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摘要：天然气生产场站是气矿天然气生产输送的重要环节，为保障气矿正常生产运行须进行定时巡检。气矿传统的人工巡检方式，巡检质量执行无有效监督、巡检效率低，存在无法及时发现天然气气体泄露、暴雨等恶劣天气条件下巡检有安全隐患等问题。在充分分析气矿巡检现状基础上，结合气矿场站运行环境要求，对机器人巡检技术进行充分研究，设计并实现适用于天然气场站的智能巡检机器人，实现井站生产安全受控，助力于智能化气田建设。
关键词：天然气生产;人工巡检;机器人;巡检技术;安全受控
中图分类号：TE38 文献标识码：A
1 概述
川西北气矿当前的天然气产量快速增长，大多场站管理依然采用人工巡检方式，员工劳动强度大、巡检相对效率低，部分巡检人员容易因疲劳、情绪等因素导致巡检疏漏，容易存在没有及时发现少量的天然气泄漏、恶劣的天气条件下有巡检安全隐患等问题，给气矿的场站管理增加了难度。
为促进川西北气矿气田管理的自动化和智能化，便于场站的管理和工作效率的提升，引进智能机器人巡检系统已迫在眉睫，通过在场站和厂区运用巡检机器人开展工作，可实现对现场状态智能监控，以及大量数据的智能采集、报警、分析等功能。针对一些高危区域，现场员工很难进行实时监控的场合，采用智能巡检机器人系统进行不间断巡检，并将视频、红外测温等数据上传后台，即时发现“跑、冒、滴、漏”等异常，可做到实时报警，供中心站和作业区第一时间掌握信息，实现井站生产安全受控，助力于智能化气田发展。对巡检机器人的设计与应用按照“需求分析、功能设计、现场应用、效果分析”四个方面进行分析研究[1]。
2 巡检机器人应用现状及研究技术路线
2.1 智能巡检机器人在国内天然气行业应用现状
现有可以实现自主巡检、智能监视、数据综合采集分析、现场状态报警等功能于一体的智能巡检机器人在交通、城市巡逻、变电站等方面已经得到广泛应用。尤其在电力行业，利用智能机器人巡检提前预警变电站内设备热缺陷等隐患已属于常态。由于天然气行业对于防爆等级有一定的要求，通过防爆改造，智能巡检机器人在各天然气企业逐步展开应用，主要包括在天然气井场、净化厂等[2]。天然气场站使用智能巡检机器人取代了传统的人工巡检方式，解决了重复工作量大、巡检效率低的问题，能及时发现少量气体泄漏、恶劣天气下巡检存在的安全隐患。为进一步强化新技术融合，将成熟的、新型的智能化、自动化技术应用到生产管理中，智能巡检机器人替代人工巡检，完成巡检中遇到的繁、难、险和重复性的工作，是场站巡检技术的发展方向。
2.2 智能巡检机器人研究技术路线
智能巡检机器人可采用模块化设计，小巧机身搭载多种声光气体核心探测器，在各种各样环境下都可对阀门、仪表、液位计等现场设备进行图像、视音频的实时分析;可通过红外热成像功能来检测场站的跑、冒、滴、漏异常现象、激光遥测功能检测泄漏气体成分和浓度，更可灵活地判断现场各种异常情况，第一时间自动报警，远程通知，另外其双向对讲、灯光补偿功能则让机器人巡检发挥远程双点位指挥作用，从而提高夜间作业效率[3]。
智能巡检机器人导航以激光雷达指示为主，在干扰较多或空旷的场所可以铺设磁条，利用可见光、车载红外及声音传感器检测仪表读数、异常声音、设备温度等状况。机器人将采集到的图像、数据等现场资料，通过无线传输设备实时发送到监控中心，监控中心负责对数据进行统计分析、故障状态告警，实时生成巡检状况报告。巡检机器人在电量不足时，自动返回充电站完成自动寻桩充电。机器人巡检时，可选择工作模式按巡检地图进行巡检，导航系统引导机器人到达预设巡检点自动停止，控制系统控制云台使传感器对准检测目标设备进行拍照和摄像[4]。
（1）具备自主导航模式，从经济性角度考虑可应用无轨导航方式。机器人采用4轮或履带驱动方式，依靠惯导、激光雷达、里程计算进行综合导航，可实现按照预先设定的路线和停靠位置自主行动和停靠的功能。
（2）为防止机器人碰撞设备、管线、人员，具备实时避障功能。设计安装多个避障传感器，检测到前后方障碍物，停止运行并修正目标，云台对准目标，报警信息上传至调控中心。
（3）为保证机器人连续稳定工作，设计自主检测的功能。运行过程中实时检测本体运行状况，具备报警的功能。包括机器人内部温度过高、电池电压过低、通信中断、导航损坏等，报警信息上传至监控平台。
（4）设计自主充电功能，自主充电装置由电源端和受电端组成，根据实时电量检测，采用非接触充电，自主完成。
（5）机器人可与后台的监控平台通过气矿自建网络进行信息交互。平台实时读取现场监测到的数据和本体状态数据。
（6）根据集气站电气设备防爆要求，机器人按照Exia T4和IP67进行设计制造。
3 巡检机器人技术方案
3.1 天然气场站巡检机器人需求分析
智能化场站的发展离不开机器人技术的支撑，智能巡检机器人的应用是场站管理提升的大趋势。场站工艺流程优化及中心站加无人值守站管理模式实现后，新型生产组织管理模式可持续推进，将机器人巡检技术与智能化场站建设相结合，为场站的管理提供了新的巡检方式。
考虑到川西北气矿天然气场站建设特点及气候环境等要求，巡检机器人必需满足相关指标。场站工艺生产区域为防爆区域，机器人及其搭载设备的防爆性能要求需按照国家防爆标准GB-3836文件要求执行;可以按照设定的轨迹線路精确地自主行走（误差小于1 cm）和停靠，具备自主巡检、特殊巡检的工作模式;具有一定的涉水（深度大于10 cm）、爬坡角度大于15°、小半径转弯、短距离制动能力;电池续航能力≥6 h，自主充电，考虑每天巡检次数，充满50%电量时间需维持在5 h以内;可以切换手动及自动操作，实现远程控制;能准确识别场站内现场仪表显示值，要求识别率90%以上;机器人巡检管理系统可以进行数据查询、自行分析诊断功能[6]。 3.2 工作原理
智能巡检机器人系统由巡检机器人载体、电源电池及充电系统、无线传输系统、数据采集模块及其他辅助设施组成。在机器人不容易到达的地方，如高架、管道中间等可部署固定采集模块。这种部署方式能提高巡检的稳定性和巡检效率。系统方案如图1所示。
使用无轨导航方式属于新发展趋势，可以实现快速部署，方便站间调配，采用四轮或履带独立驱动，适应于各种复杂环境。提供高清晰度红外及可见光视频图像，测温精度1 ℃;采用基于激光雷达和惯导组合的导航方案，定位精度达到4 cm。激光防撞，提供高可靠性安全保障。可原地转向，为巡检提供更强的易用性。
3.3 硬件设备
人工巡检主要靠人员的听觉、视觉、触觉、嗅觉去判断集气站工艺设备是否运转正常、有无“跑、冒、滴、漏”等问题。对标人工巡检，机器人设计搭载拾音器、可见光摄像机、红外摄像机、气体检测仪4种探测设备，如图2所示。
（1）搭载拾音器，读取巡检设备声音，对设备声音的时域、提取特征进行声音信号分析，分辨出异常频谱，并发出报警。
（2）搭载可见光摄像机，采集现场视频、图片，通过图片自动识别阀门开关状态、压力表及液位计等仪表数据。
（3）搭载红外摄像机，利用红外摄像头对当前设备进行热成像处理，检测设备、管道等关键部位温度异常区。
（4）搭载气体检测仪，检测巡检区域甲烷、硫化氨等气体浓度，并将数据实时回传至监控平台。
3.4 软件构成
巡检机器人与集控中心通过局域网连接，采用TCP/IP协议进行数据交互，传输内容包括：
（1）高实时性数据，可分为中低密度数据、流媒体数据。
中低密度数据：包括实时遥控指令、巡检数据与图片信息、巡检机器人实时状态等;
流媒体数据：包括红外热成像仪压缩视频流、可见光高清压缩视频流、音频流等。
（2）事务性数据：该部分数据不要求长时间实时传输，频率较低，包括巡检任务下达，巡检报表上传等。
机器人监控中心硬件由服务器、无线网桥、控制器、显示器等设备组成。服务器用来承载监控系统的所有软件，并且存储巡检机器人生成的历史数据信息，为远程监控系统的查询提供数据来源。无线网桥用于接收和发送巡检机器人的数据和控制信息。控制器用于远程操控现场巡检机器人动作。显示器可实时显示监控系统的交互界面，便于人员监视。
大数据库可实现巡检任务中采集到的可见光图像、红外图像、声音表计读数、设备位置状态、注油设备油位等信息存储在巡检数据库中，并能够按照巡检的时间、设备名称、设备类型、任务、最高温度等过滤条件查询巡检数据[7]。
3.5 安全分析
为保证巡检机器人正常运行，同时做好安全分析，按照以下在巡检机器人部署前，应对场站巡检目标进行充分分析，同时做好安全分析，按照以下步骤展开。
根据集气站布局及巡检要求，确定巡检目标点。
按照巡检点布局，规划机器人巡检路线，覆盖所有巡检点并不断优化路线距离。
（1）根据巡检点及巡检路线设置巡检机器人导航定位点。
（2）在巡检路线始末端选取空地安装机器人充电屋。
（3）開展巡检机器人现场调试，具备行走、巡检、报警及信号传输等功能。
（4）巡检机器人与监控平台综合调试，巡检信息实时传输至监控平台，实现远程控制。
通过现场试验，开发远程控制巡检、自动巡检、联动巡检3种模式，可完全满足现场应用需求。
4 应用效果
采用机器人开展场站巡检作业，川西北气矿一线员工工作效率显著提高，巡站人员数量明显下降，节约的人员调整开展其他技术工作，降低了操作成本，提高了巡检质量。
（1）采用机器人，日常集气站巡检由机器人完成，作业区调控中心根据巡检结果，针对性安排人员上站作业。
（2）巡检质量提升，机器人巡检数据自动运算、对标分析，向各级管理人员提供准确的巡检结果，避免了因人员技能差异、责任心等因素导致巡检质量不高的现状。
（3）降低了气矿天然气场站的安全管控风险，将人员大量重复的现场作业转移到室内远程作业，大大降低了人员因质量标准执行不到位、恶劣天气条件下作业等因素导致的受伤风险。
5 结论
川西北气矿应用的巡检机器人能够做到精准化、全天化以及高频化作业，既解放了人力又保障了人员安全，同时又让场站巡检工作中需要艰难深入的盲点区域、细节层面得到了高效保障，进一步提升了无人值守场站工作效率和安全防护程度。随着天然气开发的持续提升，勘探生产难度将日益增大，人力资源紧缺，川西北气矿将积极引入更多巡检机器人，解决现场问题，助力气田更加安全、高效地进行开发生产。
参考文献
[1] 肖娟.变电站巡检机器人的路径规划研究[D].济南：山东建筑大学，2015.
[2] 陈凌峰，初艳华.智能巡检机器人测温应用及案例[J].电子测试，2016（23）：1-5.
[3] 刘冬生，陈宝林.磷酸铁锂电池特性的研究[J].河南科技学院学报（自然科学版），2012，40（1）：65-68.
[4] 周立辉，张永生，孙勇.智能变电站巡检机器人研制及应用[J].电力系统自动化，2011（19）：90-93，101.
[5] 李昌杰.智能移动机器人控制系统设计研究[D].西安：长安大学，2012.
[6] 申美娟.基于DSP的移动机器人控制系统设计[D].西安：西安理工大学，2010.
[7] 霍永君.自主式机器人智能控制实验方法研究[D].天津：天津大学，2011.
关键词：天然气生产;人工巡检;机器人;巡检技术;安全受控
中图分类号：TE38 文献标识码：A
1 概述
川西北气矿当前的天然气产量快速增长，大多场站管理依然采用人工巡检方式，员工劳动强度大、巡检相对效率低，部分巡检人员容易因疲劳、情绪等因素导致巡检疏漏，容易存在没有及时发现少量的天然气泄漏、恶劣的天气条件下有巡检安全隐患等问题，给气矿的场站管理增加了难度。
为促进川西北气矿气田管理的自动化和智能化，便于场站的管理和工作效率的提升，引进智能机器人巡检系统已迫在眉睫，通过在场站和厂区运用巡检机器人开展工作，可实现对现场状态智能监控，以及大量数据的智能采集、报警、分析等功能。针对一些高危区域，现场员工很难进行实时监控的场合，采用智能巡检机器人系统进行不间断巡检，并将视频、红外测温等数据上传后台，即时发现“跑、冒、滴、漏”等异常，可做到实时报警，供中心站和作业区第一时间掌握信息，实现井站生产安全受控，助力于智能化气田发展。对巡检机器人的设计与应用按照“需求分析、功能设计、现场应用、效果分析”四个方面进行分析研究[1]。
2 巡检机器人应用现状及研究技术路线
2.1 智能巡检机器人在国内天然气行业应用现状
现有可以实现自主巡检、智能监视、数据综合采集分析、现场状态报警等功能于一体的智能巡检机器人在交通、城市巡逻、变电站等方面已经得到广泛应用。尤其在电力行业，利用智能机器人巡检提前预警变电站内设备热缺陷等隐患已属于常态。由于天然气行业对于防爆等级有一定的要求，通过防爆改造，智能巡检机器人在各天然气企业逐步展开应用，主要包括在天然气井场、净化厂等[2]。天然气场站使用智能巡检机器人取代了传统的人工巡检方式，解决了重复工作量大、巡检效率低的问题，能及时发现少量气体泄漏、恶劣天气下巡检存在的安全隐患。为进一步强化新技术融合，将成熟的、新型的智能化、自动化技术应用到生产管理中，智能巡检机器人替代人工巡检，完成巡检中遇到的繁、难、险和重复性的工作，是场站巡检技术的发展方向。
2.2 智能巡检机器人研究技术路线
智能巡检机器人可采用模块化设计，小巧机身搭载多种声光气体核心探测器，在各种各样环境下都可对阀门、仪表、液位计等现场设备进行图像、视音频的实时分析;可通过红外热成像功能来检测场站的跑、冒、滴、漏异常现象、激光遥测功能检测泄漏气体成分和浓度，更可灵活地判断现场各种异常情况，第一时间自动报警，远程通知，另外其双向对讲、灯光补偿功能则让机器人巡检发挥远程双点位指挥作用，从而提高夜间作业效率[3]。
智能巡检机器人导航以激光雷达指示为主，在干扰较多或空旷的场所可以铺设磁条，利用可见光、车载红外及声音传感器检测仪表读数、异常声音、设备温度等状况。机器人将采集到的图像、数据等现场资料，通过无线传输设备实时发送到监控中心，监控中心负责对数据进行统计分析、故障状态告警，实时生成巡检状况报告。巡检机器人在电量不足时，自动返回充电站完成自动寻桩充电。机器人巡检时，可选择工作模式按巡检地图进行巡检，导航系统引导机器人到达预设巡检点自动停止，控制系统控制云台使传感器对准检测目标设备进行拍照和摄像[4]。
（1）具备自主导航模式，从经济性角度考虑可应用无轨导航方式。机器人采用4轮或履带驱动方式，依靠惯导、激光雷达、里程计算进行综合导航，可实现按照预先设定的路线和停靠位置自主行动和停靠的功能。
（2）为防止机器人碰撞设备、管线、人员，具备实时避障功能。设计安装多个避障传感器，检测到前后方障碍物，停止运行并修正目标，云台对准目标，报警信息上传至调控中心。
（3）为保证机器人连续稳定工作，设计自主检测的功能。运行过程中实时检测本体运行状况，具备报警的功能。包括机器人内部温度过高、电池电压过低、通信中断、导航损坏等，报警信息上传至监控平台。
（4）设计自主充电功能，自主充电装置由电源端和受电端组成，根据实时电量检测，采用非接触充电，自主完成。
（5）机器人可与后台的监控平台通过气矿自建网络进行信息交互。平台实时读取现场监测到的数据和本体状态数据。
（6）根据集气站电气设备防爆要求，机器人按照Exia T4和IP67进行设计制造。
3 巡检机器人技术方案
3.1 天然气场站巡检机器人需求分析
智能化场站的发展离不开机器人技术的支撑，智能巡检机器人的应用是场站管理提升的大趋势。场站工艺流程优化及中心站加无人值守站管理模式实现后，新型生产组织管理模式可持续推进，将机器人巡检技术与智能化场站建设相结合，为场站的管理提供了新的巡检方式。
考虑到川西北气矿天然气场站建设特点及气候环境等要求，巡检机器人必需满足相关指标。场站工艺生产区域为防爆区域，机器人及其搭载设备的防爆性能要求需按照国家防爆标准GB-3836文件要求执行;可以按照设定的轨迹線路精确地自主行走（误差小于1 cm）和停靠，具备自主巡检、特殊巡检的工作模式;具有一定的涉水（深度大于10 cm）、爬坡角度大于15°、小半径转弯、短距离制动能力;电池续航能力≥6 h，自主充电，考虑每天巡检次数，充满50%电量时间需维持在5 h以内;可以切换手动及自动操作，实现远程控制;能准确识别场站内现场仪表显示值，要求识别率90%以上;机器人巡检管理系统可以进行数据查询、自行分析诊断功能[6]。 3.2 工作原理
智能巡检机器人系统由巡检机器人载体、电源电池及充电系统、无线传输系统、数据采集模块及其他辅助设施组成。在机器人不容易到达的地方，如高架、管道中间等可部署固定采集模块。这种部署方式能提高巡检的稳定性和巡检效率。系统方案如图1所示。
使用无轨导航方式属于新发展趋势，可以实现快速部署，方便站间调配，采用四轮或履带独立驱动，适应于各种复杂环境。提供高清晰度红外及可见光视频图像，测温精度1 ℃;采用基于激光雷达和惯导组合的导航方案，定位精度达到4 cm。激光防撞，提供高可靠性安全保障。可原地转向，为巡检提供更强的易用性。
3.3 硬件设备
人工巡检主要靠人员的听觉、视觉、触觉、嗅觉去判断集气站工艺设备是否运转正常、有无“跑、冒、滴、漏”等问题。对标人工巡检，机器人设计搭载拾音器、可见光摄像机、红外摄像机、气体检测仪4种探测设备，如图2所示。
（1）搭载拾音器，读取巡检设备声音，对设备声音的时域、提取特征进行声音信号分析，分辨出异常频谱，并发出报警。
（2）搭载可见光摄像机，采集现场视频、图片，通过图片自动识别阀门开关状态、压力表及液位计等仪表数据。
（3）搭载红外摄像机，利用红外摄像头对当前设备进行热成像处理，检测设备、管道等关键部位温度异常区。
（4）搭载气体检测仪，检测巡检区域甲烷、硫化氨等气体浓度，并将数据实时回传至监控平台。
3.4 软件构成
巡检机器人与集控中心通过局域网连接，采用TCP/IP协议进行数据交互，传输内容包括：
（1）高实时性数据，可分为中低密度数据、流媒体数据。
中低密度数据：包括实时遥控指令、巡检数据与图片信息、巡检机器人实时状态等;
流媒体数据：包括红外热成像仪压缩视频流、可见光高清压缩视频流、音频流等。
（2）事务性数据：该部分数据不要求长时间实时传输，频率较低，包括巡检任务下达，巡检报表上传等。
机器人监控中心硬件由服务器、无线网桥、控制器、显示器等设备组成。服务器用来承载监控系统的所有软件，并且存储巡检机器人生成的历史数据信息，为远程监控系统的查询提供数据来源。无线网桥用于接收和发送巡检机器人的数据和控制信息。控制器用于远程操控现场巡检机器人动作。显示器可实时显示监控系统的交互界面，便于人员监视。
大数据库可实现巡检任务中采集到的可见光图像、红外图像、声音表计读数、设备位置状态、注油设备油位等信息存储在巡检数据库中，并能够按照巡检的时间、设备名称、设备类型、任务、最高温度等过滤条件查询巡检数据[7]。
3.5 安全分析
为保证巡检机器人正常运行，同时做好安全分析，按照以下在巡检机器人部署前，应对场站巡检目标进行充分分析，同时做好安全分析，按照以下步骤展开。
根据集气站布局及巡检要求，确定巡检目标点。
按照巡检点布局，规划机器人巡检路线，覆盖所有巡检点并不断优化路线距离。
（1）根据巡检点及巡检路线设置巡检机器人导航定位点。
（2）在巡检路线始末端选取空地安装机器人充电屋。
（3）開展巡检机器人现场调试，具备行走、巡检、报警及信号传输等功能。
（4）巡检机器人与监控平台综合调试，巡检信息实时传输至监控平台，实现远程控制。
通过现场试验，开发远程控制巡检、自动巡检、联动巡检3种模式，可完全满足现场应用需求。
4 应用效果
采用机器人开展场站巡检作业，川西北气矿一线员工工作效率显著提高，巡站人员数量明显下降，节约的人员调整开展其他技术工作，降低了操作成本，提高了巡检质量。
（1）采用机器人，日常集气站巡检由机器人完成，作业区调控中心根据巡检结果，针对性安排人员上站作业。
（2）巡检质量提升，机器人巡检数据自动运算、对标分析，向各级管理人员提供准确的巡检结果，避免了因人员技能差异、责任心等因素导致巡检质量不高的现状。
（3）降低了气矿天然气场站的安全管控风险，将人员大量重复的现场作业转移到室内远程作业，大大降低了人员因质量标准执行不到位、恶劣天气条件下作业等因素导致的受伤风险。
5 结论
川西北气矿应用的巡检机器人能够做到精准化、全天化以及高频化作业，既解放了人力又保障了人员安全，同时又让场站巡检工作中需要艰难深入的盲点区域、细节层面得到了高效保障，进一步提升了无人值守场站工作效率和安全防护程度。随着天然气开发的持续提升，勘探生产难度将日益增大，人力资源紧缺，川西北气矿将积极引入更多巡检机器人，解决现场问题，助力气田更加安全、高效地进行开发生产。
参考文献
[1] 肖娟.变电站巡检机器人的路径规划研究[D].济南：山东建筑大学，2015.
[2] 陈凌峰，初艳华.智能巡检机器人测温应用及案例[J].电子测试，2016（23）：1-5.
[3] 刘冬生，陈宝林.磷酸铁锂电池特性的研究[J].河南科技学院学报（自然科学版），2012，40（1）：65-68.
[4] 周立辉，张永生，孙勇.智能变电站巡检机器人研制及应用[J].电力系统自动化，2011（19）：90-93，101.
[5] 李昌杰.智能移动机器人控制系统设计研究[D].西安：长安大学，2012.
[6] 申美娟.基于DSP的移动机器人控制系统设计[D].西安：西安理工大学，2010.
[7] 霍永君.自主式机器人智能控制实验方法研究[D].天津：天津大学，2011.