防爆巡检机器人在天然气分输站的应用

刘标(浙江浙能天然气运行有限公司,浙江 杭州 310052)

0 引言

天然气分输站是长输管线当中一个非常重要的节点，担负着承接上游来气和向下游城市门站输气的责任，关系到国家的能源安全和民生稳定。为了在这些过程中确保天然气分输站的生产安全，杜绝“跑冒滴漏”等现象发生，需要工作人员定期通过便携式可燃气体检测仪或者肥皂水对生产设备的每处易漏点进行巡检检测。但是由于人工巡检效率低，难以确保巡检质量，分输站的生产安全无法得到有效保证。

为了更加高效地实现天然气分输站的巡检工作，现使用一种具备在天然气分输站的易燃易爆环境下，具备防爆能力的巡检机器人，替代人工巡检，提升天然气分输站巡检的工作效率，确保天然气分输站的安全性，并且防爆巡检机器人可以替代人工进入危险地带进行巡检，并且可以精确地采集数据，同时判断天然气分输站各设施的运行状况，并及时作出判断，实现了天然气分输站的自动化、智能化管理，具有良好的发展前景与市场空间。

1 防爆巡检系统的构成

天然气分输站的巡检机器人为防爆轮式巡检机器人X3系列，同时配合防爆无线基站、自动充电装置、AI分析管控平台共同组成无人值守的防爆巡检系统。

1.1 防爆巡检机器人

在天然气分输站的巡检系统当中，防爆巡检机器人是整个巡检系统当中的核心装置，本次提出运用于天然气站巡检工作当中的是防爆巡检机器人X3系列，由四轮驱动底盘、无需部署轨道的激光自然导航器、区域泄漏检测传感器、定点泄漏检测传感器、机器人移动安全检测传感器，和AI算法实现智能分析的视觉传感器等共同组成。防爆巡检机器人X3系列外观如图1所示，详细参数如表1所示。

图1 防爆巡检机器人X3系列

表1 防爆巡检机器人X3系列参数

防爆巡检机器人的运动底盘由防爆驱动机构与车轮共同组成。防爆驱动机构由四组构成，机械结构相同并独立，由防爆壳体、驱动电机、减震器、减速器、驱动轴共同构成；每组防爆驱动机构都配备独立的减震器与悬挂[1]。

防爆巡检机器人行走的地形复杂时，因为每组驱动都配备独立的悬挂，因此可以保证每只轮子都实现与地面充分接触，避免打滑现象。

防爆巡检机器人使用的是无须铺设轨道的自然导航自动驾驶技术，不仅可以按照预计路线进行全自动的巡检，而且在特殊情况下，可以由操作站的人员远程遥控巡检机器人执行一些特殊巡检工作。采用无轨自然导航的防爆巡检机器人，导航精度达到了10 mm的高精度指标，而且可以自我学习外界环境的变化，达到高精度的长期使用要求，可靠性和稳定性都达到了工业级的能力。

1.2 防爆无线基站

巡检机器人的工作区域当中设有覆盖机器人运行区域的防爆无线基站，采用可靠的加密传输技术，以实现巡检机器人工作区域内的全网络安全覆盖，并且达到工业级的毫秒级别延迟，确保防爆巡检机器人与控制室之间的安全、可靠和稳定的工业级无线通讯连接。

1.3 AI分析管控平台

防爆巡检机器人采集到的信息由机器人进行了边缘计算后，当发生异常情况的实时报警由机器人在边缘侧分析完成后，通过与站控DCS/SCADA系统进行交互，依据报警的等级，实时执行对应连锁逻辑，第一时间降低事故风险。

同时，通过可靠的工业无线网络，将通过边缘侧实时分析的数据，交由AI分析管控平台进行大数据分析。基于AI技术的专家系统，对中控室操作工程师进行实时告警和风险处理步骤的提醒。根据风险的等级，可通过网络将异常信息以管理平台APP发送给相关部门负责人，上级部门专家和责任领导，可以立即了解到相关的数据、视频与预警预测处理建议，进行态势分析，降低和减少事故风险和危害，提高安全生产，保障人民生命财产和降低环境保护影响[2]。

巡检机器人AI分析管控平台的操作界面主要由系统、控制、查询和数据库等部分组成，平台操作界面如图2所示。

图2 巡检机器人AI分析管控平台界面

1.4 自动充电装置

防爆巡检机器人可以对自身的状态进行识别，对自我状态进行诊断，如果发现自身电量不足，巡检机器人将自动返航充电。

防爆巡检机器人自动充电装置主要由充电桩、防爆充电控制箱和连接电缆构成，防爆巡检机器人完成自主充电[3]。

防爆巡检机器人在运行过程中如果发现其电量低于设定值将自动返航寻找充电桩进行充电。充电完毕后，自动断电，依据实现设定的模式继续工作或者选择睡眠。

2 防爆巡检机器人软件设计

2.1 本体嵌入式控制软件

机器人本体嵌入式控制软件的作用主要负责对巡检机器人自身控制、诊断、上位机通信等功能进行控制。本体嵌入式控制软件首先需要对底层配置进行初始化，例如单片机时钟、看门狗等[4]。随即对应用层展开初始化，包括上位机通讯、伺服电机作业、各种传感器的实际数据等等。最后进入到循环程序，对报警处理函数不断执行、命令执行函数、通讯处理函数。采用嵌入式方案，是避免采用工控机方案的不可靠问题，避免机器人失控。

报警处理函数主要负责识别真身的状态，包括行进障碍、电量、电机运转、传感器状况等等；命令执行函数负责执行上位机下达的指令，具有较强的逻辑性；通讯处理函数负责对所有传感器采集的数据、电量状况、上位机通讯效果信息进行收集，本体嵌入式控制软件的流程图如图3所示。

图3 本体嵌入式控制软件程序流程

2.2 上位机监控识别软件

2.2.1 仪表读数

上位机监控识别软件是采用C++编程完成的，可以对巡检机器人上传的数据进行处理，并对日常异常的报警进行分析、存档；对巡检设备的实际工作状态进行判定。

当巡检机器人抵达巡检位置以后，会信息上传给点位信号、卡号，再通过卡号调用相应的云台预制点，从而找到仪表、阀门。对画面中目标的位置进行分析随机进行闭环调节，再一次拍摄更加清晰的目标图像从而对其进行状态识别、数据分析。对于仪表而言，首先以目标位置为依据截取仪表的图像，对图像进行灰度处理、平滑处理，将摄像机拍摄过程中产生的噪点去除。完成后再对图像进行二值化，选择使用自适应局部的阈值，从而最大程度上避免阴影产生的影响。二值化可以分出许多刻度或其他信息，不同的刻度直线会相交，以圆心到刻度线中心的平均距离为半径，将半径范围内的二值信息予以保存，指针区域为最大连通区域。位于联通区域当中的点形成直线，根据斜率计算指针的角度。仪表读数识别流程如图4所示。

图4 仪表读数识别流程

2.2.2 阀门状态识别

(1)输入初始信息：阀门法兰直径长度、阀门开启与关闭的长度；采集图像输入、定位阀门的位置，待识别阀门图像输入；

(2)法兰位置定位：寻找到图片当中的深蓝区域，法兰区域定位，倘若未找到蓝色区域，就将图片进行二值化，将轮廓描绘出来，以最大轮廓为依据获取法兰区域，计算的得到法兰占有的像素数；

(3)阀杆位置确定：寻找到法兰区域当中红色位置，确定阀杆位置，倘若未发现红色位置，对图片进行二值化，对重点点附近的黑像素数量进行统计，确定阀杆位置后，对阀杆占有的像素数量进行计算；

(4)确定阀门状态：以法兰占有像素数量的多少作为基础条件，同时输入法兰直径的长度，最终可计算出每个像素等于多少毫米，也就是阀杆长度。计算得到的阀杆长度对比输入阀门关闭状态下的长度，若超出某阈值，即阀门处于开启状态，反之阀门为关闭状态。

3 实际应用

本次研究提出的天然气分输站防爆巡检系统已经在天然气分输站得到成功应用，以现场工艺巡检流程为基础，天然气分输站输送各个环节的巡检工作都得到高质量完成。

3.1 天然气管道分输站

防爆巡检系统应用结果显示，防爆巡检机器人可以更加准确地对数据进行采集，监控画面更加清晰，可以第一时间判断故障，降低巡检成本，解放劳动力，提升巡检质量和深度，为天然气管道分输站的连续安全运行打下夯实的基础，进而达到取得了更多的经济效益运营管理目标。

3.2 工作场景设备

机器人需要配合过滤分离仪，计量仪，调压仪，安全阀，安全切断阀，由此实现进出站压力温度监控。

4 结语

本次研究中对防爆巡检机器人在天然气分输站的应用进行分析，首先对防爆巡检系统的构成进行介绍，包括防爆巡检机器人、防爆无线基站、自动充电装置；对防爆巡检机器人软件设计进行分析，包括本体嵌入式控制软件、上位机监控识别软件；仪表读数、阀门状态；对防爆巡检系统进行实际应用。天然气分输站的运行状况关系到城市居民的日常生活，并且天然气分输站的日常运作当中的许多环节都伴有安全隐患存在，为了避免这些隐患酿成事故，通常由工作人员进行巡检消除隐患，但是在实际工作中人工巡检效率过低，无法保证隐患被完全消除，因此本次研究中提出以防爆巡检机器人为核心的防爆巡检系统负责天然气分输站的防爆巡检工作，有效提升天然气站的防爆巡检工作效率，消除安全隐患，确保天然气站的安全运营与增强天然气分输站的运营管理。