牛旻 王滔 何杨 黄骞 杨海波

【关键词】天然气净化;无人巡检;自动驾驶;5G

天然气净化是天然气产业链中重要的一环，属于能源行业和流程行业。对天然气净化厂日常管理工作而言，安全生产是最重要的事情，巡检工作是非常必要且不可少的一项基本工作，是保证天然气厂区的净化装置、管线安全平稳运行和周边人员工作安全的前沿防线。它能及时发现天然气净化装置存在的隐患或异常，并联动相关人员进行快速处置，可以使突发事故事件的可能性降到最低。同时还能减少事故发生后的抢修工作量，有利于降低整体抢维修成本，保证净化装置处于良好运行状态，在提高天然气净化设备可用率的同时，避免由于发现不及时导致的净化装置停车等生产安全事故所带来的负面影响。所以，急需一种基于无线通信技术的无人自动巡检技术应用于天然气净化生产的安全管理业务。随着公司“十四五”产能的持续稳步提升，天然气净化分厂数量将有所增加。处理量也会不断加大，尤其是高含硫天然气的处理量在逐步增加;在未来减员增效的整体形势下，依靠传统的生产管理模式已经难以支撑分公司及总厂的生产目标和战略发展，急需借助先进的数字化、智能化技术，大力推进基于5G通信技术的无人值守和无人巡检模式，保证安全生产、清洁生產、高效生产。

（一）现有巡检方式

天然气净化厂工艺区主要包括过滤分离装置、脱硫装置、脱水装置、硫磺回收装置、尾气处理装置、硫磺成型装置、火炬及放空系统、污水处理装置、循环冷却水系统、锅炉供热系统、燃料气系统、空气氮气系统、消防水系统等功能装置。在天然气净化厂，巡检是指在规定时间内按照规定频次对厂区内的工艺装置、工艺参数进行现场检查并比对核实，对各类机械设备（静设备、动设备、压力管道等）、电气设备（电机、配电设备、供电线路等）、自动控制仪表以及基建设施的工作情况和完好性进行目视查看或借助设备、仪器、工具进行现场简单诊断，以确认其可靠性和完好性。

目前，天然气净化厂巡检模式仍采用传统的人工巡检方式，巡检频率为每两小时巡检一次，通过手动挂牌设置标记方式来体现巡检工作的完成情况，从而督促员工及时巡检，确保巡检质量，同时也便于对巡检工作的监督检查。以川中某大型净化厂为例，装置区内设有若干巡检点，在每个巡检点都设置有巡检点位;巡检人员按照规定时间和规定线路依次到达指定巡检点位对设备设施和管线进行人工检查;当巡检人员按时到达巡检点位时，按规范要求检查巡检项，并打卡完成巡检任务。巡检人员基本依靠电瓶车进行现场巡检，该厂区内现有值班电瓶车21台，按照巡检要求，7个巡检组每两小时巡检一次，年出车量近4万趟次。

（二）现有巡检模式的弊端

虽然现有人工巡检模式在保障天然气净化厂生产和安全方面发挥了重要作用，但这种工作方式仍存在多项弊端：

1.员工巡检内容多，工作量大，长时间且周期性的重复性工作易使员工的工作效率和工作质量降低。

2.由于天然气净化厂具有有毒有害、高温高压、易燃易爆等特点，生产操作环境危险，工作人员的生命安全存在较大隐患，现场巡检时，工作人员不能够长期高频率地暴露在危险环境中。

3.现有人工巡检的工作质量受外部原因影响较大，包括天气和环境因素等，尤其是夜间和雷雨天气;受人为因素影响也比较大，巡检质量与巡检人员的业务水平、工作经验、态度、责任心和精神状态有密切关系，不能完全保障巡检质量和巡检效率。

4.巡检内容多、巡检频次高，每组两人，每次一组，电瓶车使用频率高，且占用人力资源也较高，整体工作效率低。

（三）需求分析

1.无人巡检：对现场巡检进行无人化建设，全面使用机器人、无人机等巡检代替传统的人工巡检方式，最大限度避免人员出现在高危险区域，特别是高含硫的分厂。通过增设智能仪表和视频监控手段，通过远传智能仪表数据分析和视频监控画面识别分析实现远程巡检。

2.无人值守：利用5G技术、智能传感器、视频监控、智能图像识别、智能报警等技术实现远程实时监控与控制，从而取代现场人员实时值守的工作模式。

3.加强生产管控：加强对生产工艺参数监控、视频监控，以及集成移动监控和环境监控，不仅实现了生产应急指挥而且可以对移动生产施工进行安全监视。

4.提高能源利用效率：利用智能驾驶和后台算法，优化电瓶车巡检路线，减少出动次数，大幅度减少电力能耗，达到减少能源消耗，降低生产成本的目标。

5.生产过程异常预测预警：实时监控生产全过程，特别是临时移动性的作业，自动辨识生产状态，提前发现、分析和判断影响生产状态的因素，在异常发生前进行预警，最大限度降低事故发生概率及后果严重程度。

近年来，自动驾驶技术发展非常迅速，不仅将智能交通变为现实，也将自动驾驶变成了可能。同时，自动驾驶也是当前全球汽车与交通出行领域智能化和网联化发展的主要方向，其独特优势将在未来的交通中具有重要的价值。对于工业企业特别是封闭式的厂区。自动驾驶优势，一是提升行驶安全，降低事故率。绝大多数交通事故是人为因素造成的，特别是对于24小时运行的工业生产企业。自动驾驶车辆依托雷达传感器和摄像头来实现对车辆的接管控制，能够避免人为因素而导致的操作失误。二是降本增效。自动驾驶车辆将减少厂区驾驶员数量，不需要花费大量人力物力进行驾驶员培训、巡检和相关安全管理工作。同时自动驾驶车辆会不断地监控道路状况，和其他作业活动互联互通，对道路情况提前预判，减少刹车、暴力驾驶、不当驾驶的次数，降低车辆维修频次和成本。三是全天候自助派车和驾驶，降低车辆调度工作强度。

5G通信技术作为新一代移动通信技术具有高带宽、低延时的特点，满足自动驾驶等垂直领域的发展要求。自动驾驶技术是未来汽车发展的主要方向之一，自动驾驶将依靠5G技术为载体，而5G技术的成熟也大大提升了自动驾驶技术的驾驶体验和安全性，两者在未来一定是相辅相成的，未来发展前景也必将更加可观。

（一）巡检智能车辆

针对净化厂的电瓶巡检车辆，对车辆进行改动，加装针对业务场景的巡检功能模块，通过智能车辆的先天优势。为厂区内巡检工作提供新的终端，实现具有限制条件的无人驾驶（层次3）与全工况无人驾驶（层次4）的功能，降低人工成本，完善监测系统。智能车辆技术架构分成以下子系统：环境感知部分包括车辆状态感知（GPS、陀螺仪/电子罗盘、其他车载传感器），外部目标感知（摄像头、LiDAR、Radar），車道感知（摄像头），交通标志感知（摄像头），驾驶员状态感知，来自通信系统的外部目标感知及交通标志感知（DSRC）。模型预测部分，外部目标的多传感器观测的融合与跟踪，获得外部目标的运动状态（位置、速度、加速度）。态势评估部分，根据外部目标的运动状态估计其威胁。控制决策部分，车辆行为决策与局部路径规划形成车辆驾驶决策。控制执行部分，具体车辆的纵横向控制命令序列。业务功能模块部分，毫米波雷达和摄像头提高目标或障碍物的感知精度，硫化氢的空气含量的气体检测仪，检测车辆所在区域声音分贝的噪音检测仪。

终端车辆采用分布式结构：系统中的处理器为域控制器，通过CAN总线进行连接。域控制器处理来自激光雷达、GNSS+INS、超声波传感器的信息，以应对车辆自身状态、外部环境的监控;域控制器再通过CAN总线将命令下发给执行器，执行器来负责对车辆的控制，以实现障碍物避障、AEB等功能。系统结构及各部分功能分配如图：

在车辆前方布置超声波传感器。车辆上方设置激光雷达、组合导航、GPS天线，车辆后方布置倒车超声波传感器，以检测车辆前后的环境，车内安装域控制器进行数据处理及下发控制指令，以后根据需求可考虑加装毫米波雷达或者光学传感器，车辆硬件部署如图：

（二）智能巡检

针对净化厂的巡检任务，基于搭载视频监控，气体环境监测等智能设备的巡检车辆，利用边缘智能计算系统，对巡检目标对象进行视频智能分析识别，实现仪表数据自动识别、设备状态自动检查、管线跑冒滴漏自动检查、周边环境和基础设施自动检查等，将检测识别结果上传至巡检系统，代替人员现场巡检。

通过车载的气体检测系统，自动监测厂区内环境，推送定位、发生泄漏的介质、泄漏地点和泄漏大小等信息。当应急发生时，无人巡检车辆驻点进行实时监测，主动推送现场实时数据和视频图像等相关信息，实现应急指挥“连得通、看得见、叫得应”。

对于人员移动作业，搭载视频监控的无人巡检车辆可以跟随施工人员进行现场监管，避免事故的发生，同时增强移动信号，对人员进行室外实时定位，保障人员的安全。

（三）无人巡检管理平台

无人巡检管理运维的数字化，实现巡检车辆管理与巡检任务系统的集成。通过算法优化巡检车辆的出动线路规划，以及完成报表的自动生成，并实现车载搭载的各类智能设备的数据回传并关联到工业视频监控系统、仪表设备管理系统以及数据分析处理系统等相关系统。对现场所有问题、隐患、事故事件的可追溯闭环，成为智能终端和后端各类系统的桥梁，实现生产和生产辅助管理功能。

针对天然气净化厂生产实际需求和巡检人员、巡检车辆的管理需求，开展的基于5G技术的天然气净化厂智能巡检技术应用研究和试点应用取得了良好效果，主要体现在表1几方面。

基于5G技术的自动驾驶技术，搭载高清视频监控系统，增加环境监测等业务模块，搭建无人巡检管理平台，应用计算机信息系统手机数据等方式，实现天然气净化厂无人巡检模式，实现对人工巡检内容和巡检范围的全覆盖。无人巡检模式的实用化可以有效降低操作人员高频率地暴露在危险工作环境中的安全风险;提高劳动效率，降低劳动强度，减少重复性工作的频次，节约企业人力资源，优化人工记录表格，实现数据实时化无纸化，推进智能天然气净化厂建设。