無人機油氣管道巡線應用可行性研究

張貴贊 史寧崗 袁勛（中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100000）

徐開（中國長征火箭有限公司，北京 100195）

無人機油氣管道巡線應用可行性研究

張貴贊 史寧崗 袁勛（中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100000）

徐開（中國長征火箭有限公司，北京 100195）

截止到2015年底，中國陸上油氣管道總里程達到12萬公里，這些管道形成了中國橫跨東西、縱貫南北、連通海外的油氣管網格局，成為推動中國經濟發展和造福民生的能源動脈。目前，我國的油氣管道面臨的威脅因素包括管道腐蝕、自然災害以及人為破壞。當前油氣管道巡檢難以做到全面覆蓋，存在漏洞與安全隱患,迫切需要引入新的技術手段來加強油氣管道巡檢。本文首先介紹了無人機油氣管道巡檢現狀與應用優勢，并重點對可行性與應用模式進行了分析，最后對近期在山西陽曲區域進行的無人機油氣管道作業成果進行了介紹。

無人機;油氣管道巡線;應用模式

管道是油氣資源配送的主要方式，在國民經濟中占有重要地位。據統計，截止到2015年底，中國陸上油氣管道總里程達到12萬公里，其中原油管道約2.3萬公里，成品油管道約2.1萬公里，天然氣管道約7.6萬公里。這些管道形成了中國橫跨東西、縱貫南北、連通海外的油氣管網格局，成為推動中國經濟發展和造福民生的能源動脈。威脅管道安全的因素包括管道腐蝕、自然災害以及人為破壞。目前，油氣管道的安全保障措施通常以人工巡檢為主，對數萬公里的油氣管道而言難以做到實時、全面覆蓋，存在巨大的巡檢漏洞與安全隱患。為了彌補人工巡檢的不足，提升巡檢效率，迫切需要引入新的技術手段來加強油氣管道巡檢。

1 無人機油氣管道巡檢系統組成

無人油氣管道巡檢系統主要由無人機平臺、各類應用載荷、數據鏈、地面站等軟硬件組成。其中，無人機平臺是數據鏈機載部分和各類應用載荷的空中載體，負責為各類設備提供所要求的工作環境；應用載荷是對地觀測的核心設備，負責獲取地面監測區域的遙感數據；數據鏈是空地連接的通道，負責遙控遙測數據的上傳與下載；地面站是無人機地面控制中心，負責對無人機飛行路線的規劃和實時控制，同時可兼為無人機設備的運載平臺。

2 無人機油氣管道應用優勢

油氣管道一般呈線形分布，其線路長度通常達到上百公里，巡檢作業中主要關注的是管線本身及周邊一公里范圍內的環境情況。目前管道巡檢工作中以人工巡檢作為主要手段，通常由巡檢工沿管道巡視，檢查管道本體和管道地表環境，能夠對管道設施精細監測，但巡檢效率較低。為了彌補人工巡檢的局限，提升巡檢效率，石油行業逐步引入衛星遙感、有人機巡檢等新的技術手段進行管道巡檢。

其中衛星遙感應用于管道巡檢中覆蓋范圍大，作業效率高，但衛星回轉周期較長，難以根據管線走向運行，因此對于突發情況反應周期長，無法進行應急情況下的監測，也無法進行實時監測。

3 無人機油氣管道巡檢國內外應用現狀

目前，國外已有部分國家使用無人機對長輸油氣管道進行常規化巡檢服務。北美地區和里海地區使用無人機對管道周邊環境進行日常監測，主要防止第三方破壞和地表地質活動等影響管道安全。

表1 國外無人機長輸管道應用情況

此外，英國的CyberHawk公司提供小型多旋翼無人機石油設施巡檢服務，使用多旋翼無人機對陸地、海上油井火炬進行精細監測，已進行了多年的業務化運營，在歐洲、北美、亞洲地區都有業務案例，客戶包括殼牌石油等知名公司。

4 無人機油氣管道巡檢可行性分析

4.1 技術可行性

自20世紀80年代以來，隨著計算機技術、通訊技術的迅速發展以及各種數字化、重量輕、體積小、探測精度高的新型傳感器的不斷面世，以及航空技術的飛速發展，無人機系統的性能不斷提高。如今的無人機系統已經應用了自動飛行控制技術、GPS差分定位技術、遙感載荷技術、遙測遙控通信等先進的技術。

油氣管道距離長且分布廣泛，穿越不同的氣候條件，對無人機性能提出了更高的要求，具體來說包括：續航能力、環境適應性、設備可靠性、大載重能力、新型載荷研制等等。經過國內外各研究機構的不斷研究，當前的技術水平已能滿足基本的油氣管道巡檢需求，有能力成為油氣管道巡檢的重要手段。同時，石油行業對無人機需求的不斷增強，將推動技術水平的進一步提升，新材料、新動力、新載荷會不斷涌現，并服務于石油行業。更進一步，大數據、人工智能、態勢感知、虛擬現實等前沿技術的不斷突破，將為無人機在石油行業的應用創造無限可能。

4.2 政策可行性

我國民用無人機系統發展正處在起飛階段，目前我國諸多部門正在推動民用無人機產業發展，包括了建立管理部門、發布適航政策、開展無人機培訓認證等。

在空域管理方面，中國空軍有關部門、中國民用航空總局、無線電管理委員會等單位與部門是空域的管理部門，其中空軍相關部門與民航總局主要負責使用空域管控，航空器適航認證管理，無人機駕駛員審核管理；無線委主要負責對無人機系統使用的通信頻率進行管理。

在適航政策方面，自2009年起，國務院、中央軍委、總參謀部、民航總局等機構頒布一系列政策法規，包括《關于民用無人機管理有關問題的暫行規定》、《民用無人機空中交通管理辦法》、《關于深化我國低空空域管理改革的意見》、《通用航空飛行任務審批與管理規定》、《輕小無人機運行規定》、《民用航空飛行標準管理條例》（征求意見稿）等，在無人機任務審批、飛行管理、空域管理等方面做出了規定，我國無人機適航在政策上趨于規范化。

在無人機培訓認證方面，民航總局于2014年4月委托中國航空器擁有者及駕駛員協會（AOPA）作為無人機駕駛員資質認證機構，無人機進入持證飛行時代。AOPA負責下列無人機駕駛員的資質認證管理：一、在視距內運行的空機重量大于7千克的無人機駕駛員；二、在隔離空域超視距運行的無人機駕駛員，民航局飛行標準司負責對中國AOPA的管理工作進行監督和檢查。

總體情況來看，目前無人機飛行主要受所在地的民航部門和空軍共同監管，無人機飛行員資質管理逐步規范化。

4.3 作業規范可行性

隨著無人機在民用行業應用的普及，各個行業已逐步開始探索對無人機作業的規范化管理。各行業領域的主管單位分別根據自身應用情況逐步制定無人機行業應用作業規范。如無人機應用普及程度相對較高的電力領域中，國家電網都已經出臺、起草了無人機電力巡檢相關的作業規范；南方電網正在制定一套完善全面的具有自主知識產權和技術特色的輸電線路機巡技術標準體系，覆蓋無人機平臺、任務載荷、測控通信、數據處理、數據管理與應用等標準規范。在海洋領域，國家海洋局已開始起草7項針對無人機海洋監測業務的行業標準，包括《無人機海域監測網絡化管理規范》、《海域無人機平臺準入標準》、《無人機系統作業指導規范》等，無人機海洋作業逐步規范化。

在石油領域，西部管道公司已經編寫并制定了西部管道公司《無人機管道巡檢作業規范》，推進無人機作業的規范化管理。

5 無人機油氣管道巡檢應用模式分析

綜合考慮石油行業對于無人機服務及相關服務的需求，存在以下幾種服務模式。

表2 無人機油氣管道巡檢應用模式分析

托管自主運營數據加工處理根據作業時間長度和作業規模，可分為定期開赴作業、長期駐扎作業地點、建立區域基地等3種方式。購買無人機，將設備托管于專業無人機公司進行飛行作業、設備保養維護等服務。購買無人機，設備自主管理，數據自主處理。將采集的無人機/有人機巡檢數據（包括遙感衛星數據和其他數據）提供給專業無人機公司進行數據加工處理。

結合石油行業的需求，通過系統租賃的形式與專業化無人機公司開展合作是主要的應用方式。

6 無人機油氣管道巡檢應用案例

筆者所在單位為驗證無人機油氣管道巡檢可行性，于2016年11月10日-2016年11月15日對山西陽曲壓氣站場區及17號閥室所管控區域的陜京二線、三線管道進行了無人機監測飛行。山西陽曲地區地處忻定、晉中盆地之間，溝壑縱橫，東、西、北三面環山，南部偏低，中部為盆地。本次飛行任務區域位于陽曲縣城東部，海拔在1200米以上，四周分布多座高度超過300米的山丘。同時入冬季節風俗較大，任務期間地面風速多在4級以上，瞬時風速達到6級。整體任務環境較為惡略。

本次任務采用彈射固定翼無人機與六旋翼無人機，搭載高清可見光相機對油氣管道線路及陽曲壓氣站進行航測飛行，獲取高清遙感影像，并通過數據后期處理獲得了任務區域的正射影像。

固定翼無人機實際飛行面積10km2，管道巡線長度11km，共獲取照片846張照片。從正射影像圖疊加管線矢量數據可對管線通道周邊環境進行高效監控，對油氣管線周邊違反《石油天然氣管道保護法》中所規定的與建筑、樹木、公路、鐵路、電力設施的安全距離進行及時的預警，及時制止違法進行取土動工的施工行為，保障油氣管道安全。

多旋翼整個作業過程共4架次，總面積0.15km2，相片總數155張。從正射影像圖中可以直觀了解壓氣站周邊地形情況，掌握附近可能威脅壓氣站的危險因素。同時可提供空中視角觀察對站內設備，及時對可能出現的設備損壞等情況進行預警號處理。在緊急情況下，出動無人機可以實時掌握站內情況，便于指揮決策。

7 結語

綜合分析，無人機系統做為一種在技術、政策、實際規范應用等層面均為可行的高新技術手段，在石油管道領域具有良好的應用前景。應用范圍不僅包括目前常見的日常巡檢作業、應急維搶修作業，也將逐步覆蓋到管道前期選址建設中，并將在逐步實現應用的業務化和規模化。

[1]李器宇,張拯寧,柳建斌,郭峰,李明.無人機遙感在油氣管道巡檢中的應用[J].紅外,2014,3.

[2]金偉，葛宏立無人機遙感發展與應用概況[J]遙感信息，2009（1）：32-34.

[3]歐新偉,周利劍,馮慶善,李祎,李振宇.無人機遙感技術在長輸油氣管道管理中的應用[J].科技創新導報,2011,15.