海上平台设备故障智能预警系统开发技术路线研究

李明，朱泽锦，于成龙，杨森

(中海油能源发展股份有限公司湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 524057)

0 引言

海上平台作为油气水生产的重要装置，远离陆地，具有高投资、高风险、高回报等特点，一般配有生产系统、发电系统、应急系统、消防系统等，设备包括分离器、加热器、柴油机、发电机、海水提升泵、注水泵、外输泵、电机等，数量众多。为了解、掌握设备在运行过程中的状态、综合评价预测其故障出现趋势、做到尽早发现尽早决策，需要采取各种手段对其进行监控。

1 系统架构

对海上平台作业环境、设备操维人员作业特点等进行分析，具有以下特性：(1)平台操维人员工作环境多为高温、高湿、高噪，甚至易爆的现场，不利于人员的安全和健康；(2)设备种类多、分布广，人工巡检任务重，无法做到全面掌握所有设备状态；(3)专用检测设备不便于携带和使用。

为解决以上问题，采用噪声监测、红外热成像、图像识别等非接触手段进行表征机械设备状态的自动处理、分析，整体技术方案为：(1)采用传感器和控制柜与人机交互界面(显示屏)分离、信号电缆或网络进行远距离数据传输的分离式布置方案；(2)采用人工智能技术实现高度自动化，采用数据挖掘和机器学习等技术提取噪声、热红外、图像三种参数的特征，应用数据库技术开展比对分析，并结合过程控制技术等实现系统的自动分析和预警功能；(3)系统应具备基于互联网通讯的数据交互功能。

2 总体性能技术方案

为使用较少的传感器数量实现监测设备台数不少于4 台的目标，系统应采用云台扫描、自动变焦、重复对准等技术；为了具备扩展能力，使用模块化技术或软件系统应具备控制多模块/子系统的功能。

为实现预警准确率大于80%，系统应装备故障模式特征数据库并动态更新，技术人员可事先针对所需监测的设备进行常见故障、频域特征的分析并输入数据库中供程序调用。

为提高时效性，实现时效值＜2 h 的目的，系统设置噪声、热红外和图像三项参数处理后数据的有序存储，数据库也应考虑调用速度。同时，系统应不断对数据进行统计，形成基于统计方法的阈值，并对数据进行平滑处理，既能在故障、异常出现时及时发出警报，又能对临时干扰进行排除。

3 性能指标实现技术方案

3.1 硬件指标

为满足海上平台的使用要求，预警系统硬件指标如表1 所示。声传感有关性能指标：一是实现60～110 dB幅值范围的测量，在光纤声传感方面，光信号数模转换等硬件应选用动态范围较大的元器件；在MEMS声传感方面，科研或工业型SDK 套件能较好满足该测量范围需求，而消费型SDK 套件从技术指标说明书来看可能存在过载问题(传感器处噪声应低于90 dB)。除价格优势外，后者在消除混响方面较为成熟，尤其是在人声量级低于环境噪声25 dB 情况下仍能被有效识别，性能卓越。二是实现50～8 000 Hz所含频带的测量频率范围，在光纤声传感方面，应对传感器结构动态特性进行分析，使该频率范围内无过多的共振峰，降低补偿算法运算资源需求；在MEMS声传感方面，科研或工业型SDK 套件基本满足要求，而消费型SDK 套件从技术指标说明书来看可能存在50～100 Hz 频响下降较快的现象，需要开展灵敏度频域修正，增大算法运算资源需求。

表1 预警系统硬件指标

3.2 软件技术要求

通过分析现有软件平台和加强与现场技术人员交流，进行优化调整以满足友好的人机交互要求。在软件架构设计中采用微服务技术架构，对服务进行拆分，通过Web 界面等前端、HTTP(S)通讯协议、UTF-8 编码等方式实现分布式操作和异处协同的需求。通过软件接口测试、逻辑测试和压力测试等满足稳定性要求。

3.3 系统的环境适应性

光纤声传感器适应温度-10～80 ℃、相对湿度＜95%的工作环境，其感受器及信号传输均采用光纤制作，光纤为石英玻璃或特殊塑料高温拉制而成，且无需通电，天然具有适应高温、高湿的能力[1]。考虑到设备部署在机舱等区域，MEMS 传感器应用的主要目标是降低系统成本、提供灵活部署方案、降低环境适应性要求。其中，科研、工业型MEMS 传感器技术指标显示工作温度为-40～85 ℃，消费型MEMS尚未有明确技术指标数据。其他设备环境温度为-10～50 ℃，在采取风冷措施的情况下，应能满足要求。

4 数据处理流程方案

4.1 声学数据处理流程方案

对两个子系统的声学数据处理流程，原始时域信号获取部分有所差异：光纤声传感子系统主要是通过光纤传感器进行数据采集、光路模块进行调制解调、电路模块进行光电转换，以获取原始时域信号；MEMS 声传感子系统主要是通过MEMS 声传感器进行数据采集、内置芯片进行初步的信号分析处理[2]，包括模数转换、声聚焦波束成形、信号消噪等(为更具灵活性，考虑通过二次开发接口进行算法注入)。此外，两个子系统的其他处理流程基本一致，依次为：信号处理→工况负载识别(为选取对应的检测阈值)→声纹数据库生成和调用(主要用于生成检测阈值、预置和更新故障特征、自动识别工况等)→趋势性分析→故障分析诊断→声学、热红外成像、图像识别融合分析→云平台(主要通过专家协助分析疑难情况)，其间将设置干扰排除、工况改变、提示人工巡检等判断环节。

4.2 热红外成像数据处理流程方案

热红外成像数据获取主要通过SDK 套件，套件内完成热红外成像数据的初步处理，输出温度云图和视频，相关数据处理流程为：红外亮点提取→工况负载识别→热红外数据库→趋势性分析等。如同声学数据处理，一方面通过数据库技术和统计算法实现工况识别、阈值生成等；另一方面设置干扰排除、工况改变、提示人工巡检等判断环节。

4.3 图像识别数据处理流程方案

图像识别数据获取主要通过SDK 套件，套件结合配套软件，将具有移动侦测、特征识别等功能，同时输出较高清晰度的图像和视频。为简化二次接口开发，将主要针对输出的图像进行数据处理(视频可存入数据库调阅)。相关数据处理流程为：获取特征点用于对准定位和调焦→图像特征提取→图像识别数据库→趋势性分析等。由于图像基本不随工况载荷变化，无需设置工况载荷识别流程，但要设置干扰排除、工况改变、提示人工巡检等判断环节。

4.4 数据融合处理框架方案

三种异构数据均为设备故障某方面的表征，利用信息融合技术综合处理其分析结果，有利于提高预警的准确性和改善时效性，本研究采用决策层的融合方法。

对设备的故障进行分类，并归纳其故障特征，为进行决策层的信息融合提供逻辑基础：

(1)运动部件故障

该类故障是摩擦增大甚至剐蹭、撞击以及弯曲、磨损破损等现象，将引发噪声增大、负载增大(即温度上升)，利用声学和热红外数据分析，因两者具有较大的关联性，可利用该特点进行相互检验，提高判断准确性。但运动部件一般被机体包围在内，难以用图像识别。少数情况为设备安装不良或受到剧烈激励导致的设备整体晃动，即刚体运动，所产生的噪声可能低于声传感器测量范围即测得的噪声变化程度不明显，且热红外需较长时间才变化显著，若此时图像识别到明显变化，应及时预警、报警，提示人工巡检。

(2)机体等静止部件故障

该类故障一般是漏液、裂纹。一般来说，故障初期的声学、热红外数据变化不大，一旦出现图像明显变化，在排除干扰后，应及时预警、报警，提示人工巡检。裂纹扩展到一定程度，此时如同松动情况，意味着运动部件的支撑边界发生变化，产生的噪声将有较大变化。

5 预警系统硬件组成

(1)声传感系统

①光纤声传感子系统用于采集区域环境内设备的空气噪声，能适应高温、高湿、高盐、易爆等环境要求。同时研究光纤复用技术在多台设备监测方面的应用，以降低光源贵重元器件的采购成本。

②MEMS 声传感子系统主要由MEMS 声传感器SDK 套件、供电模块、信号传输模块组成，用于采集区域环境内设备的空气噪声。

(2)热红外成像传感系统

热红外成像传感系统主要由热红外成像传感器SDK 套件以及供电模块组成，用于采集区域环境内设备的机体表面温度。

(3)图像传感系统

图像传感系统主要由图像传感器SDK 套件以及供电模块组成，用于采集区域环境内设备的外表图像。

(4)传感器搭载装置

传感器搭载装置主要有云台、移动滑轨以及供电模块组成，用于搭载热红外成像传感装置、图像传感装置以及MEMS 声传感器SDK 套件。通过云台的定期、定点旋转运动联合移动滑轨的定期、定点的往复移动，满足对多台设备监测的要求，并较好地克服“视线”死角。

(5)系统控制柜

系统控制柜主要由系统数据存储和计算服务器、机柜柜体、高速路由器等组成，并为光纤声传感子系统的光路、电路提供安装空间。

(6)可视化和人机交互装置

可视化和人机交互装置主要是大尺寸液晶触摸屏，用于数据的显示及技术人员的操作控制。

6 预警系统软件组成

(1)声纹数据分析子系统

声纹数据分析子系统主要由光纤声传感子系统驱动控制模块、MEMS 声传感子系统驱动控制模块、声聚焦波束形成算法模块、设备噪声信号处理及特征参数提取模块、设备声纹数据库模块、设备声学故障诊断模块、设备声学趋势性分析模块等组成，主要实现声学子系统相关硬件的控制，并克服区域混响的影响，实现区域内异常噪声的定位和故障初步识别，以及根据故障发展情况及时预警。

(2)热红外成像数据分析子系统

热红外成像数据分析子系统主要由热红外成像传感器SDK 套件控制和通讯模块、设备红外亮点提取模块、设备红外趋势性分析模块等组成，主要实现热红外成像装置硬件的控制，并克服人员短时遮掩，提取设备表面红外特征，以及根据故障发展情况及时预警。

(3)图像数据分析子系统

图像数据分析子系统主要由图像成像传感器SDK 套件控制和通讯模块、图像定位特征提取和重复对准模块、设备表面图像特征提取模块、设备表面图像变化趋势性分析模块等组成，主要实现图像成像装置硬件的控制，并克服人员短时遮掩，提取设备表面图像特征，以及根据故障发展情况及时预警。

(4)传感器运动控制子系统

传感器运动控制子系统分别设置云台旋转扫描和定位控制模块、滑轨移动和定位控制模块、热红外成像和图像识别传感器的镜头变焦控制模块等，主要实现MEMS 声学传感、热红外成像和图像识别等对准、切换等需求。

7 结语

在海上平台运行和维护中，现代监测预警和故障排查技术的应用对提升平台的安全管理水平至关重要。而噪声监测、红外热成像、图像识别等技术可以通过实时数据采集、分析和预判，提前发现平台的潜在问题，并提醒维保人员及时采取措施进行维修，从而提高了故障排查的效率和精准度。随着数智技术的不断发展和创新，相信平台将能够应对运行维护中的挑战，实现可持续发展。