雷 珂,陳義保

(煙臺大學 機電汽車工程學院,山東 煙臺 264005)

在人類航空事業(yè)的發(fā)展史上,無人機已成為載人飛行器的一個重要分支。從1903年萊特兄弟創(chuàng)造的原始雙翼飛機滑跑起飛成功開始,再到現(xiàn)在無人機產(chǎn)業(yè)強勢崛起,無人機已經(jīng)歷了一個多世紀的洗禮。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)政策法規(guī)的陸續(xù)出臺,經(jīng)過無數(shù)先輩不斷探索和實踐,迄今無人機不僅僅局限于軍事領(lǐng)域,也在遙感航拍、通信中繼、森林防火、環(huán)境監(jiān)測和快遞服務(wù)等諸多民用領(lǐng)域中得到了不同程度的應(yīng)用[1-5]。國家工業(yè)發(fā)展離不開眾多產(chǎn)業(yè)的支持,而石油石化產(chǎn)業(yè)占有舉足輕重的地位。一方面石油、天然氣等能源為工業(yè)發(fā)展提供不竭的動力,另一方面大部分其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都與石油石化產(chǎn)品密切相關(guān)。筆者分析無人機在中國石油石化領(lǐng)域中的應(yīng)用前景及其發(fā)展趨勢，以期為石油石化領(lǐng)域的發(fā)展保駕護航,從而為國家能源新的發(fā)展發(fā)揮重要作用。

1 無人機的發(fā)展及現(xiàn)狀

無人機即無人駕駛飛機(Unmanned Aerial Vehicle,簡稱UAV),是一種以無線電遙控(半自助控制方式)或由自身程序控制為主(全自主控制方式)的無人(不搭載駕駛員)飛行器。在萊特兄弟完成了原始雙翼飛機試飛的十多年后的1917年,皮特庫柏(Peter Cooper)和埃爾默A斯佩里(Elmer A. Sperry)發(fā)明了世界上第一臺自動陀螺穩(wěn)定器,這種裝置解決了飛行器的飛行平衡問題,美國海軍將該項技術(shù)應(yīng)用于寇蒂斯N-9型教練機上,成功改造出世界上首架由無線電控制的不載人飛行器,從而揭開了無人飛行器的發(fā)展新篇章[6]。1935年英國皇家空軍設(shè)計了一款名為蜂王號的無人機,通過技術(shù)改進使得無人機能夠回到起飛點,便于回收無人機并重復使用,自此無人機的應(yīng)用真正進入實用化階段。二戰(zhàn)期間,由于戰(zhàn)爭需要,1944年德國工程師設(shè)計了一款可攜帶炸藥的高速不載人飛行器即著名的V1有翼飛彈,使得無人機的應(yīng)用邁入了一個嶄新的階段。二戰(zhàn)之后,各個國家開始意識到無人機具有誘人的應(yīng)用前景,無人機的研究和應(yīng)用逐漸在工業(yè)發(fā)達國家得到不同程度的發(fā)展。尤其是美國在當時擁有雄厚的經(jīng)濟和工業(yè)基礎(chǔ),而且獲得了德國的部分先進技術(shù),再加上極具前瞻性的無人機發(fā)展規(guī)劃,先后研發(fā)了用于各種軍事用途的無人機型,如火蜂原型機XQ-2、黑鳥系列、MQ捕食者、RQ-7B幻影、全球鷹和RQ-170哨兵號等,使得無人機在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用被美國人推向了極致,其眾多型號軍用無人機已成為當時的應(yīng)用典范,為美國軍事發(fā)展注入一股強心劑,這可謂無人機在軍事領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的最好佐證[7]。

但是無人機是一個大家族,按不同的使用領(lǐng)域來劃分,無人機則可分為軍用級、工業(yè)級和消費級三大類,總體來說軍用級性能要求最高,工業(yè)級次之,消費級最低。雖然無人機最大的市場需求主要還是來自于軍事領(lǐng)域,但近幾年來民用無人機迅速發(fā)展,其成績斐然,并開始與其他行業(yè)緊密融合。以發(fā)展迅速的快遞行業(yè)為例,國外快遞巨頭美國亞馬遜公司已率先開始探索并嘗試將無人機應(yīng)用在物流領(lǐng)域,該公司有一項名為Prime Air的無人機項目,其目的是測試無人機能夠在較短的時間配送顧客在亞馬遜網(wǎng)站上網(wǎng)購的商品,希望可以在競爭日益激烈的快遞行業(yè)占得先機,且于2013年12月發(fā)布了試驗視頻,引起了廣泛的關(guān)注。國內(nèi)最大的快遞公司之一的順豐速運公司也緊跟快遞無人機應(yīng)用的潮流,自主研發(fā)了一款能夠低空飛行自動送貨的無人機,其特點是飛行高度約為100 m,位置誤差能控制在2 m以內(nèi),希望通過無人機解決偏遠地區(qū)的配送問題,提高快遞效率,節(jié)約成本[7]。隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的不斷提高,無人機在民用領(lǐng)域中的需求必將會呈現(xiàn)出一種快速增長的勢頭。來自美國Teal集團統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[8]:2014年全球無人機市場規(guī)模已經(jīng)達到64億美元,預(yù)計到2023年將增長至115億美元,其中民用無人機市場份額將會逐步擴大,約占2023年市場總額的14%左右。

雖然目前無人機在民用領(lǐng)域不同行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展參差不齊,但業(yè)已證明無人機具有不可估量的商業(yè)價值和應(yīng)用潛力,這必將引發(fā)各民用行業(yè)對無人機應(yīng)用研究的極大熱情。

2 無人機應(yīng)用分析

隨著中國經(jīng)濟的快速穩(wěn)健增長,國家對石油能源和石油石化產(chǎn)品的需求日益增加。與此同時作為輸送工業(yè)能源的油氣管道在中國已形成覆蓋全國東西南北,聯(lián)通多個海外國家的管網(wǎng)格局。根據(jù)中國國家統(tǒng)計局官方網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)顯示[9]:時至2015年,中國管道輸油(氣)里程已達到了10.87×104km,是地球赤道周長的2.7倍多。中哈原油管道和中俄原油管道,至今已累計向國內(nèi)輸送原油數(shù)千萬噸[10-11]。無人機可以憑借其優(yōu)越性能配合當下先進的遙感、圖像處理、通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),便于石油石化領(lǐng)域的應(yīng)用推廣[12-14]。

現(xiàn)代民用領(lǐng)域無人飛行器按照技術(shù)來劃分主要有固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機、無人飛艇、無人傘翼機、撲翼式無人機六大類[8]。而前三類可以較好地應(yīng)用于石油石化領(lǐng)域,其中固定翼無人機是目前的主流產(chǎn)品,其最大優(yōu)勢是飛行速度快;無人直升機則靈活性最強,可以原地垂直起降和空中懸停;多旋翼無人機的特點介于固定翼無人機和無人直升機之間,操作簡單、成本較低。因此,無人機應(yīng)用于石油石化行業(yè)之中(如油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢、油氣管道沿線地貌勘察、突發(fā)事故應(yīng)急巡查等方面),與常規(guī)工程應(yīng)用相比,具有不可比擬的優(yōu)勢。

2.1 油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢

油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢是指相關(guān)的安全管理部門定期巡視和檢查其管轄范圍內(nèi)的油氣輸送管道和石化產(chǎn)區(qū)內(nèi)的作業(yè)設(shè)備、儲油設(shè)施等,巡檢的內(nèi)容大致包括油氣管道和石油產(chǎn)區(qū)附屬設(shè)備損壞或腐蝕情況,以及統(tǒng)計清查管道與設(shè)備的使用年限是否超期,以保證油氣輸送的安全,防止事故的發(fā)生。石油石化行業(yè)所涉及的原料和產(chǎn)品大多是高溫高壓、易燃易爆有毒的危險品,規(guī)模龐大,設(shè)備復雜,極有可能微小的事故就會造成重大影響,甚至是災(zāi)難性的。

傳統(tǒng)的油氣管道巡檢工作一直主要采用人工巡檢的工作方式,又稱為一表制。即在油氣管道沿線設(shè)置巡檢點,巡檢人員每到一個巡檢點就記錄該點的巡檢結(jié)果,最后巡檢人員返回管道管理處將所有的巡檢結(jié)果匯總統(tǒng)計。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,目前已經(jīng)利用管道泄露檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測輸油管道是否泄露等情況,從而在一定程度上減輕了巡檢人員工作負擔,提高了其工作效率。但這種監(jiān)測手段只能在事故發(fā)生后才能察覺,就如何防范于未然,仍然需要派出巡檢人員實地巡查。這種人工巡檢工作方式極大地受限于管道距離長、范圍廣、環(huán)境復雜等因素影響。無人機憑借其跨越地形、超遠距離、快速到達的能力,必將成為未來油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢高效手段之一[15]。

無人機油氣管道巡檢方式大致可分為兩階段。第一階段是實時巡檢,巡檢人員通過地面站或監(jiān)控中心給無人機發(fā)送命令控制無人機飛行作業(yè),飛行路徑沿著待巡檢的管道,在飛行的過程操縱無人機自身搭載的專業(yè)航拍設(shè)備(高清攝像機、紅外熱像儀等),拍攝獲得真實的油氣管道影像資料,并回傳到地面站或監(jiān)控中心,同時巡檢人員就可以實時觀察到管道的真實情況。在這一階段可以快速及時地發(fā)現(xiàn)管道安全隱患。第二階段就是將巡檢結(jié)果進行后置處理,即將第一階段中所獲得的管道影像資料使用專業(yè)圖像處理軟件,繪制出整套的油氣管線無人機航測圖,以便后期的統(tǒng)計和分析。長慶油田于2016年7月至8月采用固定翼無人機、多旋翼無人機等多款機型進行多次無人機石油管路巡線試驗,探索無人機在管線巡查中的適應(yīng)性。結(jié)果表明[16],通過無人機進行管線巡查能大大緩解員工山區(qū)巡護工作量,減少事故發(fā)生的概率和人員損傷的風險。同時采用無人機巡檢改善了在崎嶇地區(qū)傳統(tǒng)依靠目測或望遠鏡徒步巡護的情況,解決了巡檢人員無法靠近的管道泄漏區(qū)域的巡檢難題。對油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)開展無人化巡檢工作,加入到安全管理的系統(tǒng)之中,更有利于提高巡線效率,減輕人員工作量,維護管道和產(chǎn)區(qū)的安全運行。

2.2 油氣管道沿線地貌勘察

油氣管道沿線地貌勘察是指在管線鋪設(shè)之前和管線維護之時,通過勘察沿線各地段的地質(zhì)地貌特征,分析出不良地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性、發(fā)生原因和擴散范圍等問題,并就如何防治或整治不良地質(zhì)現(xiàn)象提出必要的建議措施,也可以判定沿線環(huán)境水土對管道建筑材料的腐蝕危害程度。

傳統(tǒng)的地貌勘察方法主要采用人工方式,需要勘察人員進行實地考察,采集當?shù)氐牡刭|(zhì)樣本、水質(zhì)樣本等資料,這種勘察方法不僅工作量大而且條件艱苦,特別是對山區(qū)、河流、沼澤以及無人區(qū)等地的油氣管道的地貌勘察,或是在冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡、夜晚期間地貌勘察,費時費力,而且有一些復雜地質(zhì)環(huán)境的勘察項目(如地下物探、化探等)依靠常規(guī)方法還難以完成。另外,由于管道沿線自然環(huán)境(主要指管道沿線地貌)和社會環(huán)境(主要指管道途經(jīng)的城市和鄉(xiāng)村)時過境遷,有可能隨著管道沿線人類經(jīng)濟活動持續(xù)活躍,所穿越的人類定居點周圍的人口密度增大,道路、建筑物增多,綠化帶覆蓋率增加,管道檢查工作變得越來越困難,導致部分管道腐蝕老化加重卻無法得到及時的勘察和維護。

隨著國內(nèi)長輸油氣管道建設(shè)規(guī)模范圍的不斷增加,管道施工技術(shù)及裝備更加先進。但是由于油氣管道鋪設(shè)可能位于復雜特殊地形地貌,必然會對施工質(zhì)量和效率帶來一系列的影響[17-18]。采用現(xiàn)代化無人機技術(shù),通過地面站或遙控器操控無人機對管道沿線地貌進行巡航飛行,利用航拍設(shè)備可以輕松實現(xiàn)遠程空間信息、地貌信息和地理信息的回傳,另外，無人機又可以搭載物質(zhì)采集裝置(如機械臂,液體收集器等)將所需的勘察資料迅速帶回,能有效降低工作強度,極大提高地貌勘察工作效率。

2.3 突發(fā)事故應(yīng)急巡查

突發(fā)事故應(yīng)急巡查是指在面對油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)發(fā)生事故、災(zāi)害等突發(fā)事故時,安全管理部門能夠借助巡查手段在第一時間了解到現(xiàn)場情況,根據(jù)應(yīng)急預(yù)案做出相應(yīng)的應(yīng)急措施,盡可能地減輕事故影響和降低災(zāi)害損失。輸油管線的泄露極大地威脅著群眾的生命和財產(chǎn)安全,2014年6月30日晚7時許,位于遼寧省大連市金州新區(qū)的中石油新大一線輸油管線發(fā)生爆裂,原油溢出流入市政污水管網(wǎng)導致爆炸起火,濃重的汽油味彌漫在遼寧大連金州開發(fā)區(qū)空中,輸油管中的石油從地下水管線返到地面,并引發(fā)重大火災(zāi)[19]。同樣輸油管道的另一個安全影響因素就是盜油事故,看似只是在油管打一個小孔,卻對國家財產(chǎn)和管道安全造成極其嚴重的威脅。首先是破壞了管道的防腐層,這必將加快管道的腐蝕速度,降低管道使用壽命。其次盜油事故極可能引起輸油管道阻塞,更為嚴重的是引發(fā)起火爆炸,導致國家能源動脈被破壞,煉油廠無油可用,設(shè)備停產(chǎn),其損失不可估量[20]。

對于輸油管道漏油、起火爆炸等突發(fā)事故目前主要依靠油氣管道或石化產(chǎn)區(qū)的安全管理部門巡查監(jiān)控管理,并依靠當?shù)叵拦膊块T的緊急救援,兩者缺一不可,而且這些部門單位對于輸油管道漏油、起火爆炸等事故處理早已形成比較完備的應(yīng)急預(yù)案,有些學者也進行了相關(guān)的對策分析[21-23]。一般情況下,起火爆炸類事故往往伴隨著明火、煙云和爆音現(xiàn)象,比較明顯且易于察覺,但輸油管道的漏油事故應(yīng)急巡查則會受限于多種因素(黑夜、大霧等)影響。因此,如何快速預(yù)警對于降低事故損失至關(guān)重要。

應(yīng)急消防所面對的石油化工各類災(zāi)害事故現(xiàn)場往往瞬息萬變。發(fā)生突發(fā)事故的時候,無人機可以快速巡查發(fā)生事故的可疑地段,并通過無人機搭載的航拍設(shè)備實時傳回現(xiàn)場的影像資料,應(yīng)急巡查部門能夠迅速準確地做出相應(yīng)的事故處理措施。在災(zāi)害事故的處置過程中,同樣可以利用無人機進行實時監(jiān)視追蹤災(zāi)情,為各級應(yīng)急救援指揮部及時提供災(zāi)情信息,也可以作為指揮部與救援小組之間的通信中繼,方便現(xiàn)場支援調(diào)度,從而最大限度地減少災(zāi)害事故損失。另外無人機可針對管道偷油情況進行應(yīng)急巡查,管道盜油事故發(fā)生地點隨機性強,一般集中在人煙稀少處,無人機靈活機動,可使用多架無人機協(xié)同巡查[24],快速搜尋事故位置,進行應(yīng)急處理,保障油氣管道運營安全。

3 結(jié)束語

雖然目前無人機在石油石化領(lǐng)域的應(yīng)用還存在一些問題制約,譬如民用無人機管理的政策法規(guī)和行業(yè)標準還需要政府的不斷完善;還有，如果要應(yīng)用到石油石化領(lǐng)域,不能僅僅是簡單的移植,而是需要結(jié)合石油石化領(lǐng)域特色,研發(fā)定制專用的無人機應(yīng)用產(chǎn)品和其相關(guān)的輔助設(shè)備。當然好的無人機理念、技術(shù)和設(shè)備也需要積極在石油石化領(lǐng)域大范圍推廣,這樣才能降低成本,促進無人機在石油石化領(lǐng)域的發(fā)展,也助力石油石化產(chǎn)業(yè)的革新。隨著相關(guān)法律法規(guī)的陸續(xù)出臺,在現(xiàn)代科學技術(shù)的強力支持下,無人機以其出色的性能,在石油石化領(lǐng)域中必將占有一席之地?！盁o人機+石油石化”的應(yīng)用發(fā)展模式不僅會促進石油石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也將會反作用于無人機產(chǎn)業(yè),共同進步。未來的無人機在石油石化領(lǐng)域絕不會僅僅局限于管道巡檢、地貌勘察、應(yīng)急巡查這幾個方面,隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術(shù)的發(fā)展,無人機在石油石化領(lǐng)域中的應(yīng)用前景必將得到充分體現(xiàn)。

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