無人機技術在天然氣長輸管道巡護管理的應用

◆溫鏡冉

無人機技術在天然氣長輸管道巡護管理的應用

◆溫鏡冉

（廣西大學計算機與電子信息學院 廣西 530004）

隨著天然氣管道里程的增加，以及部分管道的破損和老化，進一步加劇了巡護難度。目前應用最廣泛的人工巡護越來越難以實施，而利用同溝敷設光纜進行管道振動預警和泄露檢測，由于技術限制和成本高昂，尚未大規模應用。利用無人機代替人工進行定期巡檢、應急巡查，既能提高巡護效率、提升巡護效果，又能提高巡護的自動化程度，還能保證巡護人員的人身安全，是未來管道巡護應該重點發展的方向。

無人機技術；天然氣長輸管道；巡護管理

0 引言

天然氣多采用管道輸送，保證管道運行安全是社會和企業應當承擔的重要責任。長輸天然氣管道具有距離長、范圍廣、途經地貌復雜的特點，許多管段受環境惡劣、交通不便、人文復雜等不利因素制約，一定程度阻礙了人工巡線的進行，給管道定期巡檢帶來困難，導致許多隱患不能及時被發現和治理，進而引發事故。無人機技術可以自動、快速獲取管道及周邊的數據信息。在國外，無人技術在山區管道巡檢、災后次生災害評價、泄漏點現場定位等方面已應用廣泛。在國內，已有蘭成渝管道、中石油西部管道、榆濟管道等將無人機技術應用到管道巡護，為管道保護提供支持。

1 無人機巡護機型選擇

無人機巡護技術在電力、公路、鐵路等行業已有廣泛應用，逐漸成為未來線性工程巡護的發展趨勢。無人機航攝系統具有成本低、效率高等優勢，其獲得的高分辨率影像數據可應用于油氣管道的安全管理領域。無人機主要有固定翼無人機、多旋翼無人機和無人直升機等種類，其特點對比如表1所示。

表1 無人機機型特點對比

綜合管道巡檢線路較長、需要無人機長時間飛行的特征，固定翼無人機更適合應用于管道巡線。

2 無人機天然氣管道巡線技術原理

2.1 線路視覺跟蹤技術

無人機在巡線時的路徑導航主要依靠于對路標、指示物等物體的視覺追蹤技術，但由于飛機在飛行時會產生振動，再加上圖像中標志物被障礙物遮蔽、標志物與背景視覺差異小等原因，給無人機的追蹤增加難度。目前較為通用和可靠的方法是采用霍夫變換的跟蹤算法，控制系統同時對三個標志物進行追蹤，并通過跟蹤算法將無人機的橫向位移與縱向位移反饋回去，實現精準追蹤。

2.2 無人機遙感圖像處理技術

無人機遙感技術是在普通無人機所具備的無人駕駛飛行器、控制系統、通信系統、GPS定位系統等的基礎上，增加攝像頭及氣體探測器，并建立專用數據庫來追蹤管道檢測進度，幫助工作人員識別高危燃氣管道，及時采取相應的安全措施。其主要由地面系統、空中系統、后臺數據處理系統三部分構成，如圖1所示。

圖1 無人機天然氣巡線系統構成

目前較為成熟的天然氣巡線方案采用的是飛行平臺搭配攝像頭，沿著管道飛行的同時獲取高清圖像數據，通過數據處理生成無人機校正攝像圖，智能化生成地面環境的空間遙感信息，并于后臺數據處理系統完成建模和應用分析。但無人機在空中拍攝時傾斜角度較大且變化無規律，會造成幾何成像變形。由于多項式校正法不考慮成像過程中的空間幾何關系，直接對圖像變形的本身進行數學建模，把影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉、仿射、偏扭、彎曲，校正前后影像相應點之間的坐標關系可以用一個適當的多項式進行描述，因此通過多項式校正就可以獲得更高質量的圖像。

2.3 無人機激光遙測技術

第三種較為成熟的技術是采用超高精度激光甲烷遙測儀搭載特定的飛行平臺，用于各種復雜場景下的燃氣泄漏巡檢。這種超高精度的激光遙測儀能夠在50米外檢測到室內低濃度甲烷氣體，具有檢測距離遠、報警觸發值低的特點。這種技術的主要原理是采用激光束照射反光體，使激光束穿透待檢測氣體，通過其他物體表面的反射后被接收器接收，系統通過對反射光光譜分析來計算甲烷濃度，從而判斷燃氣泄漏程度，常用于家用燃氣泄漏檢測。

3 無人機管道巡護及應用案例

3.1 工程概況

南寧市天然氣專供管道位于廣西南寧市江南區、經開區，管線起自西二線南寧—百色支干線的吳圩分輸清管站。管道從吳圩站出站后向西北方向敷設，經那壇村、周村、土地村，繼而轉向北，伴行X003縣道，從牛頭水庫東側敷設至環城高速南。然后繼續向西北敷設，先后穿過湘桂鐵路、云桂高鐵及環城高速，再從三津水廠和邕江邊，伴行樂賢村外水泥路敷設至江南大道旁的馬巢河水閘處，繼續向北穿越馬巢河后，轉向西，進入華南城工業園，沿華南城工業園智和路北側、新村大道東側綠化帶，然后轉向同樂北路南側，最后進入華南城分布式能源站南側的南寧江南分輸站。

管道沿線地貌主要為平原、丘陵（階地）兩種類型。其中吳圩站至湘桂鐵路穿越段地貌類型主要為丘陵和階地，湘桂鐵路穿越后至江南站段主要為平原地貌。沿線地表植被主要是水稻田、旱地及林地。可能發生的不良地質主要有滑坡、崩塌。管道投產后尚未開展地質災害專業調查，但每年對可能存在地質災害的風險段進行識別，納入防汛重點部位臺賬，并安排在日常管理中進行重點巡護。根據2017年的識別結果，共有8處防汛重點部位，主要為存在滑坡和坡面水毀風險的山坡以及管道穿越的水庫泄洪口、排水渠、馬槽河和馬槽河支流。

3.2 無人機管道巡護應用

首先用無人機對管線中心線兩側2公里范圍內的地表進行航空影像拍攝，再利用地理信息系統對航空影像數據進行處理，得到數字地圖。根據管道的現場要求和巡護管理制度，對無人機進行編程，使無人機可以定時、定點地巡查管道，對采集的數據進行分析，全面掌握管道的現場情況。例如：對地形地貌、周邊設施、人員活動等數據信息進行自動比對，可及時發現滑坡、沖溝等自然災害和第三方施工等人為破壞對管道的影響。

除常規巡護外，無人機還可進行應急巡護。根據管道巡護需要，無人機可掛載紅外監測傳感器，對管道沿線和站場進行監測，可迅速發現因管道泄漏導致的異常，或在夜間發現沿線的可疑人員。管道出現事故時可利用無人機進行搶險救災。如：某市天然氣管道泄漏爆炸，造成道路嚴重損壞、交通癱瘓，利用無人機航拍，24h內完成了5km2爆炸現場的實時圖片和視頻拍攝作業，第一時間傳到搶險指揮中心，為搶險救災贏得了寶貴時間。

再者從經濟角度出發，無人機巡護成本遠遠低于人工巡護成本。如：20km天然氣管道配置的無人機巡護系統其主要部件使用壽命不少于7200h，按2次巡護需要4h計算，若每天上下午各完成1次巡護，可安全使用5年。根據不同配置，該無人機管道巡護系統初次投資成本約為40至70萬元，每次飛行巡護成本不足百元。與無人機巡護經濟對比的是人工巡護方式，該20km山區管道配備4名專職管道巡護人員、2名管道管理員，僅人工工資一年就超過30萬元。從經濟性考慮，無人機巡護比人工巡護具有優勢。

4 小結

利用無人機進行天然氣管道巡護，既能提高巡護效率、提升巡護效果，又能提高巡護的自動化程度，還能保證巡護人員的人身安全，具有極大的經濟和社會效益。

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