海上平臺設備故障智能預警系統(tǒng)開發(fā)技術路線研究

李明，朱澤錦，于成龍，楊森

(中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

海上平臺作為油氣水生產(chǎn)的重要裝置，遠離陸地，具有高投資、高風險、高回報等特點，一般配有生產(chǎn)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、應急系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，設備包括分離器、加熱器、柴油機、發(fā)電機、海水提升泵、注水泵、外輸泵、電機等，數(shù)量眾多。為了解、掌握設備在運行過程中的狀態(tài)、綜合評價預測其故障出現(xiàn)趨勢、做到盡早發(fā)現(xiàn)盡早決策，需要采取各種手段對其進行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構

對海上平臺作業(yè)環(huán)境、設備操維人員作業(yè)特點等進行分析，具有以下特性：(1)平臺操維人員工作環(huán)境多為高溫、高濕、高噪，甚至易爆的現(xiàn)場，不利于人員的安全和健康；(2)設備種類多、分布廣，人工巡檢任務重，無法做到全面掌握所有設備狀態(tài)；(3)專用檢測設備不便于攜帶和使用。

為解決以上問題，采用噪聲監(jiān)測、紅外熱成像、圖像識別等非接觸手段進行表征機械設備狀態(tài)的自動處理、分析，整體技術方案為：(1)采用傳感器和控制柜與人機交互界面(顯示屏)分離、信號電纜或網(wǎng)絡進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆蛛x式布置方案；(2)采用人工智能技術實現(xiàn)高度自動化，采用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習等技術提取噪聲、熱紅外、圖像三種參數(shù)的特征，應用數(shù)據(jù)庫技術開展比對分析，并結合過程控制技術等實現(xiàn)系統(tǒng)的自動分析和預警功能；(3)系統(tǒng)應具備基于互聯(lián)網(wǎng)通訊的數(shù)據(jù)交互功能。

2 總體性能技術方案

為使用較少的傳感器數(shù)量實現(xiàn)監(jiān)測設備臺數(shù)不少于4 臺的目標，系統(tǒng)應采用云臺掃描、自動變焦、重復對準等技術；為了具備擴展能力，使用模塊化技術或軟件系統(tǒng)應具備控制多模塊/子系統(tǒng)的功能。

為實現(xiàn)預警準確率大于80%，系統(tǒng)應裝備故障模式特征數(shù)據(jù)庫并動態(tài)更新，技術人員可事先針對所需監(jiān)測的設備進行常見故障、頻域特征的分析并輸入數(shù)據(jù)庫中供程序調(diào)用。

為提高時效性，實現(xiàn)時效值＜2 h 的目的，系統(tǒng)設置噪聲、熱紅外和圖像三項參數(shù)處理后數(shù)據(jù)的有序存儲，數(shù)據(jù)庫也應考慮調(diào)用速度。同時，系統(tǒng)應不斷對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，形成基于統(tǒng)計方法的閾值，并對數(shù)據(jù)進行平滑處理，既能在故障、異常出現(xiàn)時及時發(fā)出警報，又能對臨時干擾進行排除。

3 性能指標實現(xiàn)技術方案

3.1 硬件指標

為滿足海上平臺的使用要求，預警系統(tǒng)硬件指標如表1 所示。聲傳感有關性能指標：一是實現(xiàn)60～110 dB幅值范圍的測量，在光纖聲傳感方面，光信號數(shù)模轉(zhuǎn)換等硬件應選用動態(tài)范圍較大的元器件；在MEMS聲傳感方面，科研或工業(yè)型SDK 套件能較好滿足該測量范圍需求，而消費型SDK 套件從技術指標說明書來看可能存在過載問題(傳感器處噪聲應低于90 dB)。除價格優(yōu)勢外，后者在消除混響方面較為成熟，尤其是在人聲量級低于環(huán)境噪聲25 dB 情況下仍能被有效識別，性能卓越。二是實現(xiàn)50～8 000 Hz所含頻帶的測量頻率范圍，在光纖聲傳感方面，應對傳感器結構動態(tài)特性進行分析，使該頻率范圍內(nèi)無過多的共振峰，降低補償算法運算資源需求；在MEMS聲傳感方面，科研或工業(yè)型SDK 套件基本滿足要求，而消費型SDK 套件從技術指標說明書來看可能存在50～100 Hz 頻響下降較快的現(xiàn)象，需要開展靈敏度頻域修正，增大算法運算資源需求。

表1 預警系統(tǒng)硬件指標

3.2 軟件技術要求

通過分析現(xiàn)有軟件平臺和加強與現(xiàn)場技術人員交流，進行優(yōu)化調(diào)整以滿足友好的人機交互要求。在軟件架構設計中采用微服務技術架構，對服務進行拆分，通過Web 界面等前端、HTTP(S)通訊協(xié)議、UTF-8 編碼等方式實現(xiàn)分布式操作和異處協(xié)同的需求。通過軟件接口測試、邏輯測試和壓力測試等滿足穩(wěn)定性要求。

3.3 系統(tǒng)的環(huán)境適應性

光纖聲傳感器適應溫度-10～80 ℃、相對濕度＜95%的工作環(huán)境，其感受器及信號傳輸均采用光纖制作，光纖為石英玻璃或特殊塑料高溫拉制而成，且無需通電，天然具有適應高溫、高濕的能力[1]。考慮到設備部署在機艙等區(qū)域，MEMS 傳感器應用的主要目標是降低系統(tǒng)成本、提供靈活部署方案、降低環(huán)境適應性要求。其中，科研、工業(yè)型MEMS 傳感器技術指標顯示工作溫度為-40～85 ℃，消費型MEMS尚未有明確技術指標數(shù)據(jù)。其他設備環(huán)境溫度為-10～50 ℃，在采取風冷措施的情況下，應能滿足要求。

4 數(shù)據(jù)處理流程方案

4.1 聲學數(shù)據(jù)處理流程方案

對兩個子系統(tǒng)的聲學數(shù)據(jù)處理流程，原始時域信號獲取部分有所差異：光纖聲傳感子系統(tǒng)主要是通過光纖傳感器進行數(shù)據(jù)采集、光路模塊進行調(diào)制解調(diào)、電路模塊進行光電轉(zhuǎn)換，以獲取原始時域信號；MEMS 聲傳感子系統(tǒng)主要是通過MEMS 聲傳感器進行數(shù)據(jù)采集、內(nèi)置芯片進行初步的信號分析處理[2]，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、聲聚焦波束成形、信號消噪等(為更具靈活性，考慮通過二次開發(fā)接口進行算法注入)。此外，兩個子系統(tǒng)的其他處理流程基本一致，依次為：信號處理→工況負載識別(為選取對應的檢測閾值)→聲紋數(shù)據(jù)庫生成和調(diào)用(主要用于生成檢測閾值、預置和更新故障特征、自動識別工況等)→趨勢性分析→故障分析診斷→聲學、熱紅外成像、圖像識別融合分析→云平臺(主要通過專家協(xié)助分析疑難情況)，其間將設置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環(huán)節(jié)。

4.2 熱紅外成像數(shù)據(jù)處理流程方案

熱紅外成像數(shù)據(jù)獲取主要通過SDK 套件，套件內(nèi)完成熱紅外成像數(shù)據(jù)的初步處理，輸出溫度云圖和視頻，相關數(shù)據(jù)處理流程為：紅外亮點提取→工況負載識別→熱紅外數(shù)據(jù)庫→趨勢性分析等。如同聲學數(shù)據(jù)處理，一方面通過數(shù)據(jù)庫技術和統(tǒng)計算法實現(xiàn)工況識別、閾值生成等；另一方面設置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環(huán)節(jié)。

4.3 圖像識別數(shù)據(jù)處理流程方案

圖像識別數(shù)據(jù)獲取主要通過SDK 套件，套件結合配套軟件，將具有移動偵測、特征識別等功能，同時輸出較高清晰度的圖像和視頻。為簡化二次接口開發(fā)，將主要針對輸出的圖像進行數(shù)據(jù)處理(視頻可存入數(shù)據(jù)庫調(diào)閱)。相關數(shù)據(jù)處理流程為：獲取特征點用于對準定位和調(diào)焦→圖像特征提取→圖像識別數(shù)據(jù)庫→趨勢性分析等。由于圖像基本不隨工況載荷變化，無需設置工況載荷識別流程，但要設置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環(huán)節(jié)。

4.4 數(shù)據(jù)融合處理框架方案

三種異構數(shù)據(jù)均為設備故障某方面的表征，利用信息融合技術綜合處理其分析結果，有利于提高預警的準確性和改善時效性，本研究采用決策層的融合方法。

對設備的故障進行分類，并歸納其故障特征，為進行決策層的信息融合提供邏輯基礎：

(1)運動部件故障

該類故障是摩擦增大甚至剮蹭、撞擊以及彎曲、磨損破損等現(xiàn)象，將引發(fā)噪聲增大、負載增大(即溫度上升)，利用聲學和熱紅外數(shù)據(jù)分析，因兩者具有較大的關聯(lián)性，可利用該特點進行相互檢驗，提高判斷準確性。但運動部件一般被機體包圍在內(nèi)，難以用圖像識別。少數(shù)情況為設備安裝不良或受到劇烈激勵導致的設備整體晃動，即剛體運動，所產(chǎn)生的噪聲可能低于聲傳感器測量范圍即測得的噪聲變化程度不明顯，且熱紅外需較長時間才變化顯著，若此時圖像識別到明顯變化，應及時預警、報警，提示人工巡檢。

(2)機體等靜止部件故障

該類故障一般是漏液、裂紋。一般來說，故障初期的聲學、熱紅外數(shù)據(jù)變化不大，一旦出現(xiàn)圖像明顯變化，在排除干擾后，應及時預警、報警，提示人工巡檢。裂紋擴展到一定程度，此時如同松動情況，意味著運動部件的支撐邊界發(fā)生變化，產(chǎn)生的噪聲將有較大變化。

5 預警系統(tǒng)硬件組成

(1)聲傳感系統(tǒng)

①光纖聲傳感子系統(tǒng)用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設備的空氣噪聲，能適應高溫、高濕、高鹽、易爆等環(huán)境要求。同時研究光纖復用技術在多臺設備監(jiān)測方面的應用，以降低光源貴重元器件的采購成本。

②MEMS 聲傳感子系統(tǒng)主要由MEMS 聲傳感器SDK 套件、供電模塊、信號傳輸模塊組成，用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設備的空氣噪聲。

(2)熱紅外成像傳感系統(tǒng)

熱紅外成像傳感系統(tǒng)主要由熱紅外成像傳感器SDK 套件以及供電模塊組成，用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設備的機體表面溫度。

(3)圖像傳感系統(tǒng)

圖像傳感系統(tǒng)主要由圖像傳感器SDK 套件以及供電模塊組成，用于采集區(qū)域環(huán)境內(nèi)設備的外表圖像。

(4)傳感器搭載裝置

傳感器搭載裝置主要有云臺、移動滑軌以及供電模塊組成，用于搭載熱紅外成像傳感裝置、圖像傳感裝置以及MEMS 聲傳感器SDK 套件。通過云臺的定期、定點旋轉(zhuǎn)運動聯(lián)合移動滑軌的定期、定點的往復移動，滿足對多臺設備監(jiān)測的要求，并較好地克服“視線”死角。

(5)系統(tǒng)控制柜

系統(tǒng)控制柜主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和計算服務器、機柜柜體、高速路由器等組成，并為光纖聲傳感子系統(tǒng)的光路、電路提供安裝空間。

(6)可視化和人機交互裝置

可視化和人機交互裝置主要是大尺寸液晶觸摸屏，用于數(shù)據(jù)的顯示及技術人員的操作控制。

6 預警系統(tǒng)軟件組成

(1)聲紋數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

聲紋數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要由光纖聲傳感子系統(tǒng)驅(qū)動控制模塊、MEMS 聲傳感子系統(tǒng)驅(qū)動控制模塊、聲聚焦波束形成算法模塊、設備噪聲信號處理及特征參數(shù)提取模塊、設備聲紋數(shù)據(jù)庫模塊、設備聲學故障診斷模塊、設備聲學趨勢性分析模塊等組成，主要實現(xiàn)聲學子系統(tǒng)相關硬件的控制，并克服區(qū)域混響的影響，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)異常噪聲的定位和故障初步識別，以及根據(jù)故障發(fā)展情況及時預警。

(2)熱紅外成像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

熱紅外成像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要由熱紅外成像傳感器SDK 套件控制和通訊模塊、設備紅外亮點提取模塊、設備紅外趨勢性分析模塊等組成，主要實現(xiàn)熱紅外成像裝置硬件的控制，并克服人員短時遮掩，提取設備表面紅外特征，以及根據(jù)故障發(fā)展情況及時預警。

(3)圖像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

圖像數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要由圖像成像傳感器SDK 套件控制和通訊模塊、圖像定位特征提取和重復對準模塊、設備表面圖像特征提取模塊、設備表面圖像變化趨勢性分析模塊等組成，主要實現(xiàn)圖像成像裝置硬件的控制，并克服人員短時遮掩，提取設備表面圖像特征，以及根據(jù)故障發(fā)展情況及時預警。

(4)傳感器運動控制子系統(tǒng)

傳感器運動控制子系統(tǒng)分別設置云臺旋轉(zhuǎn)掃描和定位控制模塊、滑軌移動和定位控制模塊、熱紅外成像和圖像識別傳感器的鏡頭變焦控制模塊等，主要實現(xiàn)MEMS 聲學傳感、熱紅外成像和圖像識別等對準、切換等需求。

7 結語

在海上平臺運行和維護中，現(xiàn)代監(jiān)測預警和故障排查技術的應用對提升平臺的安全管理水平至關重要。而噪聲監(jiān)測、紅外熱成像、圖像識別等技術可以通過實時數(shù)據(jù)采集、分析和預判，提前發(fā)現(xiàn)平臺的潛在問題，并提醒維保人員及時采取措施進行維修，從而提高了故障排查的效率和精準度。隨著數(shù)智技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，相信平臺將能夠應對運行維護中的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。