区域化站场无人化智慧巡检的探索与创新

魏莉岩，王书，刘猛，杨斌

（1.国家管网北方管道呼和浩特输油气分公司，内蒙古 呼和浩特 010000；2.国家管网北方管道锦州输油气分公司，辽宁 锦州 121000；3.国家管网北方管道西安输油气分公司，陕西 西安 710000）

0 引言

科技引领产业革命，很多能源企业希望借助先进理念促进企业的转型升级。国家管网旨在打造中国特色、世界一流能源基础设施运营商，是典型的2.0、3.0系统并存的情况，管网有各类独立的自控系统，而没有管控管道运营全生命线的控制系统。工业软件是企业实现生产关键活动数字化的必要条件，也是很多能源企业关心的一个重要问题。结合先进的互联网技术，打造适合自身特点的智慧管道管理模式，借乘国家管网的成立，在工业革命的浪潮中，在自动化、数字化、智慧化等方面建设领先行业，实现技术崛起。

1 研究背景和目的

互联网技术的应用，标志着全新的站场巡检模式由传统化向智慧化的转变[1]。将数字物理融合技术体系应用在区域化站场智慧巡检上，将管体、站场、设备和实体系统内的变化性、相关性和参考性规律更紧密的联系在一起，为站场区域化管理提供一个建模、预测、优化与管理的新途径。智能制造及技术的核心就是信息物理系统（Cyber-Physical System，简称CPS），利用信息物理系统（CPS）将巡检中设备运行状态、隐患、故障等信息数据化、智能化，以3D数字孪生智慧区域化站场管理平台的搭建为最终研究成果，对设备的运行状态、管道的水力和热力特性、信息预警、远程诊断和故障检测等内容进行综合感知分析、自动预判以及自反馈等管理，最后实现管体、站场、设备和实体系统等数字孪生体的构建。

通过将无人化智慧巡检与智能技术结合，梳理出区域化站场管理中智慧巡检的技术思路和研究方法。通过无人化智慧巡检建设，充分发挥自动化、数字化设备的优势，实现管网运营管理中透明化管理、智慧化设备的互联互通、智慧化的决策支持，为后期区域化站场智慧管理实践提供支持，也作为3D数字孪生智慧区域化站场管理平台搭建的一个组成部分进行后续研究，最终全生命线地实现智慧管道的管理与控制。

2 技术思路和研究方法

2.1 AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）智慧巡检车的应用

当前AGV企业主要以叉车型AGV、货架型AGV、负载型AGV为主，应用的领域有汽车、仓储等[2]。为了能够在区域化站场上实现无人化智能巡检，利用AGV系统，结合站场安全性考略采用防爆设计，实现对现场的生产运行参数和实时现场画面进行采集、存储、分析、传输。

在自动移动单元，需要依靠激光导引装置发射激光束，然后接收由管段上的设备、设施的定位标志反射回来的激光束，计算出当前的位置[3]。按照区域化站场的巡检路线，执行总管理平台给定的移动指令，确定运动的方向，到达指定目标地点，实现AGV智慧巡检车的站场巡检路线行走。

在通信单元中，AGV智慧巡检车采用无线的通信方式传输当前的运动状态，包括位姿、速度、电量、警报等信息，同时将场区内需要监测的设备状态和管线运行参数等重要生产信息和实时画面进行采集并传输至管理总台。同时，需要实现与管理台的互联互通，接收总台下达的路线信息、启动、急停等指令，总体工作框图如图1所示。AGV智慧巡检车是实现区域化站场无人化智慧巡检的基石，也是后续建设3D数字孪生智慧区域化站场管理平台的一个重要组成，见图1。

图1 AGV智慧巡检车工作框图

AGV智慧巡检车的应用，是对国家管网集团“三湾改编”安全生产建设的积极响应，能从源头上消除人的不安全行为和物的不安全状态。

2.2 数字孪生技术的应用

数字孪生技术是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[4]。

在无人化智慧巡检中，将采集并记录的设备状态和管线运行参数等重要生产信息，在3D数字孪生智慧区域化站场管理平台中，构建对应的数学模型和数字仿真模型，模仿出管体、站场、设备设施等实体状态，从而实现对管道的水力、热力特性的分析和预测[5]。利用数字孪生技术，通过物联网，将物理世界本身的存在状态转变为可以被计算机和网络所能感知、识别和分析的状态，实现物理对象和数字对象之间的互动。同时，与采集的生产信息同时传输的实时现场画面，可以与构建的仿真模型进行数据对齐，以数字空间为载体，打造时空一体的数字孪生平台，以实现数据和视频画面的同步和融通联动，使3D数字孪生智慧区域化站场管理平台的信息更强化、丰富。

2.3 区域化站场3D模型

当前的区域化站场是典型的2.0、3.0系统并存的情况，存在各类独立的自控系统，需要展示和分析的工作内容日渐增多，区域化站场需要处理的数据越来越庞杂，常见图表需要几百张的页数或数百行和列，传统的二维图示已经无法更好地直观的体现。通过3D数字孪生智慧区域化站场管理平台，迅速收集吸收无人化智慧巡检中采集并记录的生产信息，转变为可以被自身所能感知、识别和分析的大数据，用便捷易懂的可视化模型表达出来，可以成倍的提高工作效率，极大的提升区域化站场生产力。

在区域化站场3D模型系统中，模仿出管体、站场、设备设施等实体状态，搭载多种数据分析方式，同时使用区域化站场3D模型和三维可视化，通过完善应用数据和模型功能，实现管道的水力、热力特性的识别和分析,经过筛选和过滤，查看特定的功能，获取要处理的生产信息，完成与区域化站场模型的交互。将5G技术应用于管理平台中，由AGV智慧巡检车搭载便携式移动产品，在站场采集到原始视频源后接入5G超高清视频直播终端，完成超高清视频的传输。5G超高清视频回传可以为区域化站场无人化智慧巡检提供清晰的画面和丰富的细节，为安全生产、指令下达提供更多的分析依据。

2.4 结果和效果

区域化站场无人化智慧巡检是3D数字孪生智慧区域化站场管理平台的一个重要组成，应用AGV智慧巡检车采集、存储、分析、传输生产信息，利用数字孪生技术，构建对应的数学模型和数字仿真模型，模仿出管体、站场、设备设施等实体状态，从而分析和预测管道的水力、热力特性等生产指标。同时，将采集到的站场原始视频经5G网络传输，输出至管理平台上，与仿真模型进行数据对齐，实现数据和视频画面的同步和融通联动，从源头上消除人的不安全行为和物的不安全状态。

3 结语

利用当前的互联网和智能技术，对实现区域化站场管理中智慧巡检的主要实现思路和研究方法进行论述，并提出无人化智慧巡检的管理模式。通过将先进的互联网技术理念应用到无人化智慧巡检中，让智慧管道的发展进入到实质性环节，同时对无人化智慧巡检模式进行总结，为后期3D数字孪生智慧区域化站场管理平台的搭建提供一个支持，也为其他工程师提供一种可以发展管道智慧化管理的方向。