ARGOS Challenge 是2013年至2017年由道达尔石油公司赞助的一项机器人竞赛,ARGOS 是“石油天然气工业现场自主机器人”的缩写(Autonomous Robot for Gas and Oil Sites)。在Elgin–Franklin 油田发生天然气泄漏导致人员撤离、停产长达数月后,道达尔公司决定采用开放的模式寻求开发机器人现场巡检的新方法,以提高石油天然气生产现场的安全。最终这场竞赛的获胜者是一支奥地利-德国联合团队,该团队由奥地利机器人制造商 Taurob GmbH 公司和 TU Darmstadt 公司的成员组成,他们发明的机器人 “Argonauts” 我们在下文中将有介绍。
在道达尔 ARGOS 挑战赛中 “露脸” 的油气行业巡检机器人,中间这款获得了冠军© Argos Challenge
受到2014年-2016年油价暴跌的严重影响,全世界内石油和天然气工业的从业人数锐减,一种原因是各大石油公司面临经营压力被迫大规模裁员,如康菲、斯伦贝谢等,另一方面则是人工智能革命的冲击,很多油气领域的技术人员主动转变,投身热门行业。油气行业自身工作环境异常艰苦,招工不易,油价暴跌后又背负大众“夕阳行业”的片面看法,导致慢慢的变少的年轻人毕业后愿意投身能源一线年到现在稍有好转,部分之前被迫离开油气及海工行业的从业者们开始回流,但想要回到2014年人才济济的时代,在很长一段时间都将不太现实。同时,未来是否油价还会有更大的波动,没有人能给出确切的答案,石油天然气行业未来是否也会面临“用工荒”,特别是环境艰苦的一线,也许极有可能会发生。
石油天然气行业,特别是海上油气,平台和作业船舶远离陆地港口,交通不便,世界上大部分的石油公司都施行倒班制。海上工作异常艰苦,又充满危险,这一切都要一线员工独自面对,远离亲人度日如年。海上钻井平台结构较为复杂紧凑,可燃材料与电机设备众多,人员密集,远离陆地,救援困难,若发生安全事故,容易连锁反应,造成难以估计的人员受伤或死亡和经济损失。墨西哥湾英国石油公司的平台起火爆炸,造成7人重伤,11人失踪的悲剧,原油泄漏导致BP公司不得不付出上百亿美元的环境污染赔偿。
几十年来,石油工业一直走在工业技术的最前沿,甚至在工程中使用机器人也在所有行业是最早的,因为在70年代,海上石业慢慢的开始使用作业级水下机器人协助钻井活动,ROV特别是在深水油气田的开发中发挥了及其重要的作用。然而信息化浪潮汹涌而至,国家人机一体化智能系统2025规划,机器人革命一波接一波地以前所未有的声势和速度改造着身边的众多行业,汽车、建筑、家电、物流,甚至石油的下业迅速提出了主动拥抱人工智能的口号,并在众多生产和监督环节中引入了机器人技术。反观最早接纳机器人技术的石油天然气工业,现在却在人工智能潮流中仿佛不知所措,步子慢慢的开始落后于其他行业。
因此,无论是油气行业未来将不得已面对的用工荒,还是海上油气平台的安全管理的重要性,还是该以更加积极的姿态拥抱人工智能,拥抱未来。在生产的全部过程中引入机器人对行业来说,已经不只是一个概念那么简单,而是在未来低油价常态化的形势下一定要做出的选择。机器人虽然不会短期内占领海上平台,但它们有潜力改变海上油气行业。对那些日复一日简单重复性的工作,工作环境危险且恶劣的任务,有必要让机器人去执行,这样将有利于提升员工的工作质量、体现以人为本的宗旨,同时也将有利于激励和吸引年龄小的员工重新认识这个行业。
鉴于海上油气生产的特殊环境,因此,海上平台巡检机器人大多需要能够在危险的环境中工作,并解决那些人工劳动面临的健康、安全和环境挑战。大多数巡检机器人解决方案都与监视、检查和维护基础设施完整性有关。从所需适应的环境来说,海上巡检机器人需要具备以下能力:
油气生产最大的安全风险隐患就是爆炸,“NO SMOKING”是人人都必须竖立的意识,特别是海上平台,结构紧密相连,空间存在限制,虽然在设计中有考虑到通风要求,但仍然有很多区域易发生易燃易爆气体浓度超标。这些区域对工人来说,是严重的危险隐患,任何操作失误都可能会引发火灾、爆炸事故。巡检机器人利用地图信息和传感器信息在平台上自由移动,使用车载摄像头读取气体浓度数据,并结合自己携带的气体探测器,可以轻松又有效的对平台所有空间范围的气体浓度情况绘制成图,以便在灾难发生前检测出异常情况。
同时,机器人本身也应该符合防爆要求,比如防爆标准 Ex2015 等等。机器人本体上安装有大容量电池,因此满足防爆要求并不是容易的事。
墨西哥湾一座平台发生爆炸导致大量原油泄露入海,200亿美元的巨额赔偿让BP公司濒临破产© CBSnews
平台甲板上划有安全通道,但是路线很复杂,不易辨别方位,非常驻人员经常也会迷路;加之机电设施、临时工具、障碍物繁杂,楼梯、舱室、台阶、地面隆起、狭窄拥挤的空间;雨雪冰冻天气地面湿滑、火灾烟雾、高温高噪音区域、悬空作业区、台风等恶劣天气导致人员工作受限、甚至被迫撤离等等,这一些因素不论对人工还是机器人巡检都带来了挑战,也存在安全风险。相比起人工,机器人集成地图导航和图像识别、避障和路径规划,标记功能,即便工作种类再多也不可能会出现重复劳动,将空间情况实时记录,反馈给运营中心,会比人工的效率高很多,让工人原理危险源,也更加人性化。
恶劣天气中的海上平台,在台风天人员一定撤离,此时是最危险的时候© Dagbladet
平台上的生产设备众多,很多时候一定要通过声音辨识设备的工作状态,机器人集成音频智能识别模块,同时结合振动检测功能,可以迅速地辨别出来设备种类,工作是不是正常、结构是不是可靠等。集成高清摄像头,能检查油水泄露、腐蚀、记录整体环境状况;视觉识别以便于智能读取记录仪表读数、障碍物识别和规避、自主行动、资产状况监测、记录和评估等。火灾识别、气体、温度湿度探测、热成像等功能则更能体现出机器人的优势。
决定海上平台巡检机器人应用前景的重点是它所具备的功能能否契合业主的实际的需求、改善经营成本、替代部分人力、工作效率高过人力等。伴随着建设数字化油田的倡议,各家上游公司也慢慢变得重视大数据在生产的全部过程中所起的作用,机器人如果单纯做一些类似人工做的重复性劳动则部署的意义就比较小,相反,正是因为其超强的数据存储和解决能力、远程大容量通信能力、结合云平台的能力、结合其他无人系统(如水下、空中无人系统)组网的能力,更加放大了平台巡检机器人相较人工的优势,未来也是提升油气田生产效率的重要途径。
海上巡检机器人的发展历史并不长,很大程度也是受了最近几年人工智能潮流的影响,基本上始于油价暴跌以后,人们开始重新审视传统的作业模式。目前发展比较积极的是北海,挪威国油、英国石油公司、道达尔、壳牌等,一种原因是因为油价下跌给海上油田特别是深水油田来了巨大的冲击,而这几家在深水领域的投资都比较积极;还有就是挪威和英国在提倡绿色化石能源生产上投入大量资金做超前研发,不仅移动机器人,水下机器人、智能油气田、发展新能源等方面也是如此。
能源供应商的一项重要任务就是保证其工厂的安全可靠运行,特别是在海上能源生产时,比如上个月英国最大的海上风电场发生故障导致伦敦大面积停电。移动机器人能够定期自动检查设备和基础设施,以比人工更高效的方法维护生产平台的正常运转。
2018年9月,电力运营商 TenneT 在其海上升压站上部署了世界上第一个四足巡检机器人——ANYmal,这是由 ANYbotics 公司研发的一款海上平台专用巡检机器人,在可以伸缩自由转动的头部配备了定制的传感器,自动执行平台的各种检测任务。该机器人集成了3D导航模块,能自动识别所有监测点的位置和特征,自动导航并处理任务,在一遍检查任务中,覆盖了16个检查点、如仪表、阀门位置、油水位等,并记录了温度、泄露点和气体浓度等。
2018年4月,道达尔宣布将与英国油气技术中心、Taurob公司和达姆施塔特工业大学联合研发一款能在海上自主运行的巡检机器人,研发周期为18个月,用于道达尔在北海设得兰地区的陆上天然气厂和海上Alwyn平台设施的自动巡检。这将是全球首个用于海上油气设施的自主机器人,有助于提高海上油气作业的安全性,提高生产效率和减少相关成本,可能在海上机器人领域掀起一场革命。
Taurob公司和达姆施塔特工业大学曾在去年合作赢得了道达尔的ARGOS(用于油气设施的自主机器人)挑战,设计一个可以执行例行任务,并在模拟的油气作业环境中应用的自主机器人。Taurob公司和达姆施塔特工业大学研发的这款机器人经过了ATEX认证,可以执行外观检测、读取仪表、液位计量、导航通过狭窄通道和上下楼梯、测量温度和气体浓度、探测和导航绕开障碍物和人等。此次道达尔和油气技术中心加入的联合研发是对这款机器人的扩展,改善性能、提高可靠性,使其能在没有现场机器人专家的情况下由离岸人员操作。
世界上第一款在海上部署的巡检机器人,击败了上面那款四足机器人© Taurob
2016年9月,全球最大的石油公司壳牌推出了一款可用于易爆环境中的移动机检测机器人,Seansabot,这种半自动的机器人被部署在里海地区一个海上油田,这台机器人是首先被部署在里海油田的一个布满油气生产设施的荒岛上试运行,如果一切正常的话,最终也将会拓展到海上平台上。
Sensabot 是2010年壳牌与匹兹堡卡内基梅隆大学国家机器人工程中心(NREC)、英国SMD 公司和荷兰 Improvia 公司共同开展的一个项目,他们开发了 Mark 1 和 Mark 2 两个原型机,并进行了严格的测试,以满足 IECx Zone 1等标准。NREC 声称机器人能够执行与人类相同的检查和报告任务,机器人设计符合 NACE MRO175/ ISO 15156 标准,以及石油天然气行业硫化氢环境材料标准,此外,该机器人还符合 ANSI 工业车辆标准等。
Sensabot 的开发比 NASA 发送的火星车更为复杂,该机器人更多的被定位为执行那些人类无法执行的活动,而并非代替人工那么简单。机器人使用电池动力,使用专用4G 网络和控制中心通信,可以连接数千种设备,包括工业智能手机,平板电脑,人员和材料状态跟踪监测设备,确保了机器人和工业物联网的完美结合。操作员能够最终靠高清视频监控机器人的任务进度,并借助各种传感器收集温度、噪音、振动以及危险气体数据。机器人能轻松地穿越不平整的路面,甚至使用轨道攀爬垂直表面,充电4小时,行驶3公里,持续工作6个月无需维护。
道达尔的 Argos 油气现场巡检机器人竞赛诞生了很多出色的作品,其中有不少都被“请上”海上平台、石化炼厂实地“登台献艺”。也许即便没有那次油田的泄漏事故,人们也会找到其他引入机器人的理由。但是很庆幸,人们不约而同地将目光聚集在了“机器人”身上。第一代产品总不会太完美,步履蹒跚,外观甚至还有点丑,功能也不那么实用。但值得欢呼的是他们已迈出了第一步,如特斯拉、丰田,未来油气领域的无人工厂也同样近在眼前。