基于北斗的防爆智能巡检机器人在油气领域的应用

2023-07-20路园刘雨晴

卫星应用 2023年4期

文|路园刘雨晴

北京讯腾智慧科技股份有限公司

一、前言

2022年11月4日，国务院新闻办公室发布《新时代的中国北斗》白皮书，提出北斗系统已成为面向全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航与授时服务的重要新型基础设施，白皮书提到融合新一代通信、低轨增强等新兴技术，推动新时代的中国北斗与非卫星导航技术融合发展[1]。

目前，北斗系统正与大数据、云计算、人工智能、区块链、5G通信等新技术快速融合，北斗卫星导航应用的新模式、新业态、新经济不断涌现，基于北斗定位导航等多种技术的智能机器人在煤矿轨道、防灾救灾等领域得到运用。

2012年起，北斗精准服务应用于燃气生产运营业务中[2]，为燃气行业数字化转型提供准确的位置信息和精准数据支撑，有效推动在燃气领域各个场景深化北斗应用。2023年1月，工信部等十七部门联合发布《“机器人+”应用行动实施方案》，提出研制能源基础设施建设、巡检、操作、维护、应急处置等机器人产品，推广机器人在油气管网等能源基础设施场景应用。结合油气场站特点，本文对基于北斗的防爆智能巡检机器人展开应用探索，探讨北斗防爆智能巡检机器人（以下简称“北斗机器人”）在油气领域的应用及优势，并提出未来展望。

二、应用现状及需求

油气场站是输配系统中的关键点，是管道运输必须通过的关卡，具有保障输气安全运行的功能。由于存储、输送气的工艺设备特征和本身的物质的特性，油气场站等重要区域不可避免地存在各种安全风险问题。

1.油气场站巡检机器人得到应用

油气场站等重要区域多采用人工巡检，主要通过巡检人员感官上的闻、听、触、看及通过手持设备进行泄漏检测及运行状态检查，以避免由设备故障、工艺环节控制失灵导致泄漏、火灾、中毒、爆炸等各种安全事故。但人工巡检存在着很多先天不足，如巡检质量不高、手段单一、劳动强度大、受恶劣天气影响大、人员整体效率偏低等，巡检质量也由于人员素质不同而参差不齐[3]。

随着近年来传感器技术和人工智能的发展，具有多维度检测能力的智能设备发展迅速，各油气公司的下属场站也不断尝试新的技术、新的设备用以提升场站的巡检能力。从固定式巡检机器人的部署，再到以磁导航、激光雷达导航为主的巡检机器人在油气场站得到应用。但由于油气场站兼有封闭空间、半开放空间、开放空间的区域，并且具有临时应急任务需求的工作场景，固定式、磁导航、激光雷达导航的巡检机器人具有很大的使用局限性，场站也迫切需要导航更为精准、可自由调度、启动即用的巡检机器人更快速高效地执行工作任务。

2.北斗防爆智能巡检机器人的应用提出

为响应推动“十四五”北斗产业发展，推进北斗规模化应用，北京讯腾智慧科技股份有限公司围绕油气场站对于新一代防爆巡检机器人的应用需求，整合多学科技术进行技术创新和攻坚克难，将北斗精准定位导航赋能低速无人驾驶技术，成功研发融合北斗定位导航系统、激光雷达导航系统、惯导系统于一体的北斗防爆智能巡检机器人，结合无人驾驶、人工智能、大数据、非接触检测等技术，北斗机器人已达国际领先水准，可为油气场站开展智能化、数字化巡检服务。

通过建设基于北斗的防爆智能巡检机器人系统，不仅能实现场站无人值守、降本增效、安防提升的目标，还将深化北斗导航系统在油气场站的基础应用，为建设北斗数字化场站起到示范作用，夯实企业北斗时空大数据基础。

三、应用探索

国家提出全面发展智慧能源的战略部署，各大油气公司开始尝试建设数字场站、智慧场站，着力于解决场站在生产运营中存在的诸多痛点问题，但油气场站的智能化进程依旧缓慢，并且场站的数字化水平差异巨大，场站内智能感知设备投入少，业务数据数字化程度低。北斗卫星导航系统、大数据、机器人、无人驾驶、人工智能等技术的引入与融合应用对于提升油气场站的数字化生产运营十分关键。

1.应用关键

北斗组合导航是以北斗系统高精度定位导航能力为依托，实现大地坐标系内的精准定位定向，真正赋予了机器人无人驾驶能力，同时结合高精度惯导、激光雷达SLAM导航，轻松实现机器人在开放空间、半开放空间、封闭空间内的导航和避障能力，确保机器人在场站工艺区域或室内均可达到厘米级精确导航巡检。北斗机器人依靠北斗卫星和附近的北斗地面增强站获得高精度的定位定向，依靠自身装备的激光雷达在现场扫描建图，不仅能够根据北斗定位导航执行固定线路的巡检任务，自动躲避运行线路内障碍物，还可执行临时性的应急任务，极大地扩展了北斗机器人的应用场景支持能力（图1）。

图1 北斗组合导航原理

机器人通过北斗RTK高精度差分定位GNSS+高精度惯导+激光SLAM组合导航技术，在北斗精准服务网的支持下，可以实现厘米级的高精度定位和良好的卫星信号中断时导航精度保持性能，为室外环境下利用北斗高精准服务实现巡检点空间地理坐标定位提供了可靠保障，同时采用GNSS双天线定向技术来保证机器人能够获取到准确的位置信息。通过成熟的激光雷达SLAM技术，可以赋予机器人在初始化配置中扫描构建场景地图，并在实际运行中进行同步定位和障碍识别能力，依靠将高精度GNSS+INS+SLAM进行算法融合，提供北斗机器人在复杂场站环境中通行和精准位置管理能力。

2.应用特征

北斗机器人依靠其北斗导航系统精准的定位导航能力，通过其搭载的各类传感器，多维度、多层次地获取油气场站现场的实时运行状态，协助巡检人员完成日常巡检、安全监督、应急处置等一系列固定线路、非固定线路的巡检工作。北斗机器人的应用特征体现在以下方面：

1）高效率。多传感器态势感知，高精度定位巡检，大幅提升巡检工作效率。

2）高质量。打造时间+空间维度的巡检数据集，夯实了油气场站的数据基础。

3）高可靠。本体安全防爆，危险环境中的急先锋，切实提升应急人员安全保障能力。

3.应用优势

北斗防爆智能巡检机器人在油气行业应用的优势主要体现在以下方面。

（1）定位精准

北斗系统是混合星座，已成为面向全球用户提供全天候、全天时、高精度定位导航与授时服务的重要空间基础设施。除去拥有GPS和伽利略系统所具备的中圆轨道的卫星之外，北斗系统还具有地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星，定位精准性进一步得到提高。北斗卫星精准定位导航为机器人提供快速建模和实现厘米级精准定位的能力，并支持路线规划和任务调度功能。场站聚集大量油气管道，北斗机器人在场站内外巡检时可使用厘米级的北斗定位，可以第一时间精准发现泄漏位置并上报，北斗机器人在解放人力资源的同时大幅提升巡检效率。

（2）定位安全

北斗导航系统是由我国自主研制、独立运行的卫星导航系统，系统研制、数据传输都具备极强的安全性。油气场站数据涉及国家能源信息安全，在采集、获取、存储过程中任意环节都需要按照规范进行操作，确保数据安全。结合北斗系统的巡检机器人能够有效避免定位数据被篡改、导航数据错误的问题，预防在场站内由于导航异常造成安全事故，助力实现场站信息安全。

（3）即时高效

基于北斗的防爆智能巡检机器人在实际应用中是以北斗系统高精度定位导航能力为依托，实现大地坐标系内的精准定位定向，将整个大地坐标系作为其行驶的基础地图。相较于以磁导航、激光雷达导航这类在固定路线及固定建图区域内行驶执行任务的机器人，具有真正广阔空间的无人驾驶能力，在固定的场站内可智能执行任务，在未扫描建图的应急场所，北斗机器人也具备启动即用的高效执行能力，北斗定位导航的融合应用极大地扩展了机器人在油气行业各类应用场景的支撑能力。

（4）响应国家政策

助力推进安全生产。国家、部委发布的“十四五”系列规划文件中提到，通过深化北斗应用，促进行业生产安全发展；坚持创新驱动发展、加快数字化发展、全面提高公共安全保障能力，推动危险岗位机器人替代。北斗机器人的研发正是顺应了国家要求，围绕经济转型和社会发展的安全需求，推动北斗应用深度融合，完善北斗系统在油气行业的应用场景。

助力保障能源安全。能源安全在国家顶层设计中占据重要地位，提升我国油气能源供应保障能力，牢牢掌握能源供给主动权，是保障我国经济社会高质量发展、全面建设社会主义现代化国家的迫切要求。油气场站是长输管道系统中的重要生产节点，同时在管理及运维过程中通常面临诸多安全风险。北斗机器人结合北斗系统提供的精准时空数据信息，能够有效减少人为操作、设备故障、环境风险、管理失误等环节中可能存在的风险，将事后处理化为事前预防，保障油气场站安全，进而提升国家油气能源供应保障能力，促进国家经济社会高质量发展。

4.应用场景

相比较传统机器人，北斗机器人具备更高的精准定位、工作效率、协同能力，同时提供更强有力的安全保障能力。北斗机器人在油气领域的应用探索中，开拓了多种应用场景。

（1）日常巡检

北斗机器人根据预设的巡检路径，依靠北斗定位数据自主进行日常巡检，协助或替代人员巡查油气场站等重点区域是否发生气体泄漏、实时采集特殊位置或重要仪表设备视频及图像，也可设置对场站周界进行定时视频巡查，管理人员对于禁行区域闯入人员抓拍、报警、喊话驱离。机器人行进中遇到障碍物能够自主避障，继续执行巡检任务，完成整个巡检任务流程。降低了巡检人员的劳动强度，提升巡检效率。

（2）现场看护

当油气场站、输气管道周围进行临时施工时，依靠管理软件可远程调度北斗机器人根据北斗定位信息导航行驶至施工现场，结合远程喊话、记录施工工作流程，实时检测气体浓度、获取温湿度环境信息等功能，一旦危险气体浓度过高，北斗机器人立即报警提示，保障施工中的输气安全与人员安全，还支持对运行异常的设备仪表进行定点看护、图片抓拍，并远程传输其运行视频数据。提高场站人员的安全管理手段，协助规范工作流程。

（3）应急侦测

一旦油气场站内或输气管道周围发生气体泄漏应急事件，北斗机器人可根据应急地点的北斗定位信息遥控机器人至指定位置深入抢险一线，先期进入易燃易爆气体等危险的应急事故区域探明情况，获取现场环境数据，超远距离协同共享信息，实现应急现场多维环境信息传感数据统一时空采集处理、实时传输和即时融合展现（图2），应急指挥中心可根据机器人在现场回传的数据提前进行分析，制定应急方案，有序进行处置，降低了应急人员前期处置的危险性，并且提升指挥中心与现场人员的应急协同能力。

图2 北斗机器人数据采集监控平台

四、展望

北斗导航系统在巡检机器人中的结合应用已经成果显著，从基础数据层面为油气场站带来了巡检工作的技术革新，基于对北斗机器人的应用分析，提出以下展望：

1.体系建设

目前，大多学者对场站的危险分析集中于对场站安全的宏观分析，尚未针对值班人员对场站的日常巡检提出建议措施，而场站日常巡检中值班人员仅依据个人经验或简单规则进行危险排查，不够全面，尚未形成较为系统的巡检体系[4]。油气场站的安全制度在顶层贯彻落实得比较彻底，但是在基层的执行效果不佳，亦与体系建设不够全面息息相关。

面对油气领域各集团年供气百亿立方米的用气安全需求，安全生产综合治理和应急保障任务极其艰巨。北斗机器人能够在油气场站巡检过程中发挥巨大作用，显著提升运行安全治理，助力推动行业数字化转型。在完善场站体系建设的过程中应考虑建立以北斗机器人为主的巡检体系，促进北斗机器人多站端标准化部署应用，进一步深化油气行业的北斗应用，构建北斗时空大数据基础。