康煜姝，武 斌

（1. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 102200； 2. 中國石油規(guī)劃總院， 北京 100083）

無人機(jī)在油氣長輸管道中的應(yīng)用

康煜姝1，武 斌2

（1. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 102200； 2. 中國石油規(guī)劃總院， 北京 100083）

長輸油氣管道分布廣，沿線地形和天氣條件復(fù)雜，管道安全的保障問題一直困擾著管道管理人員。隨著我國油氣管道的不斷建設(shè)，若能將無人機(jī)廣泛的應(yīng)用于油氣管道中，則能夠有效分擔(dān)工作人員的工作量，提升工作效率。介紹了無人機(jī)的系統(tǒng)組成、特點(diǎn)、常用類型、各類型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合、作業(yè)流程等方面，論述了當(dāng)前無人機(jī)在管道全生命周期各階段的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了無人機(jī)應(yīng)用存在的技術(shù)問題，展望了無人機(jī)的發(fā)展前景。

無人機(jī)；油氣管道；應(yīng)用；安全

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來越大，石油、天然氣長輸管道也逐漸增多。截至2013年，我國已建成油氣管道總里程 10.6×104km，到2015 年，國內(nèi)油氣管道總長度預(yù)計(jì)將達(dá)到15×104km左右。作為國家的能源動(dòng)脈，油氣管道的安全性顯得尤為重要。

無人機(jī)作為一項(xiàng)融合多個(gè)專業(yè)的高新技術(shù)，具有體積小、機(jī)動(dòng)靈活、低成本、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，可快速獲取地貌的空間遙感信息，可以應(yīng)用于管道巡檢、地貌勘察、優(yōu)化選線、管道泄漏點(diǎn)定位、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面，為油氣管道的安全保駕護(hù)航。

1 無人機(jī)系統(tǒng)概述

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)組成

無人機(jī)系統(tǒng)由飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。其中，飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)包括動(dòng)力系統(tǒng)、遙感傳感器、信號(hào)處理、GPS接收、控制系統(tǒng)；地面控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航、無線電控制；信息采集系統(tǒng)包括云臺(tái)、相機(jī)、傳感器、無線電控制。[1]

圖1 無人機(jī)的系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of UAV system

1.2 無人機(jī)類型及適用場(chǎng)合

目前管道線路所使用的無人機(jī)主要有定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)，各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合如表1所示[2,3]，可以根據(jù)管道作業(yè)的需要選擇合適的無人機(jī)類型。

通過調(diào)研目前管道領(lǐng)域常用的無人機(jī)類型，例如中國的大疆創(chuàng)新、美國的 3DRobotics、法國的Parrot等公司生產(chǎn)的無人機(jī)，最大飛行海拔高度約3 000～4 500 m，最大水平飛行速度在20～40 m/s間，工作環(huán)境溫度為-20～50 ℃，最大可承受風(fēng)力大部分為5級(jí)，在飛行時(shí)間方面，多旋翼無人機(jī)飛行時(shí)間較短，約為 20～30 min，無人直升機(jī)和固定翼無人機(jī)飛行時(shí)間可達(dá)2～4 h；發(fā)射/回收方式采取彈射/滑跑起飛，開傘/滑跑降落；控制方式可實(shí)現(xiàn)自主程控+手動(dòng)遙控，程控與遙控在飛行中即時(shí)切換。

表1 各類型無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合Table 1 Advantages and disadvantages and suitable application scope of different types of UAV

1.3 無人機(jī)系統(tǒng)管道作業(yè)流程

無人機(jī)應(yīng)用于管道作業(yè)方面具有速度快、效率高、信息反饋及時(shí)等特點(diǎn)，一般工作流程如下[4]：

1）適航查勘。首先確定飛行范圍，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，獲取飛行航點(diǎn)GPS、海拔，尋找合適的起降場(chǎng)地。判斷作業(yè)當(dāng)天的天氣條件，包括光照、能見度、風(fēng)速。

2）飛行路線設(shè)計(jì)?？梢圆捎脤I(yè)的航線設(shè)計(jì)軟件為飛機(jī)規(guī)劃航線和作業(yè)高度,并預(yù)存在飛行控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)查閱地形圖。

3）起飛準(zhǔn)備，起飛前對(duì)各設(shè)備作基本程序檢查，確保設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)正常無誤。

4）正式飛行作業(yè)。無人機(jī)通過滑跑或彈射方式起飛，飛行過程中執(zhí)行自動(dòng)航拍任務(wù)，地面控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握飛機(jī)的姿態(tài)、方位、空速、位置等重要狀態(tài)參數(shù)，保證飛機(jī)平穩(wěn)沿預(yù)定航線飛行，地面控制站接受并實(shí)時(shí)顯示遙感圖像。

5)無人機(jī)降落回收。完成預(yù)定飛行任務(wù)后，地面控制人員對(duì)無人機(jī)進(jìn)行回收，可通過傘降或攔阻網(wǎng)降落。

6）圖像處理。采用無人機(jī)影像快速處理軟件PhotoScan或pix4D對(duì)圖像進(jìn)行處理，處理程序?yàn)椋鹤詣?dòng)創(chuàng)建航帶、空三轉(zhuǎn)點(diǎn)、空三解算、生成DEM、生成正射影像。

2 無人機(jī)在管道領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 無人機(jī)在管道建設(shè)各階段的應(yīng)用

無人機(jī)技術(shù)可以應(yīng)用在管道生產(chǎn)及運(yùn)行的各個(gè)階段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1.1 勘察設(shè)計(jì)階段

在勘察設(shè)計(jì)階段，可以用無人機(jī)進(jìn)行管道選線、評(píng)估應(yīng)用、BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集等。傳統(tǒng)的管道線路選擇采取手工在紙質(zhì)地圖作業(yè)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘的方式，這種方式不僅浪費(fèi)人力物力，且數(shù)據(jù)來源單一、時(shí)效性差、數(shù)據(jù)處理工作量大，已不能適應(yīng)當(dāng)前快速建設(shè)管道的需要[5]。

在選線過程中使用無人機(jī)，可以全面快速地了解地區(qū)的地形地貌、植被、水文等信息，從而為管道選線提供依據(jù)。無人機(jī)可以搭載高分辨率航拍相機(jī)，對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪級(jí)拍攝，在飛機(jī)降落后進(jìn)行快速或精細(xì)拼圖，及時(shí)提供區(qū)域的地面、空間數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息，[6]為油氣管道可行性研究階段的線路選擇提供指導(dǎo)。

2.1.2 管道施工建設(shè)階段

在施工前期階段，利用無人機(jī)了解施工現(xiàn)場(chǎng)的地形、道路、周圍環(huán)境等情況，便于施工人員及設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，盡快開展施工；在施工進(jìn)行階段，可以利用無人機(jī)拍攝現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度、物料使用情況、機(jī)具布置情況、管道走向等，及時(shí)調(diào)整人員和設(shè)備，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。

2.1.3 管道運(yùn)行階段

在管道運(yùn)行階段，無人機(jī)可用于管道線路的巡檢。傳統(tǒng)的管道巡檢方法依靠人力和地面車輛進(jìn)行巡檢，工作量大、效率較低、人力成本高，難以滿足正常巡線的需要,將無人機(jī)用于管道巡線，可以高效地完成大范圍的常規(guī)巡檢。[7]無人機(jī)可搭載可見光和紅外雙光吊艙，具有晝夜監(jiān)控能力，可對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行長航時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可在指定目標(biāo)上空做定點(diǎn)盤旋監(jiān)測(cè)。在搭載了視頻追蹤模塊后，可以鎖定地面指定目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定凝視，探查細(xì)節(jié)，從而發(fā)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)管線被破壞和盜取的明顯跡象。

在管道應(yīng)急維搶修作業(yè)中，通過無人機(jī)拍攝的遙感影像，對(duì)發(fā)生破壞管段的位置、破壞程度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，了解事故的具體情況，制定維搶修方案，將災(zāi)害的影響降到最低。

2.2 無人機(jī)在國內(nèi)外管道的應(yīng)用實(shí)例

在國外，無人機(jī)遙感技術(shù)在管道行業(yè)應(yīng)用已非常廣泛。在美國等無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)先的國家，用無人機(jī)巡護(hù)油氣管道已成為常態(tài)。例如，美國阿拉斯加管道和加拿大阿蘭斯管道定期使用無人機(jī)進(jìn)行巡護(hù)，防止第三方破壞、觀察地面活動(dòng)和泄漏檢測(cè)等；在災(zāi)害調(diào)查方面，美國利用無人機(jī)在北卡羅來納州進(jìn)行自然災(zāi)害調(diào)查，通過正射影像處理與分析準(zhǔn)確評(píng)估場(chǎng)房和村莊的損失，為災(zāi)害治理提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

近年來我國的無人機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，涌現(xiàn)出很多無人機(jī)品牌，其中大疆以其先進(jìn)的技術(shù)水平成為無人機(jī)行業(yè)的絕對(duì)龍頭。我國已漸漸將無人機(jī)應(yīng)用于油氣管道領(lǐng)域，如慶鐵線擴(kuò)能改造管道建設(shè)中，無人機(jī)幫助施工單位優(yōu)化選線、放線，選擇施工場(chǎng)道路等；在西氣東輸管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，通過無人機(jī)遙感圖像確定滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的位置、類型、規(guī)模等；[4]在管道巡檢方面，無人機(jī)已應(yīng)用于中石油新疆果子溝地段管道和黑龍江加格達(dá)奇管道[7]。

3 無人機(jī)應(yīng)用存在的技術(shù)問題

（1）無人機(jī)的起飛多采用滑跑或彈射方式，但油氣管道大多敷設(shè)在山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域，對(duì)于需要滑跑、滑降的較大型無人機(jī)來說，難以找到合適的起降地點(diǎn)。但若使用對(duì)起降場(chǎng)地要求小的小、輕型無人機(jī)，則飛行高度較低，易受風(fēng)速的影響，導(dǎo)致飛行不穩(wěn)。因此降低無人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地的要求以及提高飛機(jī)的抗風(fēng)性能時(shí)迫切需要解決的問題。

（2）為保證航拍影像的質(zhì)量需要使用高精度的傳感器，而高精度傳感器往往體積和重量大，無人機(jī)無法承受這么大的載荷，因此需要開發(fā)適合無人機(jī)搭載的小、輕型且精度高的傳感器。

（3）加快遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)。目前，由于遙感圖像的數(shù)據(jù)量大，使得圖像后期處理所用時(shí)間長。因此，應(yīng)加大力度研發(fā)用于大數(shù)據(jù)量、高分辨率影像快速拼接的專業(yè)軟件。

4 無人機(jī)的發(fā)展方向和前景

目前，無人機(jī)在管道行業(yè)中的應(yīng)用還較少，但是在電力行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛。隨著我國管道行業(yè)的發(fā)展，油氣管道總里程不斷增加，管道的安全問題越來越受到重視，因此十分有必要將無人機(jī)更廣泛地應(yīng)用于油氣管道中。

可以借鑒無人機(jī)在電力行業(yè)中的應(yīng)用，不斷改進(jìn)和發(fā)展無人機(jī)技術(shù)，使得無人機(jī)將來能更多的應(yīng)用于油氣管道領(lǐng)域。未來無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)將向大數(shù)據(jù)靠攏。在大數(shù)據(jù)背景下，各行業(yè)對(duì)大數(shù)據(jù)的需求越來越高，因而可以建立“數(shù)據(jù)融合應(yīng)用平臺(tái)”，為管線巡檢和管線服務(wù)搭建解決之道。將無人機(jī)巡檢過程中捕捉到的各類管線信息融入數(shù)據(jù)融合應(yīng)用平臺(tái)。利用無人機(jī)將巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳后，可通過遙感數(shù)據(jù)快速處理平臺(tái)，進(jìn)行影像快速拼接和數(shù)據(jù)融合，也可以將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)比對(duì)，對(duì)兩者差異作出分析以及后期數(shù)據(jù)深度挖掘。同時(shí)，平臺(tái)可依據(jù)預(yù)警模型生成隱患報(bào)告，為用戶的決策提供支持，極大提升線路隱患和故障預(yù)警效率。

［1］ 歐新偉,周利劍,馮慶善,李祎,李振宇.無人機(jī)遙感技術(shù)在長輸油氣管道管理中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011(15):77-78.

［2］竹林村,胡開全.幾種低空遙感系統(tǒng)對(duì)比分析[J].城市勘測(cè),2009(03):65-67.

［3］ 張侃.多旋翼無人機(jī)在輸電線路巡檢中的運(yùn)用及發(fā)展[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2013(16):72-73.

［4］ 高姣姣.高精度無人機(jī)遙感地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué),2010.

［5］ 余志光.遙感與GIS在油氣管道線路選擇中的應(yīng)用研究[D].北京：清華大學(xué),2011.

［6］ 錢尊巖.低空無人機(jī)遙感在油田測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[D].中國石油大學(xué)（華東）,2012.

［7］ 武海彬.無人機(jī)系統(tǒng)在油氣管道巡檢中的應(yīng)用研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2014(09):105-106.

Application of Unmanned Aerial Vehicle in Oil and Gas Pipeline Industry

KANG Yu-shu1，WU Bin2
（1. National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil & Gas Pipeline, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102200，China； 2. China Petroleum Planning and Engineering Institute, Beijing 100083，China）

The characteristics of long distance oil and gas pipelines include wide distribution, complicated terrain and weather conditions. Therefore the pipeline security problem has been bothering the manager. With the increasing construction of oil and gas pipelines in China, the workload of staff can be effectively shared and work efficiency can be effectively improved if unmanned aerial vehicle (UAV) is widely used in the oil and gas pipeline industry. In this paper, the system composition, characteristics, types, advantages and disadvantages and applicable situation of UAV were introduced; Current application of UAV at every stage of the whole life cycle of the pipeline was discussed, technical problems of UAV application were analyzed, and finally its future development trend was put forward.

Unmanned aerial vehicle; Oil and gas pipeline; Application; Security

TE 832

A

1671-0460（2015）08-2045-03

2015-06-14

康煜姝（1991-），女，天津人，在讀碩士，2013 年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事天然氣長輸管道工藝的研究工作。E-mail：1286776227@qq.com。