自然導航的防爆巡檢機器人，導航精度達到了10 mm的高精度指標，而且可以自我學習外界環境的變化，達到高精度的長期使用要求，可靠性和穩定性都達到了工業級的能力。

1.2 防爆無線基站

巡檢機器人的工作區域當中設有覆蓋機器人運行區域的防爆無線基站，采用可靠的加密傳輸技術，以實現巡檢機器人工作區域內的全網絡安全覆蓋，并且達到工業級的毫秒級別延遲，確保防爆巡檢機器人與控制室之間的安全、可靠和穩定的工業級無線通訊連接。

1.3 AI分析管控平臺

防爆巡檢機器人采集到的信息由機器人進行了邊緣計算后，當發生異常情況的實時報警由機器人在邊緣側分析完成后，通過與站控DCS/SCADA系統進行交互，依據報警的等級，實時執行對應連鎖邏輯，第一時間降低事故風險。

同時，通過可靠的工業無線網絡，將通過邊緣側實時分析的數據，交由AI分析管控平臺進行大數據分析。基于AI技術的專家系統，對中控室操作工程師進行實時告警和風險處理步驟的提醒。根據風險的等級，可通過網絡將異常信息以管理平臺APP發送給相關部門負責人，上級部門專家和責任領導，可以立即了解到相關的數據、視頻與預警預測處理建議，進行態勢分析，降低和減少事故風險和危害，提高安全生產，保障人民生命財產和降低環境保護影響[2]。

巡檢機器人AI分析管控平臺的操作界面主要由系統、控制、查詢和數據庫等部分組成，平臺操作界面如圖2所示。

圖2 巡檢機器人AI分析管控平臺界面

1.4 自動充電裝置

防爆巡檢機器人可以對自身的狀態進行識別，對自我狀態進行診斷，如果發現自身電量不足，巡檢機器人將自動返航充電。

防爆巡檢機器人自動充電裝置主要由充電樁、防爆充電控制箱和連接電纜構成，防爆巡檢機器人完成自主充電[3]。

防爆巡檢機器人在運行過程中如果發現其電量低于設定值將自動返航尋找充電樁進行充電。充電完畢后，自動斷電，依據實現設定的模式繼續工作或者選擇睡眠。

2 防爆巡檢機器人軟件設計

2.1 本體嵌入式控制軟件

機器人本體嵌入式控制軟件的作用主要負責對巡檢機器人自身控制、診斷、上位機通信等功能進行控制。本體嵌入式控制軟件首先需要對底層配置進行初始化，例如單片機時鐘、看門狗等[4]。隨即對應用層展開初始化，包括上位機通訊、伺服電機作業、各種傳感器的實際數據等等。最后進入到循環程序，對報警處理函數不斷執行、命令執行函數、通訊處理函數。采用嵌入式方案，是避免采用工控機方案的不可靠問題，避免機器人失控。

報警處理函數主要負責識別真身的狀態，包括行進障礙、電量、電機運轉、傳感器狀況等等；命令執行函數負責執行上位機下達的指令，具有較強的邏輯性；通訊處理函數負責對所有傳感器采集的數據、電量狀況、上位機通訊效果信息進行收集，本體嵌入式控制軟件的流程圖如圖3所示。

圖3 本體嵌入式控制軟件程序流程

2.2 上位機監控識別軟件

2.2.1 儀表讀數

上位機監控識別軟件是采用C++編程完成的，可以對巡檢機器人上傳的數據進行處理，并對日常異常的報警進行分析、存檔；對巡檢設備的實際工作狀態進行判定。

當巡檢機器人抵達巡檢位置以后，會信息上傳給點位信號、卡號，再通過卡號調用相應的云臺預制點，從而找到儀表、閥門。對畫面中目標的位置進行分析隨機進行閉環調節，再一次拍攝更加清晰的目標圖像從而對其進行狀態識別、數據分析。對于儀表而言，首先以目標位置為依據截取儀表的圖像，對圖像進行灰度處理、平滑處理，將攝像機拍攝過程中產生的噪點去除。完成后再對圖像進行二值化，選擇使用自適應局部的閾值，從而最大程度上避免陰影產生的影響。二值化可以分出許多刻度或其他信息，不同的刻度直線會相交，以圓心到刻度線中心的平均距離為半徑，將半徑范圍內的二值信息予以保存，指針區域為最大連通區域。位于聯通區域當中的點形成直線，根據斜率計算指針的角度。儀表讀數識別流程如圖4所示。

圖4 儀表讀數識別流程

2.2.2 閥門狀態識別

(1)輸入初始信息：閥門法蘭直徑長度、閥門開啟與關閉的長度；采集圖像輸入、定位閥門的位置，待識別閥門圖像輸入；

(2)法蘭位置定位：尋找到圖片當中的深藍區域，法蘭區域定位，倘若未找到藍色區域，就將圖片進行二值化，將輪廓描繪出來，以最大輪廓為依據獲取法蘭區域，計算的得到法蘭占有的像素數；

(3)閥桿位置確定：尋找到法蘭區域當中紅色位置，確定閥桿位置，倘若未發現紅色位置，對圖片進行二值化，對重點點附近的黑像素數量進行統計，確定閥桿位置后，對閥桿占有的像素數量進行計算；

(4)確定閥門狀態：以法蘭占有像素數量的多少作為基礎條件，同時輸入法蘭直徑的長度，最終可計算出每個像素等于多少毫米，也就是閥桿長度。計算得到的閥桿長度對比輸入閥門關閉狀態下的長度，若超出某閾值，即閥門處于開啟狀態，反之閥門為關閉狀態。

3 實際應用

本次研究提出的天然氣分輸站防爆巡檢系統已經在天然氣分輸站得到成功應用，以現場工藝巡檢流程為基礎，天然氣分輸站輸送各個環節的巡檢工作都得到高質量完成。

3.1 天然氣管道分輸站

防爆巡檢系統應用結果顯示，防爆巡檢機器人可以更加準確地對數據進行采集，監控畫面更加清晰，可以第一時間判斷故障，降低巡檢成本，解放勞動力，提升巡檢質量和深度，為天然氣管道分輸站的連續安全運行打下夯實的基礎，進而達到取得了更多的經濟效益運營管理目標。

3.2 工作場景設備

機器人需要配合過濾分離儀，計量儀，調壓儀，安全閥，安全切斷閥，由此實現進出站壓力溫度監控。

4 結語

本次研究中對防爆巡檢機器人在天然氣分輸站的應用進行分析，首先對防爆巡檢系統的構成進行介紹，包括防爆巡檢機器人、防爆無線基站、自動充電裝置；對防爆巡檢機器人軟件設計進行分析，包括本體嵌入式控制軟件、上位機監控識別軟件；儀表讀數、閥門狀態；對防爆巡檢系統進行實際應用。天然氣分輸站的運行狀況關系到城市居民的日常生活，并且天然氣分輸站的日常運作當中的許多環節都伴有安全隱患存在，為了避免這些隱患釀成事故，通常由工作人員進行巡檢消除隱患，但是在實際工作中人工巡檢效率過低，無法保證隱患被完全消除，因此本次研究中提出以防爆巡檢機器人為核心的防爆巡檢系統負責天然氣分輸站的防爆巡檢工作，有效提升天然氣站的防爆巡檢工作效率，消除安全隱患，確保天然氣站的安全運營與增強天然氣分輸站的運營管理。