海上平臺設備故障智能預警系統開發技術路線研究

李明，朱澤錦，于成龍，楊森

(中海油能源發展股份有限公司湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

海上平臺作為油氣水生產的重要裝置，遠離陸地，具有高投資、高風險、高回報等特點，一般配有生產系統、發電系統、應急系統、消防系統等，設備包括分離器、加熱器、柴油機、發電機、海水提升泵、注水泵、外輸泵、電機等，數量眾多。為了解、掌握設備在運行過程中的狀態、綜合評價預測其故障出現趨勢、做到盡早發現盡早決策，需要采取各種手段對其進行監控。

1 系統架構

對海上平臺作業環境、設備操維人員作業特點等進行分析，具有以下特性：(1)平臺操維人員工作環境多為高溫、高濕、高噪，甚至易爆的現場，不利于人員的安全和健康；(2)設備種類多、分布廣，人工巡檢任務重，無法做到全面掌握所有設備狀態；(3)專用檢測設備不便于攜帶和使用。

為解決以上問題，采用噪聲監測、紅外熱成像、圖像識別等非接觸手段進行表征機械設備狀態的自動處理、分析，整體技術方案為：(1)采用傳感器和控制柜與人機交互界面(顯示屏)分離、信號電纜或網絡進行遠距離數據傳輸的分離式布置方案；(2)采用人工智能技術實現高度自動化，采用數據挖掘和機器學習等技術提取噪聲、熱紅外、圖像三種參數的特征，應用數據庫技術開展比對分析，并結合過程控制技術等實現系統的自動分析和預警功能；(3)系統應具備基于互聯網通訊的數據交互功能。

2 總體性能技術方案

為使用較少的傳感器數量實現監測設備臺數不少于4 臺的目標，系統應采用云臺掃描、自動變焦、重復對準等技術；為了具備擴展能力，使用模塊化技術或軟件系統應具備控制多模塊/子系統的功能。

為實現預警準確率大于80%，系統應裝備故障模式特征數據庫并動態更新，技術人員可事先針對所需監測的設備進行常見故障、頻域特征的分析并輸入數據庫中供程序調用。

為提高時效性，實現時效值＜2 h 的目的，系統設置噪聲、熱紅外和圖像三項參數處理后數據的有序存儲，數據庫也應考慮調用速度。同時，系統應不斷對數據進行統計，形成基于統計方法的閾值，并對數據進行平滑處理，既能在故障、異常出現時及時發出警報，又能對臨時干擾進行排除。

3 性能指標實現技術方案

3.1 硬件指標

為滿足海上平臺的使用要求，預警系統硬件指標如表1 所示。聲傳感有關性能指標：一是實現60～110 dB幅值范圍的測量，在光纖聲傳感方面，光信號數模轉換等硬件應選用動態范圍較大的元器件；在MEMS聲傳感方面，科研或工業型SDK 套件能較好滿足該測量范圍需求，而消費型SDK 套件從技術指標說明書來看可能存在過載問題(傳感器處噪聲應低于90 dB)。除價格優勢外，后者在消除混響方面較為成熟，尤其是在人聲量級低于環境噪聲25 dB 情況下仍能被有效識別，性能卓越。二是實現50～8 000 Hz所含頻帶的測量頻率范圍，在光纖聲傳感方面，應對傳感器結構動態特性進行分析，使該頻率范圍內無過多的共振峰，降低補償算法運算資源需求；在MEMS聲傳感方面，科研或工業型SDK 套件基本滿足要求，而消費型SDK 套件從技術指標說明書來看可能存在50～100 Hz 頻響下降較快的現象，需要開展靈敏度頻域修正，增大算法運算資源需求。

表1 預警系統硬件指標

3.2 軟件技術要求

通過分析現有軟件平臺和加強與現場技術人員交流，進行優化調整以滿足友好的人機交互要求。在軟件架構設計中采用微服務技術架構，對服務進行拆分，通過Web 界面等前端、HTTP(S)通訊協議、UTF-8 編碼等方式實現分布式操作和異處協同的需求。通過軟件接口測試、邏輯測試和壓力測試等滿足穩定性要求。

3.3 系統的環境適應性

光纖聲傳感器適應溫度-10～80 ℃、相對濕度＜95%的工作環境，其感受器及信號傳輸均采用光纖制作，光纖為石英玻璃或特殊塑料高溫拉制而成，且無需通電，天然具有適應高溫、高濕的能力[1]?？紤]到設備部署在機艙等區域，MEMS 傳感器應用的主要目標是降低系統成本、提供靈活部署方案、降低環境適應性要求。其中，科研、工業型MEMS 傳感器技術指標顯示工作溫度為-40～85 ℃，消費型MEMS尚未有明確技術指標數據。其他設備環境溫度為-10～50 ℃，在采取風冷措施的情況下，應能滿足要求。

4 數據處理流程方案

4.1 聲學數據處理流程方案

對兩個子系統的聲學數據處理流程，原始時域信號獲取部分有所差異：光纖聲傳感子系統主要是通過光纖傳感器進行數據采集、光路模塊進行調制解調、電路模塊進行光電轉換，以獲取原始時域信號；MEMS 聲傳感子系統主要是通過MEMS 聲傳感器進行數據采集、內置芯片進行初步的信號分析處理[2]，包括模數轉換、聲聚焦波束成形、信號消噪等(為更具靈活性，考慮通過二次開發接口進行算法注入)。此外，兩個子系統的其他處理流程基本一致，依次為：信號處理→工況負載識別(為選取對應的檢測閾值)→聲紋數據庫生成和調用(主要用于生成檢測閾值、預置和更新故障特征、自動識別工況等)→趨勢性分析→故障分析診斷→聲學、熱紅外成像、圖像識別融合分析→云平臺(主要通過專家協助分析疑難情況)，其間將設置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環節。

4.2 熱紅外成像數據處理流程方案

熱紅外成像數據獲取主要通過SDK 套件，套件內完成熱紅外成像數據的初步處理，輸出溫度云圖和視頻，相關數據處理流程為：紅外亮點提取→工況負載識別→熱紅外數據庫→趨勢性分析等。如同聲學數據處理，一方面通過數據庫技術和統計算法實現工況識別、閾值生成等；另一方面設置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環節。

4.3 圖像識別數據處理流程方案

圖像識別數據獲取主要通過SDK 套件，套件結合配套軟件，將具有移動偵測、特征識別等功能，同時輸出較高清晰度的圖像和視頻。為簡化二次接口開發，將主要針對輸出的圖像進行數據處理(視頻可存入數據庫調閱)。相關數據處理流程為：獲取特征點用于對準定位和調焦→圖像特征提取→圖像識別數據庫→趨勢性分析等。由于圖像基本不隨工況載荷變化，無需設置工況載荷識別流程，但要設置干擾排除、工況改變、提示人工巡檢等判斷環節。

4.4 數據融合處理框架方案

三種異構數據均為設備故障某方面的表征，利用信息融合技術綜合處理其分析結果，有利于提高預警的準確性和改善時效性，本研究采用決策層的融合方法。

對設備的故障進行分類，并歸納其故障特征，為進行決策層的信息融合提供邏輯基礎：

(1)運動部件故障

該類故障是摩擦增大甚至剮蹭、撞擊以及彎曲、磨損破損等現象，將引發噪聲增大、負載增大(即溫度上升)，利用聲學和熱紅外數據分析，因兩者具有較大的關聯性，可利用該特點進行相互檢驗，提高判斷準確性。但運動部件一般被機體包圍在內，難以用圖像識別。少數情況為設備安裝不良或受到劇烈激勵導致的設備整體晃動，即剛體運動，所產生的噪聲可能低于聲傳感器測量范圍即測得的噪聲變化程度不明顯，且熱紅外需較長時間才變化顯著，若此時圖像識別到明顯變化，應及時預警、報警，提示人工巡檢。

(2)機體等靜止部件故障

該類故障一般是漏液、裂紋。一般來說，故障初期的聲學、熱紅外數據變化不大，一旦出現圖像明顯變化，在排除干擾后，應及時預警、報警，提示人工巡檢。裂紋擴展到一定程度，此時如同松動情況，意味著運動部件的支撐邊界發生變化，產生的噪聲將有較大變化。

5 預警系統硬件組成

(1)聲傳感系統

①光纖聲傳感子系統用于采集區域環境內設備的空氣噪聲，能適應高溫、高濕、高鹽、易爆等環境要求。同時研究光纖復用技術在多臺設備監測方面的應用，以降低光源貴重元器件的采購成本。

②MEMS 聲傳感子系統主要由MEMS 聲傳感器SDK 套件、供電模塊、信號傳輸模塊組成，用于采集區域環境內設備的空氣噪聲。

(2)熱紅外成像傳感系統

熱紅外成像傳感系統主要由熱紅外成像傳感器SDK 套件以及供電模塊組成，用于采集區域環境內設備的機體表面溫度。

(3)圖像傳感系統

圖像傳感系統主要由圖像傳感器SDK 套件以及供電模塊組成，用于采集區域環境內設備的外表圖像。

(4)傳感器搭載裝置

傳感器搭載裝置主要有云臺、移動滑軌以及供電模塊組成，用于搭載熱紅外成像傳感裝置、圖像傳感裝置以及MEMS 聲傳感器SDK 套件。通過云臺的定期、定點旋轉運動聯合移動滑軌的定期、定點的往復移動，滿足對多臺設備監測的要求，并較好地克服“視線”死角。

(5)系統控制柜

系統控制柜主要由系統數據存儲和計算服務器、機柜柜體、高速路由器等組成，并為光纖聲傳感子系統的光路、電路提供安裝空間。

(6)可視化和人機交互裝置

可視化和人機交互裝置主要是大尺寸液晶觸摸屏，用于數據的顯示及技術人員的操作控制。

6 預警系統軟件組成

(1)聲紋數據分析子系統

聲紋數據分析子系統主要由光纖聲傳感子系統驅動控制模塊、MEMS 聲傳感子系統驅動控制模塊、聲聚焦波束形成算法模塊、設備噪聲信號處理及特征參數提取模塊、設備聲紋數據庫模塊、設備聲學故障診斷模塊、設備聲學趨勢性分析模塊等組成，主要實現聲學子系統相關硬件的控制，并克服區域混響的影響，實現區域內異常噪聲的定位和故障初步識別，以及根據故障發展情況及時預警。

(2)熱紅外成像數據分析子系統

熱紅外成像數據分析子系統主要由熱紅外成像傳感器SDK 套件控制和通訊模塊、設備紅外亮點提取模塊、設備紅外趨勢性分析模塊等組成，主要實現熱紅外成像裝置硬件的控制，并克服人員短時遮掩，提取設備表面紅外特征，以及根據故障發展情況及時預警。

(3)圖像數據分析子系統

圖像數據分析子系統主要由圖像成像傳感器SDK 套件控制和通訊模塊、圖像定位特征提取和重復對準模塊、設備表面圖像特征提取模塊、設備表面圖像變化趨勢性分析模塊等組成，主要實現圖像成像裝置硬件的控制，并克服人員短時遮掩，提取設備表面圖像特征，以及根據故障發展情況及時預警。

(4)傳感器運動控制子系統

傳感器運動控制子系統分別設置云臺旋轉掃描和定位控制模塊、滑軌移動和定位控制模塊、熱紅外成像和圖像識別傳感器的鏡頭變焦控制模塊等，主要實現MEMS 聲學傳感、熱紅外成像和圖像識別等對準、切換等需求。

7 結語

在海上平臺運行和維護中，現代監測預警和故障排查技術的應用對提升平臺的安全管理水平至關重要。而噪聲監測、紅外熱成像、圖像識別等技術可以通過實時數據采集、分析和預判，提前發現平臺的潛在問題，并提醒維保人員及時采取措施進行維修，從而提高了故障排查的效率和精準度。隨著數智技術的不斷發展和創新，相信平臺將能夠應對運行維護中的挑戰，實現可持續發展。