基于北斗的防爆智能巡檢機器人在油氣領(lǐng)域的應用

文|路園 劉雨晴

北京訊騰智慧科技股份有限公司

一、前言

2022年11月4日，國務院新聞辦公室發(fā)布《新時代的中國北斗》白皮書，提出北斗系統(tǒng)已成為面向全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航與授時服務的重要新型基礎(chǔ)設施，白皮書提到融合新一代通信、低軌增強等新興技術(shù)，推動新時代的中國北斗與非衛(wèi)星導航技術(shù)融合發(fā)展[1]。

目前，北斗系統(tǒng)正與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、5G通信等新技術(shù)快速融合，北斗衛(wèi)星導航應用的新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟不斷涌現(xiàn)，基于北斗定位導航等多種技術(shù)的智能機器人在煤礦軌道、防災救災等領(lǐng)域得到運用。

2012年起，北斗精準服務應用于燃氣生產(chǎn)運營業(yè)務中[2]，為燃氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供準確的位置信息和精準數(shù)據(jù)支撐，有效推動在燃氣領(lǐng)域各個場景深化北斗應用。2023年1月，工信部等十七部門聯(lián)合發(fā)布《“機器人+”應用行動實施方案》，提出研制能源基礎(chǔ)設施建設、巡檢、操作、維護、應急處置等機器人產(chǎn)品，推廣機器人在油氣管網(wǎng)等能源基礎(chǔ)設施場景應用。結(jié)合油氣場站特點，本文對基于北斗的防爆智能巡檢機器人展開應用探索，探討北斗防爆智能巡檢機器人（以下簡稱“北斗機器人”）在油氣領(lǐng)域的應用及優(yōu)勢，并提出未來展望。

二、應用現(xiàn)狀及需求

油氣場站是輸配系統(tǒng)中的關(guān)鍵點，是管道運輸必須通過的關(guān)卡，具有保障輸氣安全運行的功能。由于存儲、輸送氣的工藝設備特征和本身的物質(zhì)的特性，油氣場站等重要區(qū)域不可避免地存在各種安全風險問題。

1.油氣場站巡檢機器人得到應用

油氣場站等重要區(qū)域多采用人工巡檢，主要通過巡檢人員感官上的聞、聽、觸、看及通過手持設備進行泄漏檢測及運行狀態(tài)檢查，以避免由設備故障、工藝環(huán)節(jié)控制失靈導致泄漏、火災、中毒、爆炸等各種安全事故。但人工巡檢存在著很多先天不足，如巡檢質(zhì)量不高、手段單一、勞動強度大、受惡劣天氣影響大、人員整體效率偏低等，巡檢質(zhì)量也由于人員素質(zhì)不同而參差不齊[3]。

隨著近年來傳感器技術(shù)和人工智能的發(fā)展，具有多維度檢測能力的智能設備發(fā)展迅速，各油氣公司的下屬場站也不斷嘗試新的技術(shù)、新的設備用以提升場站的巡檢能力。從固定式巡檢機器人的部署，再到以磁導航、激光雷達導航為主的巡檢機器人在油氣場站得到應用。但由于油氣場站兼有封閉空間、半開放空間、開放空間的區(qū)域，并且具有臨時應急任務需求的工作場景，固定式、磁導航、激光雷達導航的巡檢機器人具有很大的使用局限性，場站也迫切需要導航更為精準、可自由調(diào)度、啟動即用的巡檢機器人更快速高效地執(zhí)行工作任務。

2.北斗防爆智能巡檢機器人的應用提出

為響應推動“十四五”北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進北斗規(guī)?；瘧茫本┯嶒v智慧科技股份有限公司圍繞油氣場站對于新一代防爆巡檢機器人的應用需求，整合多學科技術(shù)進行技術(shù)創(chuàng)新和攻堅克難，將北斗精準定位導航賦能低速無人駕駛技術(shù)，成功研發(fā)融合北斗定位導航系統(tǒng)、激光雷達導航系統(tǒng)、慣導系統(tǒng)于一體的北斗防爆智能巡檢機器人，結(jié)合無人駕駛、人工智能、大數(shù)據(jù)、非接觸檢測等技術(shù)，北斗機器人已達國際領(lǐng)先水準，可為油氣場站開展智能化、數(shù)字化巡檢服務。

通過建設基于北斗的防爆智能巡檢機器人系統(tǒng)，不僅能實現(xiàn)場站無人值守、降本增效、安防提升的目標，還將深化北斗導航系統(tǒng)在油氣場站的基礎(chǔ)應用，為建設北斗數(shù)字化場站起到示范作用，夯實企業(yè)北斗時空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、應用探索

國家提出全面發(fā)展智慧能源的戰(zhàn)略部署，各大油氣公司開始嘗試建設數(shù)字場站、智慧場站，著力于解決場站在生產(chǎn)運營中存在的諸多痛點問題，但油氣場站的智能化進程依舊緩慢，并且場站的數(shù)字化水平差異巨大，場站內(nèi)智能感知設備投入少，業(yè)務數(shù)據(jù)數(shù)字化程度低。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、機器人、無人駕駛、人工智能等技術(shù)的引入與融合應用對于提升油氣場站的數(shù)字化生產(chǎn)運營十分關(guān)鍵。

1.應用關(guān)鍵

北斗組合導航是以北斗系統(tǒng)高精度定位導航能力為依托，實現(xiàn)大地坐標系內(nèi)的精準定位定向，真正賦予了機器人無人駕駛能力，同時結(jié)合高精度慣導、激光雷達SLAM導航，輕松實現(xiàn)機器人在開放空間、半開放空間、封閉空間內(nèi)的導航和避障能力，確保機器人在場站工藝區(qū)域或室內(nèi)均可達到厘米級精確導航巡檢。北斗機器人依靠北斗衛(wèi)星和附近的北斗地面增強站獲得高精度的定位定向，依靠自身裝備的激光雷達在現(xiàn)場掃描建圖，不僅能夠根據(jù)北斗定位導航執(zhí)行固定線路的巡檢任務，自動躲避運行線路內(nèi)障礙物，還可執(zhí)行臨時性的應急任務，極大地擴展了北斗機器人的應用場景支持能力（圖1）。

圖1 北斗組合導航原理

機器人通過北斗RTK高精度差分定位GNSS+高精度慣導+激光SLAM組合導航技術(shù)，在北斗精準服務網(wǎng)的支持下，可以實現(xiàn)厘米級的高精度定位和良好的衛(wèi)星信號中斷時導航精度保持性能，為室外環(huán)境下利用北斗高精準服務實現(xiàn)巡檢點空間地理坐標定位提供了可靠保障，同時采用GNSS雙天線定向技術(shù)來保證機器人能夠獲取到準確的位置信息。通過成熟的激光雷達SLAM技術(shù)，可以賦予機器人在初始化配置中掃描構(gòu)建場景地圖，并在實際運行中進行同步定位和障礙識別能力，依靠將高精度GNSS+INS+SLAM進行算法融合，提供北斗機器人在復雜場站環(huán)境中通行和精準位置管理能力。

2.應用特征

北斗機器人依靠其北斗導航系統(tǒng)精準的定位導航能力，通過其搭載的各類傳感器，多維度、多層次地獲取油氣場站現(xiàn)場的實時運行狀態(tài)，協(xié)助巡檢人員完成日常巡檢、安全監(jiān)督、應急處置等一系列固定線路、非固定線路的巡檢工作。北斗機器人的應用特征體現(xiàn)在以下方面：

1）高效率。多傳感器態(tài)勢感知，高精度定位巡檢，大幅提升巡檢工作效率。

2）高質(zhì)量。打造時間+空間維度的巡檢數(shù)據(jù)集，夯實了油氣場站的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3）高可靠。本體安全防爆，危險環(huán)境中的急先鋒，切實提升應急人員安全保障能力。

3.應用優(yōu)勢

北斗防爆智能巡檢機器人在油氣行業(yè)應用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）定位精準

北斗系統(tǒng)是混合星座，已成為面向全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位導航與授時服務的重要空間基礎(chǔ)設施。除去擁有GPS和伽利略系統(tǒng)所具備的中圓軌道的衛(wèi)星之外，北斗系統(tǒng)還具有地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，定位精準性進一步得到提高。北斗衛(wèi)星精準定位導航為機器人提供快速建模和實現(xiàn)厘米級精準定位的能力，并支持路線規(guī)劃和任務調(diào)度功能。場站聚集大量油氣管道，北斗機器人在場站內(nèi)外巡檢時可使用厘米級的北斗定位，可以第一時間精準發(fā)現(xiàn)泄漏位置并上報，北斗機器人在解放人力資源的同時大幅提升巡檢效率。

（2）定位安全

北斗導航系統(tǒng)是由我國自主研制、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，系統(tǒng)研制、數(shù)據(jù)傳輸都具備極強的安全性。油氣場站數(shù)據(jù)涉及國家能源信息安全，在采集、獲取、存儲過程中任意環(huán)節(jié)都需要按照規(guī)范進行操作，確保數(shù)據(jù)安全。結(jié)合北斗系統(tǒng)的巡檢機器人能夠有效避免定位數(shù)據(jù)被篡改、導航數(shù)據(jù)錯誤的問題，預防在場站內(nèi)由于導航異常造成安全事故，助力實現(xiàn)場站信息安全。

（3）即時高效

基于北斗的防爆智能巡檢機器人在實際應用中是以北斗系統(tǒng)高精度定位導航能力為依托，實現(xiàn)大地坐標系內(nèi)的精準定位定向，將整個大地坐標系作為其行駛的基礎(chǔ)地圖。相較于以磁導航、激光雷達導航這類在固定路線及固定建圖區(qū)域內(nèi)行駛執(zhí)行任務的機器人，具有真正廣闊空間的無人駕駛能力，在固定的場站內(nèi)可智能執(zhí)行任務，在未掃描建圖的應急場所，北斗機器人也具備啟動即用的高效執(zhí)行能力，北斗定位導航的融合應用極大地擴展了機器人在油氣行業(yè)各類應用場景的支撐能力。

（4）響應國家政策

助力推進安全生產(chǎn)。國家、部委發(fā)布的“十四五”系列規(guī)劃文件中提到，通過深化北斗應用，促進行業(yè)生產(chǎn)安全發(fā)展；堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、加快數(shù)字化發(fā)展、全面提高公共安全保障能力，推動危險崗位機器人替代。北斗機器人的研發(fā)正是順應了國家要求，圍繞經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和社會發(fā)展的安全需求，推動北斗應用深度融合，完善北斗系統(tǒng)在油氣行業(yè)的應用場景。

助力保障能源安全。能源安全在國家頂層設計中占據(jù)重要地位，提升我國油氣能源供應保障能力，牢牢掌握能源供給主動權(quán)，是保障我國經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展、全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的迫切要求。油氣場站是長輸管道系統(tǒng)中的重要生產(chǎn)節(jié)點，同時在管理及運維過程中通常面臨諸多安全風險。北斗機器人結(jié)合北斗系統(tǒng)提供的精準時空數(shù)據(jù)信息，能夠有效減少人為操作、設備故障、環(huán)境風險、管理失誤等環(huán)節(jié)中可能存在的風險，將事后處理化為事前預防，保障油氣場站安全，進而提升國家油氣能源供應保障能力，促進國家經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展。

4.應用場景

相比較傳統(tǒng)機器人，北斗機器人具備更高的精準定位、工作效率、協(xié)同能力，同時提供更強有力的安全保障能力。北斗機器人在油氣領(lǐng)域的應用探索中，開拓了多種應用場景。

（1）日常巡檢

北斗機器人根據(jù)預設的巡檢路徑，依靠北斗定位數(shù)據(jù)自主進行日常巡檢，協(xié)助或替代人員巡查油氣場站等重點區(qū)域是否發(fā)生氣體泄漏、實時采集特殊位置或重要儀表設備視頻及圖像，也可設置對場站周界進行定時視頻巡查，管理人員對于禁行區(qū)域闖入人員抓拍、報警、喊話驅(qū)離。機器人行進中遇到障礙物能夠自主避障，繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務，完成整個巡檢任務流程。降低了巡檢人員的勞動強度，提升巡檢效率。

（2）現(xiàn)場看護

當油氣場站、輸氣管道周圍進行臨時施工時，依靠管理軟件可遠程調(diào)度北斗機器人根據(jù)北斗定位信息導航行駛至施工現(xiàn)場，結(jié)合遠程喊話、記錄施工工作流程，實時檢測氣體濃度、獲取溫濕度環(huán)境信息等功能，一旦危險氣體濃度過高，北斗機器人立即報警提示，保障施工中的輸氣安全與人員安全，還支持對運行異常的設備儀表進行定點看護、圖片抓拍，并遠程傳輸其運行視頻數(shù)據(jù)。提高場站人員的安全管理手段，協(xié)助規(guī)范工作流程。

（3）應急偵測

一旦油氣場站內(nèi)或輸氣管道周圍發(fā)生氣體泄漏應急事件，北斗機器人可根據(jù)應急地點的北斗定位信息遙控機器人至指定位置深入搶險一線，先期進入易燃易爆氣體等危險的應急事故區(qū)域探明情況，獲取現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，超遠距離協(xié)同共享信息，實現(xiàn)應急現(xiàn)場多維環(huán)境信息傳感數(shù)據(jù)統(tǒng)一時空采集處理、實時傳輸和即時融合展現(xiàn)（圖2），應急指揮中心可根據(jù)機器人在現(xiàn)場回傳的數(shù)據(jù)提前進行分析，制定應急方案，有序進行處置，降低了應急人員前期處置的危險性，并且提升指揮中心與現(xiàn)場人員的應急協(xié)同能力。

圖2 北斗機器人數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺

四、展望

北斗導航系統(tǒng)在巡檢機器人中的結(jié)合應用已經(jīng)成果顯著，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層面為油氣場站帶來了巡檢工作的技術(shù)革新，基于對北斗機器人的應用分析，提出以下展望：

1.體系建設

目前，大多學者對場站的危險分析集中于對場站安全的宏觀分析，尚未針對值班人員對場站的日常巡檢提出建議措施，而場站日常巡檢中值班人員僅依據(jù)個人經(jīng)驗或簡單規(guī)則進行危險排查，不夠全面，尚未形成較為系統(tǒng)的巡檢體系[4]。油氣場站的安全制度在頂層貫徹落實得比較徹底，但是在基層的執(zhí)行效果不佳，亦與體系建設不夠全面息息相關(guān)。

面對油氣領(lǐng)域各集團年供氣百億立方米的用氣安全需求，安全生產(chǎn)綜合治理和應急保障任務極其艱巨。北斗機器人能夠在油氣場站巡檢過程中發(fā)揮巨大作用，顯著提升運行安全治理，助力推動行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在完善場站體系建設的過程中應考慮建立以北斗機器人為主的巡檢體系，促進北斗機器人多站端標準化部署應用，進一步深化油氣行業(yè)的北斗應用，構(gòu)建北斗時空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.應用拓展

北斗導航系統(tǒng)融合激光SLAM系統(tǒng)、慣導系統(tǒng)的組合導航系統(tǒng)，能夠在油氣場站內(nèi)外為巡檢機器人提供厘米級的高精準定位，大幅提升了機器人行駛精度以及定位精度，為油氣領(lǐng)域安全運營提供了重要保障。

結(jié)合國內(nèi)人工智能發(fā)展現(xiàn)狀，北斗導航系統(tǒng)應用機器人已經(jīng)在安全監(jiān)護、防火防災、巡邏搜救等領(lǐng)域廣泛運用。其他生產(chǎn)領(lǐng)域可根據(jù)各自領(lǐng)域特征與需求，結(jié)合北斗導航系統(tǒng)優(yōu)勢，積極挖掘應用場景，推動北斗典型應用在更多領(lǐng)域落地。