馬曉濤

中聯(lián)煤層氣有限責任公司 北京 100000

無人機是指無需機載手動控制（通過遙控或自主控制）的動力驅(qū)動和可重復使用的飛行器。無人機系統(tǒng)主要由無人機平臺、遙測、遙控和通信設備、任務載荷、信息處理設備和各種保障設備組成。無人機是航空技術與信息技術深度融合的產(chǎn)物。無人機行業(yè)之所以能夠成為一個相對獨立的行業(yè)并得到快速發(fā)展，核心因素是信息技術在航空行業(yè)的全面滲透。隨著信息技術的發(fā)展，信息傳輸網(wǎng)絡化、作業(yè)空間數(shù)字化、飛行平臺智能化將成為無人機系統(tǒng)技術發(fā)展的主要趨勢。無人機系統(tǒng)的應用不僅僅是在交通領域的范式，逐漸形成了“無人機+”的新型生產(chǎn)方式、服務業(yè)態(tài)和與無人機相關的作戰(zhàn)方式。本文探究了無人機油氣管道巡線系統(tǒng)的發(fā)展和應用策略，對于提升油氣管道的安全性有重要的價值。

1 無人機監(jiān)測技術原理

無人機遙感技術指的是無人機技術與遙感技術的有效融合，使用無人駕駛飛行器技術、遙測遙控技術、遙感傳感器技術、通訊技術以及遙感應用技術等，實現(xiàn)智能化、自動化以及專用化，從而快速的得到國土資源、地震災區(qū)、自然環(huán)境等相關空間遙感信息，同時對遙感數(shù)據(jù)進行處理、建模和分析的應用技術。因為無人機遙感系統(tǒng)具備了快速、機動和經(jīng)濟等優(yōu)勢，當前被廣泛的用于航空攝影測量中，同時也逐漸成為了油氣管道巡檢領域的常用技術手段。

無人機航測則是使用無人機系統(tǒng)攜帶航攝相機等相關設備，快速得到地表的信息，獲取高精度定位數(shù)據(jù)以及超高分辨率的數(shù)字影像，產(chǎn)生三維景觀模型、三位正射影像圖、DEM、三維可視化數(shù)據(jù)等，有助于在多種環(huán)境下實施應用系統(tǒng)的開發(fā)與應用。無人機巡檢則是依托無人機機動靈活以及適應能力強等特征，加之無人機系統(tǒng)可以搭載各種型號的傳感器，可以有效巡檢油氣管線，尤其是對人員無法達到的復雜地形區(qū)域，和地質(zhì)災害多發(fā)的區(qū)域，實施有效預警，避免多種不安全因素對于油氣管線所產(chǎn)生的破壞作用。無人機巡檢機型選擇較為便捷，有多旋翼無人機、固定翼無人機等，固定翼無人機多用于常規(guī)巡檢，比如監(jiān)測管線周圍是否存在地質(zhì)災害和施工的情況。多旋翼無人機則經(jīng)常被用于應急性巡檢，比如突發(fā)事故。在實踐操作層面，多旋翼無人機能夠在培訓以后進行單人操作，其在突發(fā)事件中有著顯著的優(yōu)勢。利用機載圖傳系統(tǒng)，無人機到達制定航點以后能夠進行懸停，對現(xiàn)場完成實時拍攝，并傳送畫面，在緊急處理過程中有著較大優(yōu)勢。

2 無人機油氣管道巡線系統(tǒng)的優(yōu)勢和局限性

圖1 無人機遙感監(jiān)測技術

相較于其他技術，無人機技術在監(jiān)測能源基礎設施方面具有一定優(yōu)勢，但也存在局限性。無人機的優(yōu)勢在于成本更低、操作安全性和任務靈活性都更高。而地面和載人航測技術的成本則相對較高，載人航測的安全性和靈活性也較差。此外，傳統(tǒng)的空中平臺容易受到風、云和氣候因素的限制，而無人機通常在150 米以下的高度運行，因為飛行高度低于云層，使得其可以提供高分辨率的圖像。此外，一些無人機是防水的，可以在極端天氣條件下飛行（例如 -33℃ 的溫度和50 公里/小時的風速），為風暴、北極、沙漠等惡劣氣候中的載人飛行提供了安全的替代方案。耐久性是無人機商業(yè)運營的主要關注點，無論是在天氣條件還是再利用方面。無人機要保證能夠在很寬的溫度范圍和強風條件下正常運行。但氣體羽流的性質(zhì)決定了它可能最適合在低風條件下進行巡查。無人機損壞是導致其無法重復使用的限制因素，無人機在調(diào)查結(jié)束時飛機通過降落傘著陸時，很可能會出現(xiàn)某種形式的損壞。使用反光帶的方法有助于最大程度地減少對激光對準產(chǎn)生影響的硬著陸問題；然而，最好減少發(fā)射和著陸以盡量減少損壞風險。未來的發(fā)展將著眼于使用兼具旋翼控制和固定翼續(xù)航能力的混合無人機系統(tǒng)，混合無人機在著陸期間可以提供更好的控制。

目前，無人機在使用過程中的最大限制在于缺乏在非隔離空域（即與有人駕駛飛機共享空間）允許其飛行的立法和法規(guī)。這一限制因素主要和飛行安全有關，因為無人機缺乏機載能力，因此無法感知和避開其他飛機。其他有待解決的方面包括數(shù)據(jù)保護和侵犯隱私權的問題。此外，人們對該技術的安全性及其發(fā)生事故的可能性持保留意見。當前，各大無人機企業(yè)和學術研究正在致力于開發(fā)感知和避免技術，并且各個國家還在嘗試構(gòu)建無人機相關立法體系。用于監(jiān)控基礎設施的無人機技術的其他局限性在于技術方面，例如需要專業(yè)知識、缺乏標準以及圖像分析技術范圍不夠完善等。

3 無人機油氣管道巡線系統(tǒng)的發(fā)展

配備相關傳感器的無人機可以作為傳統(tǒng)檢測技術的絕佳替代品。它不僅可以節(jié)省時間，還可以降低成本。北?？碧焦具M行的一項調(diào)查表明，使用無人機檢查資產(chǎn)可以比傳統(tǒng)檢查方法快20 倍，成本降低一半。這種方法在石油和天然氣行業(yè)的檢油氣管道巡檢中應用比較廣泛。到目前為止，所有的商用巡檢無人機都是手動控制的。在檢查過程中，無人機將由一名經(jīng)驗豐富的飛行員控制，而現(xiàn)場巡檢視頻由另一名經(jīng)驗豐富的檢查工程師監(jiān)控。

BP、殼牌、阿帕奇、BG集團、挪威國家石油公司等世界著名油氣公司均與世界領先的無人機巡檢技術Cyber hawk合作，對其設施進行巡檢。Cyber hawk 使用的英特爾 Falcon 8 plus 已顯示出可靠且高效的性能。英特爾獵鷹 8 plus 擁有專利的 V形設計，帶有八個旋翼，使無人機更加穩(wěn)定，并確保數(shù)據(jù)采集過程暢通無阻。通過搭載三個采用高效數(shù)據(jù)融合技術的冗余慣性測量單元（IMU），無人機可以在飛行過程中保證及時的響應性和可靠的穩(wěn)定性。檢查模塊由 RGB 相機和熱像儀組成，可幫助無人機導航，同時捕獲用于檢查管道和進一步分析的3D重建的詳細數(shù)據(jù)。

另一個值得注意的檢查無人機是 ELIOS，這是 Flyability 開發(fā)的第一款耐碰撞無人機。這架無人機被碳纖維外殼包圍，可以保護機體免受碰撞。當與障礙物碰撞時，無人機會彈開并沿表面滾動以尋找路徑。更重要的是，它利用高清攝像頭、熱像儀和LED照明系統(tǒng)，在任何光線條件下都可以完成檢測任務。在無人機檢測過程中，一架無人機需要兩名經(jīng)驗豐富的工程師管理。如果無人機檢查任務能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，那么不僅可以加快檢查過程，還可以通過降低工程人工費用和最大限度地減少人為操作失誤造成的事故來提高成本效率。

此外，國外研究人員還開發(fā)了一種無人機自主跟蹤和導航控制器，用于檢查石油和天然氣管道。他們的自動化系統(tǒng)包含四個部分：首先，高斯梯度用于提取圖像序列中對象的邊緣。其次，隱含HT來識別流水線。之后，設計PID控制器實現(xiàn)角度和橫向校正，確保無人機的位置和方向與管道對齊。最后，實現(xiàn)了沿管道的自動導航。

3 無人機油氣管道巡線系統(tǒng)的應用策略

合理選擇用于監(jiān)測石油和天然氣管道的巡線系統(tǒng)取決于一系列因素。最重要的是完成監(jiān)測任務所需的信息類型。例如，用于檢查基礎設施的視覺記錄、用于監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的溫度或樹冠顏色等物理參數(shù)。周圍環(huán)境的物理特性（例如可達性、地形粗糙度、到目標管道的距離）可能會限制某些系統(tǒng)或配置的使用（例如有限的耐力）。此外，當?shù)胤ㄒ?guī)和無人機組件的兼容性，對于專為特定任務配置的無人機系統(tǒng)也非常重要。

3.1 常規(guī)油氣管道巡檢

對于距離較近的油氣管道巡檢，需要短距離飛行以實現(xiàn)對該位置的詳細觀察，小型輕便的低空無人機是最恰當?shù)倪x擇。所需的飛行高度非常低（<50m），因為任務的重點是觀察地面或附近的管道（5～10m）。在這種情況下，由電池供電并為傳感器供電的具有高機動性的微型多軸飛行器就足夠了（例如 DJI Phantom 3、Aibotix Aibot X6）。操作者應備有備用電池以備更換。高分辨率相機（例如 Photonis Nocturn U3、MD、GV）或帶有動態(tài)傳輸?shù)囊曨l（例如 GoPro Hero4、Walkera QR X350）可以直觀地識別受損的基礎設施。

3.2 監(jiān)測泄漏的短距離巡檢

對于短到中等長度管道的監(jiān)測，無人機的高度通常需要維持大約 100 米的高度（通常在云層以下）。因為油氣管道的監(jiān)測任務通常為重復和周期性的，飛行計劃則是固定而又明確的。在這種情況下，固定翼無人機（例如 Trimble UX5）是恰當?shù)倪x擇，配備可見光和紅外攝像機。監(jiān)測的過程中要注重數(shù)據(jù)的記錄，以便與以前和未來的調(diào)查數(shù)據(jù)進行比較，并使用自動算法觀察監(jiān)測數(shù)值和狀態(tài)的變化。對于小于 100 公里的大型油氣管道，需要具有更長續(xù)航能力的無人機巡線系統(tǒng)?？蛇x擇旋翼微型無人機 Camcopter S-100 ，它具有高度的靈活性和荷載量，能夠通過 DInSAR 技術實現(xiàn)對潛在地面沉降監(jiān)測。

3.3 監(jiān)測環(huán)境狀況的長距離巡檢

因為單個小型無人機系統(tǒng)監(jiān)測能力的束縛，監(jiān)測偏遠地區(qū)長管道（約數(shù)百公里）的難度較大，需要定期觀察以檢測損壞或故障。借助現(xiàn)有的無人機技術，這種監(jiān)控場景通常由在受控空域中運行的大型無人機系統(tǒng)執(zhí)行，因此必須在系統(tǒng)化的空中交通管制環(huán)境中實施。大型無人機可以由多種發(fā)動機和電機，借助燃料和電池提供動力。由于無人機在 1000 米以上運行，通常不在云層以下，因此需要使用雷達 （SAR） 傳感器，光學/紅外傳感器系統(tǒng)可以予以補充。該設備又需要適當?shù)挠行лd荷能力，圖像處理和特征提取工作可能比以前的場景更復雜，因為雷達數(shù)據(jù)需要更專用和更具體的軟件進行處理。相信在不遠的將來，大規(guī)模的小型無人機能夠執(zhí)行這種監(jiān)測任務，其中單獨的無人機以中繼系統(tǒng)的形式進行連接。想要實現(xiàn)這些功效，需要進行一些技術改進。首先，將每個管段末端作為基站充電，在天氣條件惡劣的情況下具備自主決定充電或返回基地的能力，該領域的工作已經(jīng)完成，小型無人機群技術的可行性已經(jīng)通過測試，展示了單個飛行器收集和使用數(shù)據(jù)的過程中，不同無人機可以相互通信，從而完成統(tǒng)一任務。一旦技術成熟，成群的小型無人機預計將在救援行動中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)束語

油氣管道巡線系統(tǒng)是無人機技術的重要應用領域。無人機技術將會替代傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，如徒步巡邏和空中勘測。依托多平臺設計模式，無人機系統(tǒng)正在發(fā)展成為用于密切檢查基礎設施和重復監(jiān)視環(huán)境的高效工具，可用于檢測、表征和跟蹤油氣泄漏部位。改進無人機的電池電量可以保證其執(zhí)行更長或更高功率要求的任務。整體來看，無人機將來在油氣管道的檢測、監(jiān)測和維護中發(fā)揮更加重要的作用。