無人機巡檢技術在長輸管道高后果區管理中的探索與應用

段云躍 謝德俊

〔中國石化銷售有限公司華南分公司川渝輸油管理處 重慶 400061〕

長期以來，油氣長輸管道高后果區通常以人工沿管線徒步巡檢方式為主。河流、濕地、沼澤、陡崖、峽谷等地段巡護人員難以通行，“盲區”問題較為突出。且人工巡檢效率低下，巡檢結果不利于數字化、智能化。中國石化銷售有限公司華南分公司轄區內的川渝管道共計58處高后果區，2次穿越長江、3次穿越綦江、1次穿越沱江和其他18條大小河流，同時還穿越濕地、高山、林區。川渝管道管理處2016年著手對無人機智能巡檢技術進行探索，2018年引入航線飛行無人機進行無人機管道巡檢工作，已完成多輪全線飛行，在無人機巡檢技術管控高后果區領域積累了一定經驗。本文將對無人機巡檢技術、高后果區全生命周期管控模式進行探究，為全國油氣管道實現高后果區管理科技化、數字化、智能化目標提供技術和借鑒。

1 國內無人機巡檢技術及銷售華南分公司的應用情況

1.1 無人機巡檢技術概況

2011年無人機遙感技術在中石油蘭成渝成品油管道首次應用，補充了傳統人工巡線方式，成為無人機巡檢技術成功運用的開端。中國石化銷售華南分公司于2017年開展無人機定高、定位、定向飛行試驗取得成功，2018年7月完成全線飛行，10月開始常態化飛行。該技術通過視頻拍攝技術，獲得俯瞰管道影像資料，對其獲取的影像進行處理，能快速定位管道位置，及時發現管道及其周邊的環境變化，為爭取時間正確處理相關問題和及時采取防范措施，有效保護管道安全運行提供了保證。

1.2 無人機的分類及適用范圍

當前常見的無人機主要有無人直升機、固定翼無人機、多旋翼無人機、固定翼-傾轉旋翼無人機四類，實物見圖1。四類無人機的結構原理、優缺點及應用場合如表1所示。管道企業可根據具體需求選擇適合本單位的無人機類型。目前多旋翼無人機運用較為廣泛。

圖1 無人機主要類型

表1 各種常見類型無人機的優缺點及適用場合

1.3 銷售華南分公司無人機的選用情況

銷售華南分公司2016年引入精靈4消費級無人機用于短距離單點飛行，2017年引入MD4-1000無人機用于航線飛行，實現無人機管道巡檢。MD4-1000四旋翼無人機配備黑匣子，能夠實時記錄飛行過程中飛機的參數，保證飛行安全可靠和可追溯。該機最大飛行半徑達5 km，有效巡航時間40 min，最大抗風4級，抗暴雨、大雪、高溫，最大爬升海拔3 000m。2019年，公司量身定制新型復合翼無人機，該機單次飛行距離50～100 km，飛行速度70～120 km/h，機體采用輕質碳纖維復合材料，空機重量僅2.650 kg，平臺可集成多任務載荷，如管道巡線喇叭、夜間紅外成像儀、高清相機等，為管道巡檢提供了更加高效的手段。該機性能優異，能適應銷售華南在7省市成品油管網巡檢的地域氣候差異化要求，在大雨大風等極端惡劣天氣情況下仍能正常執行巡檢任務。

2 無人機巡檢的技術實現

(1)無人機系統由飛行及控制平臺、信息采集系統和地面站系統組成。無人機飛行及控制平臺包含動力系統、傳感器、信號接收與處理系統等組成。信息采集系統包含無人機搭載的云臺、相機、紅外成像儀、激光光譜檢測儀、氣體激光探測器等設備。地面站控制系統包含計算機、數據處理系統、GPS導航、無線電控制等。

(2)無人機可以搭載攝像機、紅外成像儀、GPS巡檢儀、高音喇叭等負載，可獲得巡檢照片、視頻、飛行軌跡，也可對現場進行空中喊話。

(3)無人機操作手使用手動控制無人機或編制航線使得無人機沿長輸管道方向飛行，航線繪制功能實現無人機定點、定向、定高飛行，通過地面站實時查看飛行影像或后期軟件分析圖像。

(4)無人機結構緊湊、機身輕巧、性能良好，使用不受地形條件限制，適合在復雜自然環境下的叢林、陡坡、山區、河流、濕地沼澤、占壓區域、人員密集區域，以及暴雨、大風等一定程度惡劣天氣下執行任務，具備高空、定速、定點、遠距離、自行執行作業等能力。

3 無人機管道巡檢技術的組織實現

(1)無人機巡檢作業步驟可分為采集管道坐標及選取無人機起降位置、繪制航線、現場飛行、飛行成果分析四步。

(2)現場飛行組織。油氣長輸管道為線性工程，為確保無人機飛行連貫性，需組織A、B兩組人員和車輛，使用兩臺遙控器，采用“車輪戰”操作方式。即：B組人員提前到達乙點，A組人員從甲點使用手動模式放飛，切入航線飛行模式后趕到丙點；B組人員在乙點收到操作信號后接管無人機操作信號。飛機到達乙點后B組切換為手動模式降落，更換電池后手動放飛，切換航線模式，驅車趕往丁地。周而復始，直至飛行任務完成。地面人員可使用地面站接收查看視頻，或后期使用分析軟件分析巡檢情況。

4 無人機在高后果區的管理運用

4.1 高后果區識別階段

《GB 32167—2015 油氣輸送管道完整性管理規范》提出高后果區數據采集宜通過現場調查或影像數字化開展管道沿線屬性數據采集工作。無人機航拍視頻或照片可用于高后果區識別工作，尤其對人員密集型高后果區識別和等級判定具有人工無法比擬的優勢。通過觀察管道兩側200 m范圍視野，可以輕易讀取該區域房屋等建筑物聚集情況，提高高后果區識別率和高后果區識別準確率。無人機開展人員密集型高后果區識別示意圖見圖2，輸油管道各類型高后果區人工識別與無人機識別對比見表2。

圖2 人員密集型高后果區識別

表2 輸油管道高后果區人工識別與無人機識別方法比較

4.2 高后果區日常管控階段

《GB 32167—2015 油氣輸送管道完整性管理規范》對已識別出的高后果區作出了管控要求。《國家安全監管總局等八部門關于加強油氣輸送管道途徑人員密集場所高后果區安全管理工作的通知》(安監總管三【2017】138號)規定，企業要采取增加巡護頻次、增加固定式攝像頭等人防、技防措施及時阻止危及人員密集型高后果區段安全的違法施工作業行為。《GB/T35068—2018油氣管道運行規范》提出線路巡護可以采用徒步巡護、車輛巡護、飛行器巡護等方式。高后果區應每天巡護1次。

4.2.1 開展日常巡檢

管道企業可將無人機管道巡檢作為人工管道巡護的補充甚至是主要巡檢方式，可滿足“增加巡護頻次”的高后果區管控措施要求。無人機對管道中心線兩側各200 m范圍內地表情況進行攝像，巡檢時可實時查看或后期查看所拍攝影像，及時排查管道附近是否存在第三方施工、管道泄漏跑油、可疑車輛與人員、線路閥室及管道附屬設施的完好情況等。按照目前人工巡檢與無人機巡檢管理模式，將無人機巡檢與人工巡檢相關優劣對比如表3。

表3 川渝管道人工巡檢與無人機巡檢對比

4.2.2 對比分析照片，及時調整監管措施

管道企業可針對高后果區定期使用無人機進行航拍，定期與前期照片進行對比，分析管道周邊環境新增占壓、第三方施工、人員密集變化情況，研判高后果區附近地質災害風險等情況，從而判斷變化原因及預測變化后果，為企業及時采取有針對性的調整高后果區管控措施提供重要依據。銷售華南分公司每月定期采集人員密集型高后果區照片(圖3)，上傳智能化管道管理系統，用于對比分析高后果區變化情況。

圖3 對比分析人口密集高后果區內電桿位置變化及人員活動變化情況

4.2.3 特殊時期巡檢

在重大節日、重要反恐時期和易發生打孔盜油等特殊時期進行特殊的巡護。特別在針對高后果區附近非法第三方施工識別取證，利用夜間高強度射燈及喇叭震懾高后果區附近打孔盜油分子等方面都具有難以比擬的優勢。

4.3 高后果區應急搶險期間

4.3.1 為現場指揮提供技術支持

高后果區若因地質災害、第三方施工、打孔盜油而發生管道泄漏，可對社會公眾產生較大不良影響和對造成自然環境的一定破壞。因此，高后果區發生危險時，應急搶險工作必須科學有效地開展。多旋翼無人機可以低空懸停，觀察到管道周邊實時情況，為搶險指揮部提供實時、高清、可靠的應急搶險地形布置、周邊區域地形地貌、滑坡監測、現場錄像等服務。為定性管道突發事件、制定應急措施、現場搶修等提供重要依據，為應急搶險更加科學謀劃指揮提供技術支持。此外，無人機可以攜帶部分輕便應急物資(例如MD4-1000可攜帶最大任務載荷為2kg)快速抵達現場并投放。

案例 ：2016年6月底，在某直轄市因山體滑坡導致某成品油管道發生斷管漏油事故，現場搶險總指揮部除按照企業應急預案成立相應搶修救援小組外，還專門成立了無人機監控組，緊張而有條不紊地開展應急搶險工作。無人機監控組采用輪換制工作方式，觀察救援力量分布情況，判斷滑坡體繼續下滑風險，實時為指揮部提供空中畫面，為應急搶險指揮提供可視化依據。7月6日，該市副市長到現場檢查，得知應急處置基本完成，未造成環保風險后，給予了“企業的應急處置反應迅速、方案科學、組織有序、效果很好”的評價。在該次事故搶險過程中，無人機所起的作用功不可沒。

4.3.2 緊急疏散高后果區人群

在事故狀態下，可使用無人機搭載高音喇叭，在人員密集區域上空播放錄音或實時喊話，緊急疏散人群，縮短挨家挨戶疏散時間，避免或者減少高后果區的人員傷亡。

5 無人機巡檢技術在高后果區管理中的優缺點及改進方法

5.1 無人機巡檢技術在高后果區管理方面的優勢

(1)無人機巡檢技術的應用實現了管道安全防護體系的集中管控，從一定程度上降低了對野外巡護人員和相應配套資源的需求，通過采集圖像、視頻和地理坐標等數據，再對其進行數據集中處理，實現管道安全管理工作的可視化、數字化、智能化，對高后果區管理具有重要意義。

(2)無人機飛躍河流、濕地、沼澤、陡崖、占壓地段進行巡護工作，不受溫度、地形等限制，而人工通常無法通過。

(3)無人機巡檢技術已日趨成熟，安全性能較好，近期在一定程度上能作為人工巡檢的補充，遠期可替代人工巡檢，使得高后果區管理更加有效。

5.2 無人機巡檢技術在高后果區管理方面面臨的挑戰

5.2.1 合法依規飛行方面

(1)無人機及人員資格合法依規。2016年民航局下發《民用無人機駕駛員管理規定》，規定在融合空域內運行的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ類無人機駕駛員需由行業協會實施管理，民航局飛行標準部門實施監督。2017年5月，民航局下發了《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規定》，要求無人機持有者必須在無人機實名登記系統網上登記注冊，取得二維碼張貼于無人機機身。無人機駕駛員培訓時間長，AOPA機長考試難度大，短期內難以培養大量無人機駕駛人員，管道企業需增加相應時間和資金投入。

(2)場地合法依規。飛行工作需遠離政府部門劃定的禁止飛行和限制飛行區域，部分地區需向相關部門申請空域。位于禁飛區域管道無法開展無人機巡檢。此外，由于管道企業無法準確識別禁飛和限飛區域，存在誤入禁飛區域可能。

(3)無人機續航不足問題。目前多旋翼無人機電池極限時間約40min，極限航線飛行里程約8km，對減少起降點，提高單日飛行里程造成較大影響。若后期電池續航能力提高，有望實現“站內放飛、站內接收，中途不停靠”，不用派出車輛到外部起降點接續電池，可大大提高工作效率。

(4)機載有效載荷有待進一步開發。對于管道輸送介質發生的細微滲漏，地面巡檢人員可以通過看、聽、聞、觸的方式察覺，無人機在空中查找此類問題較為困難，因可燃氣體探測儀普遍探測距較近，無人機搭載可燃氣體探測儀探測管道泄漏情況效果不盡如人意，需進一步開發此類載荷。

6 結語

目前銷售華南分公司無人機巡檢技術在管道全線定高、定位、定向巡檢，高后果區識別，高后果區管控，特定時期巡查，應急搶險等方面具有人工無可比擬的經濟、高效、準確、可視化優勢。通過高空、低近飛行拍照、數據采集，照片對比分析，可及時有效發現和處理問題，實現成品油管道智能化、數字化、集成化。然而，無人機巡檢也面臨一定的合法依規飛行風險，需要企業加大技術和資金投入，提高無人機續航能力，進一步開發針對管道微小滲漏檢測的檢測設備，讓無人機巡檢技術在更多、更廣的領域為石油管道安全保駕護航。