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炼化企业智能机器人巡检技术应用前景分析

王国彤1,孙秉才2,储胜利2,宋亚敏1(1.中国石油天然气股份有限公司大连石化分公司，辽宁省大连市；2.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京市)摘要：随着石油炼制技术的进步，炼化企业装置规模呈大型化一体化发展态势。为了保障装置安全可靠运转，单纯依靠人工巡检不能满足现场巡检需要，且危险区域人工巡检风险高，巡检质量易受人员素质影响。结合智能机器人技术的发展现状，提出智能机器人替代人工巡检的方案，以达到降低巡检强度、提高巡检质量、降低人身伤害风险的目的。结合炼化企业日常巡检的业务需求，分析国内外智能机器人巡检技术应用领域和现状，简要介绍了智能巡检机器人的组成原理及解决方案，并分析了智能机器人巡检技术在炼化企业日常巡检中的应用前景。关键词：炼化企业智能机器人巡检导航控制随着人工智能技术的发展和机器人技术的深度融合，智能机器人已替代传统机器人渗透到多个领域，如汽车制造、物流分拣、采矿、电力巡检以及餐饮服务等，能够替代人工完成相关工作任务。《机器人产业发展规划(2016—2020年)》提出，在危险程度高的化工等行业推进工业机器人的广泛应用。因此，对存在高危作业场所的炼化企业而言，应抓住契机，深入研究智能机器人替代人工技术，减少危险作业场所人工巡检操作频次，降低造成人员伤亡事故的风险。

1、炼化企业巡检现状分析

随着科技的进步，炼化企业安全巡检方式也发生了变化，大致可分为3个阶段：第一阶段为人工巡视、检查，纸质表格记录，该方式完全依靠人工“听、看、摸、闻”判断设备故障，巡检质量差，且受巡检人员素质影响大，存在巡检不到位的现象；第二阶段为信息点巡检系统，该方式解决了巡检不到位的问题，但巡检质量没有得到根本改善；第三阶段为基于移动终端等设备和移动通信技术的智能巡检系统，该方式在巡检过程中增加了便携式检测设备，解决了前两阶段巡检依靠人工感官判断故障的问题，提高了巡检质量和巡检效率。以上方式虽然一定程度上解决了巡检质量问题，但均需要人工完成，没有降低巡检人员人身伤害的风险。对典型的97例炼化企业事故进行分析，其中直接或间接因巡检造成人员伤亡的事故19例(见表1)，约占20%，可见，巡检过程造成巡检人员伤亡的风险较高。表1 巡检事故统计

增加智能机器人设备，发展基于人工智能的机器人巡检技术，可以在确保巡检质量的前提下，降低巡检人员人身伤害的风险。

2、智能机器人巡检技术应用现状

目前，国内外电力行业广泛应用智能巡检机器人替代人工完成巡检任务。电力巡检机器人如图1所示，该技术相对比较成熟，应用较好的国家有日本、美国和加拿大等。国内经过十多年的发展，巡检可靠性大力提高，已在电力系统推广应用[1-2]。

图1 电力巡检机器人由于炼化企业装置密集，存在易燃易爆有毒有害物质，导致开发智能巡检机器人替代人工完成巡检任务难度较大，目前在该领域鲜有应用，但也有公司进行了尝试及应用，如图2和图3所示。

图2 壳牌公司某现场智能巡检机器人

图3 中国石化某站场智能巡检机器人图2为壳牌公司委托美国国家机器人工程中心研发的第一台被许可用于油气行业爆炸性环境的机器人，该机器人应用于哈萨克斯坦卡萨干油田，替代人工检测管道、阀门、泵以及仪器仪表等设备状态，可连续6个月不检修稳定运行，采用半自动方式控制。图3为中国石化某站场智能巡检机器人，该巡检机器人采用磁条导航方式，按照规定的路线检查站场阀门、仪器仪表读数以及管道等，机器人携带可见光视频摄像头、红外摄像头以及硫化氢气体报警器等检测传感器[3-4]。

3、炼化企业智能巡检机器人发展趋势

目前，炼化企业巡检任务主要通过“听、看、测、摸、闻”判断现场管道、阀门、动设备、静设备以及仪器仪表的工作状态。利用智能机器人替代人工完成以上任务，该机器人必须具备自动或半自动移动能力、现场设备状态诊断能力、有毒有害和爆炸性气体检测能力以及报警能力等。基于上述要求，适用于炼化企业现场的智能巡检机器人主要由5部分组成，如图4所示，分别为导航与控制系统、检测传感系统、安全防护系统、智能识别系统以及实时通信系统。

3.1 导航与控制系统

导航与控制系统为巡检机器人的关键系统，主要由9部分组成，负责将安装的各种检测传感系统安全地移动到检测位置。该部分主要利用激光雷达以及地图识别等组成 SLAM(同步定位与建图)导航系统，实现机器人行走路径规划，从而控制伺服驱动系统的启停、速度与转向。对于机器人自身高度达不到的巡检点，利用自由度多的机械臂，扩大巡检机器人的巡检空间，补偿自身高度不足的问题，满足现场巡检的需要。

3.2 检测传感系统

检测传感系统主要负责识别检测位置设备的运行状态，可根据实际需要，配备不同的检测传感设备，目的通过传感器检测巡检路线上各个重要设备的温度、外观、噪声、振动、硫化氢气体、爆炸气体浓度以及重要管道的剩余壁厚等。

3.3 安全防护系统

由于巡检机器人运行环境存在易燃易爆气体，且在室外会受到粉尘及雨淋的影响，因此，智能巡检机器人必须满足在危险场所1级区域，以及不低于IP65的防尘防水使用要求。智能巡检机器人在炼化企业厂区行走，还必须保证在行进过程中不出现失控、碰撞现场运行设备及现场作业人员的现象，并具有边沿感测能力，防止跌落。

3.4 智能识别系统

智能识别系统相当于机器人的大脑，用于实时准确诊断现场设备的运行状态，及时发现问题。泄漏识别分为气体和液体泄漏识别，气体识别技术可利用高光谱红外识别技术以及光学气体成像红外热像仪，能够准确识别气体的泄漏位置以及气体浓度；液体泄漏因受位置及环境光线的影响，难于识别和发现，目前，可通过基于大数据的人工智能可见光视频识别技术初步判断液体泄漏情况，但该技术还处于探索阶段[5]。炼化企业现场存在大量指针式仪表、数字式仪表、玻璃管液位计以及阀门等，通过机器人上搭载的视觉系统，有效准确识别仪表读数、液位位置及阀门开度等[6]。智能巡检机器人增加语音识别功能，可以识别操作人员发出的语音指令，判断机器人所要执行的动作，大大提高机器人的适应性，更好地为巡检作业服务。

3.5 实时通信系统

实时通信系统主要提供现场机器人与控制室内部信息的交互，随着工业5G技术的成熟以及云服务技术的发展，巡检机器人现场采集的大量数据可以实时传输和存储到云服务空间，通过云端的分析计算，实现即时响应需求，为第一时间发现安全隐患和预知潜在风险提供有效支持，降低现场事故发生率，保障巡检安全。

图4 智能巡检机器人组成原理4、智能机器人巡检面临的技术难点虽然智能机器人替代人工巡检是降低巡检强度及人身伤害风险的有效手段，但是需要解决以下技术问题。一是已建炼化企业装置布置较为密集，呈立体分层布置，受装置布置空间影响，人工巡检需跨塄坎、登扶梯、绕障碍等查看设备状态，因此，需要解决智能机器人巡检路径规划以及查看遮蔽处设备状况的问题。二是炼化企业厂区占地面积较大，信号覆盖强度可能不高，且大型装置可能造成信号遮蔽干扰，需要解决巡检机器人信息传输及电磁干扰的问题。三是对液体泄漏的识别，当现场设备发生渗漏而不产生滴落时，受到环境光线及背景影响，通过可见光人工智能识别泄漏点前后图像难度较大。

5、结论及展望

炼化企业智能巡检机器人替代人工完成巡检任务既是机遇又是挑战，其优势较为明显。1)智能巡检机器人替代人工巡检可以降低巡检人员劳动强度和人身伤害的风险，减少不必要的人员伤亡事故，保障人员安全。2)智能巡检机器人可以配备多种检测传感设备，并利用强大的云服务处理能力，即时对比分析历史数据，预测设备运行过程中的潜在风险。3)只要电力充足，智能巡检机器人可以根据需要随意安排巡检频次，提高巡检质量，保障企业安全稳定运行。随着5G技术的成熟，云计算、大数据、物联网、人工智能以及区块链等技术的发展，结合炼化行业特点，炼化企业现场巡检安全保障技术将发生革命性的变化，形成以云计算服务为核心、现场自主导航、轨道以及固定式不同的机器人，按需采集现场设备状态信息，及时诊断运行状况，预测设备的可靠性并提出检修及维修计划，达到保障现场安全可靠运行的目的。参考文献：[1] 梁永强.智能巡检机器人应用现状及问题探析[J].山东电力技术,2018,45(2):31-34.[2] 朱齐.智能巡检机器人系统在500 kV东台变电站的应用研究[D].福州:福州大学,2017.[3] 徐遵义,韩绍超.基于相机标定和最大连通区域算法的指针式仪表读数识别[J].现代电子技术,2019,42(9):46-50.[4] 周杨浩,刘一帆,李瑮.一种自动读取指针式仪表读数的方法[J/OL].山东大学学报(工学版):1-7[2019-04-29].http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1391.t.20190416.1145.002.html.[5] 尧卫.基于机器视觉的指针仪表读数识别技术研究[D].南昌:南昌航空大学,2018.[6] 定康.易燃易爆气体泄漏检测系统研究[D].武汉:武汉工程大学,2017.

作者简介：王国彤，高级工程师，本科，主要从事聚烯烃、质量管理、油气储运、炼油技术等工作。本文内容来源于《炼油技术与工程》，由石化缘整理发布，数据仅供参考，与石化缘合作投稿请加文末小编微信了解！