智能防爆巡检机器人应用

刘 华，路 园，刘雨晴

(1.佛山市天然气高压管网有限公司，广东 佛山 528000；2.北京讯腾智慧科技股份有限公司，北京 100029)

1 概述

天然气厂站由于其设备特征和天然气易燃易爆的气体特性，不可避免地存在各种安全风险，需要进行巡检。

对于天然气厂站的监控和巡检，传统方式通常采用定点安装检测仪表结合人工巡检，应用四班三运转模式，实现厂站内人员24 h值守，一班3人。因此一个厂站运维至少需要12名员工进行生产调度、事故预警、灾害处置、数据记录及台账管理等[1]。这一方式在实际应用中检测效率低，检验方式单一，影响因素多，检测数据分散。

应用巡检机器人加强燃气厂站泄漏检测，对保障燃气安全、推动事前预防非常必要。因此，本文针对在燃气厂站开展智能防爆巡检机器人(简称巡检机器人)的应用研究，分析其主要构成、应用场景及应用优势，对于提升燃气厂站本质安全甚至应用在应急场景均有重要意义。

2 巡检机器人结构

巡检机器人整机采用防爆式设计，可用于Ⅱ类爆炸环境，能在-20～60 ℃环境内正常工作，能够满足多种工作需求。巡检机器人整机见图1，智能检测云台见图2。巡检机器人组成件名称及作用如下。

图1 巡检机器人整机1.防爆机箱 2.通信天线和北斗天线 3.声光报警器、拾音器和扩音器 4.磁导航传感器 5.激光避障传感器 6.激光雷达 7.高清摄像头、红外摄像头 8.4组驱动电机、齿轮箱和橡胶轮胎 9.激光甲烷遥测仪 10.四合一环境气体检测仪 11.云台

图2 智能检测云台

① 防爆机箱：将自控装置、电池及驱动电机设置在防爆机箱中，提高工作性能的稳定性和可靠性。

② 通信天线和北斗天线：置于防爆机箱顶部，通过设置无线通信模块和通信天线，使巡检机器人具备无线通信功能，将巡检信息上传至数据采集监控平台(简称监控平台)。通过设置北斗接收模块和北斗天线，可准确判定巡检机器人的位置，增强了巡检机器人的功能性和自动化程度。

③ 声光报警器、拾音器和扩音器：置于防爆机箱顶部，拾音距离达到15 m，可通过无线音频传输系统，实现与现场实时对讲、远程喊话，以达到了解现场情况、警告威慑等多种目的。

④ 磁导航传感器：置于防爆机箱底部前侧，通过测量路径上的磁场信号获取巡检机器人自身相对于目标跟踪路径之间的位置偏差，具有很高的测量精度及良好的重复性，不易受光线变化影响。

⑤ 激光避障传感器：置于防爆机箱四周，用于检测巡检机器人附近的低位置障碍物。

⑥ 激光雷达：置于防爆机箱顶部，用于在运行区域构建三维地图，巡检机器人运行中自主避障。

⑦ 高清摄像头、红外摄像头：置于云台连接的腔体内，对巡检现场进行拍照或录像，高清摄像头拍摄实时高清图像，红外摄像头拍摄红外温度视场图像。

⑧ 4组驱动电机、齿轮箱和橡胶轮胎：置于防爆机箱内部和底部，使巡检机器人具备4轮差速转动能力，实现全向运动。

⑨ 激光甲烷遥测仪：置于云台连接的腔体内，对关键位置进行泄漏检测的非接触式主检测设备。

⑩ 四合一环境气体检测仪：置于防爆机箱顶部，可选配不同探头进行可燃气体(甲烷、一氧化碳、氨气、二氧化硫等)同时在线检测。

3 主要功能

巡检机器人结合防爆设计、北斗定位、自动驾驶、多元数据传感等技术于一体，实现了组合导航、多功能气体检测、数据采集监控等。

3.1 组合导航

巡检机器人融入磁导航传感器、激光雷达、北斗天线等，以北斗系统高精度定位导航能力为依托，实现大地坐标系内精准定位定向，同时结合高精度惯导、激光雷达同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)导航，实现cm级精准定位和均方根0.4°定向，并支持路线规划和任务调度功能。北斗组合导航原理见图3。

图3 北斗组合导航原理

巡检机器人根据北斗卫星和附近的北斗地基增强站获得高精度的定位定向，结合自身装备的激光雷达在现场扫描建图，不仅能够执行固定线路的巡检任务，自动躲避线路上障碍物，还可执行临时性应急任务，扩展了巡检机器人的应用场景支持能力。

3.2 多功能气体检测

巡检机器人搭载激光甲烷遥测仪及四合一环境气体检测仪。激光甲烷遥测仪可随云台动态检测，精度高、距离远、响应快，是对关键位置进行泄漏检测的非接触式主检测设备。激光甲烷遥测仪参数见表1。

表1 激光甲烷遥测仪参数

四合一环境气体检测仪采用车载固定式安装，可选配不同传感器实现可燃气体(甲烷、一氧化碳、氨气、二氧化硫等)同时检测，响应时间不超过30 s。检测精度±3%，视具体传感器而定。能同时保存500个事件数据，并且具有数据恢复功能。除检测气体之外，能够同时实时采集环境温度和湿度。四合一环境气体检测仪见图4。

激光甲烷遥测仪及四合一环境气体检测仪结合使用，可提升巡检机器人的检测质效，适配多场景多需求气体检测。

图4 四合一环境气体检测仪

3.3 数据采集监控

巡检机器人所采集的数据，可通过监控平台展示、存储，同时可通过监控平台控制巡检机器人。监控平台提供标准数据接口，可对接SCADA系统、生产运行监控系统。监控平台界面见图5。

图5 监控平台界面

监控平台可实现数据采集、实时监控。监控平台可实时获取现场设备可见光图像、红外图像、设备噪声等信息，支持视频播放、停止、抓图、录像、全屏显示，实时监控巡检机器人自身状态。

监控平台可实现任务下达、自主筛选。通过监控平台，工作人员可对巡检机器人进行任务调整、下发，能够对现场实时采集的巡检信息进行自动化筛选处理。

监控平台可实现数据追溯、辅助决策。监控平台具有多维度、多层次历史巡检数据追溯能力，业务数据与位置、时间紧密关联，通过监控平台，可以生成丰富的现场图像和数据报表，辅助工作人员进行决策分析。

4 应用优势

① 提升巡检质量

巡检机器人集合了多项先进技术以及防爆功能，在工作中降低人为误差，且可以保障本体安全。在巡检过程中可以选择磁导航自动巡检以及自定义道路巡检，既可以完成周期性自动化任务，保障固定巡检区域燃气安全，又可以通过控制巡检机器人对设备存在的故障或者异常点位进行确认，全方位提升巡检质量。

② 提高巡检效率

巡检机器人的应用提高了巡检效率。以天津塘沽燃气门站为例，实际测试巡检机器人24 h可巡检38次，人工巡检受制于环境、管理、人为等各种因素，24 h可以巡检2次[2]。巡检效率提升可以增大对环境巡检的次数，进一步加强泄漏检测力度。

③ 数据精准安全

搭载北斗卫星精准定位导航的巡检机器人，在厂站内能够快速建模和实现cm级的精准定位，并保障数据安全。厂站设有大量燃气管道，如果检查到燃气泄漏，巡检机器人可进行精准定位并上报。

5 应用场景展望

目前，巡检机器人在燃气厂站逐渐得到应用，通过持续的应用探索和不断的系统更新，拓展了更多巡检机器人应用场景。

5.1 日常巡检

巡检机器人配置多种高精度传感器，实现数据采集分析和预警等功能。可以在易燃易爆危险环境中工作，辅助作业人员完成巡检任务，降低安全风险和劳动强度。巡检机器人日常巡检见图6。

图6 巡检机器人日常巡检

5.2 现场看护

当燃气厂站、输气管道周围临时施工时，通过监控平台可远程调度巡检机器人根据北斗定位信息导航行驶至施工现场，远程喊话、记录施工工作流程，实时检测气体浓度、获取环境温湿度信息，一旦可燃气体浓度过高，立即报警提示。还支持对运行异常的设备仪表进行定点看护，远程传输其运行的视频数据、抓拍图像。

5.3 应急侦测

一旦燃气厂站内或输气管道周围发生气体泄漏，巡检机器人可根据应急地点的北斗定位信息到达指定位置，深入抢险一线，代替人员先期进入易燃易爆应急现场探明情况，获取现场音视频、气体浓度、环境温湿度。实现应急现场多维环境数据统一时空采集处理、实时传输和即时融合展现，应急指挥中心可根据巡检机器人回传的数据进行分析，制定应急方案，有序处置，降低了应急人员的风险。