無人機(jī)技術(shù)在油氣長輸管道巡檢中的應(yīng)用研究

杜懷林

（國家管網(wǎng)集團(tuán)（福建）應(yīng)急維修有限責(zé)任公司，福建 莆田351100）

1 概述

目前，國家管網(wǎng)集團(tuán)在役油氣長輸管道約94000km，管道距離長、分布范圍廣、穿越地形復(fù)雜、非法侵占及周邊第三方施工頻繁，安全隱患問題日益突出。傳統(tǒng)的人工巡檢成本高、效率低，尤其對山區(qū)、河流、峽谷等地理環(huán)境以及暴雨、地震、滑坡等突發(fā)情況下的巡檢存在很大局限性。隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使用無人機(jī)進(jìn)行油氣長輸管道巡檢已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。

2 油氣長輸管道無人機(jī)巡檢需求分析

通過組織業(yè)內(nèi)多家油氣管道公司深入開展長輸管道無人機(jī)巡檢需求調(diào)研，整理分析得到油氣長輸管道無人機(jī)巡檢需求如下：

（1）具備日常巡檢、惡劣天氣后巡檢、特殊地區(qū)巡檢、施工監(jiān)管、應(yīng)急搶險(xiǎn)巡檢、替代山區(qū)/水網(wǎng)巡檢功能。

（2）具備高后果區(qū)變化信息收集功能。

（3）具備地質(zhì)滑坡預(yù)警功能。

（4）具備重點(diǎn)隱患不定期監(jiān)控功能。

（5）具備違章占壓取證功能。

（6）具備異常目標(biāo)識別和報(bào)警功能。

（7）具備管道遷改、路線勘查，在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行階段，可定期更新功能。

（8）具備隱患地段坐標(biāo)點(diǎn)記錄功能。

（9）具備數(shù)字化管道底圖補(bǔ)充功能。

（10）具備數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸功能。

3 飛行平臺及任務(wù)載荷選型研究

3.1 飛行平臺選型研究

目前，無人機(jī)類型的劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。按照用途分為國家無人機(jī)和民用無人機(jī)，根據(jù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小，民用無人機(jī)分為微型、輕型、小型、中型、大型，按飛行平臺構(gòu)型分為無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、無人飛艇、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)等。油氣長輸管道巡檢要求無人機(jī)具有高速度、大航程、空中懸停、貼地或超低空飛行、快速爬升、較高的載荷能力，綜合各類無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、飛行能力、操控難度、靈活性，篩選出固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)兩款機(jī)型，搭配使用，用于油氣長輸管道巡檢。固定翼無人機(jī)發(fā)射和回收方式眾多，常見分類見表1 所示。

油氣長輸管道巡檢無人機(jī)對起降場地要求低，具有一定的載荷能力，意外墜機(jī)不導(dǎo)致二次災(zāi)害，電動垂直起降固定翼無人機(jī)是最佳選擇。多旋翼無人機(jī)按軸數(shù)分有三軸、四軸、六軸、八軸等，軸數(shù)越多，動力越足，動力冗余越強(qiáng)，可靠性也越高。但隨著軸數(shù)增多，無人機(jī)效率降低，航時變小，尺寸變大，系統(tǒng)維護(hù)難度增加。相同指標(biāo)下，綜合續(xù)航、穩(wěn)定性、安全等因素，電動六軸多旋翼無人機(jī)適合用于油氣管道巡檢。系留無人機(jī)是多旋翼無人機(jī)的一種特殊形式，通過系留線纜傳輸?shù)牡孛骐娫醋鳛閯恿碓矗砷L時間滯空懸停，完美解決了無人機(jī)的續(xù)航問題。特別適宜用于應(yīng)急通訊、應(yīng)急指揮、管道搶險(xiǎn)、施工監(jiān)管等場合。電動垂直起降固定翼無人機(jī)、電動六軸多旋翼無人機(jī)、系留無人機(jī)配合使用，可滿足油氣長輸管道長距離快速巡檢、定點(diǎn)精細(xì)巡檢、定點(diǎn)不間斷巡護(hù)等多種不同應(yīng)用場景。

表1 固定翼無人機(jī)分類

3.2 任務(wù)載荷選型研究

無人機(jī)裝載的實(shí)現(xiàn)、無人機(jī)飛行要完成的特定任務(wù)的儀器、設(shè)備和分系統(tǒng)，統(tǒng)稱為無人機(jī)的任務(wù)載荷。經(jīng)研究篩選，油氣長輸管道無人機(jī)巡檢適用的任務(wù)載荷有雙光吊艙、航拍相機(jī)、激光雷達(dá)、氣體檢漏儀、喊話器、探照燈等。雙光吊艙集成可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀，可以實(shí)現(xiàn)高清可見光拍攝、紅外熱像儀拍攝、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)鎖定等附加功能，適宜長輸管道日間和夜間巡檢使用。航拍相機(jī)拍攝高清正射影像，用于拼接管道周邊正射影像圖和目標(biāo)智能識別。激光雷達(dá)在管道巡檢中主要用于三維地形重建和地表微變形檢測，通過對比分析，實(shí)現(xiàn)滑坡等地質(zhì)危害事件預(yù)警。氣體檢漏儀利用激光探測、光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離天然氣管道泄漏檢測，作業(yè)高度一般小于100 米。喊話器和探照燈用于威懾、制止巡檢中發(fā)現(xiàn)的管線破壞和盜油行為。以上任務(wù)載荷可根據(jù)不同任務(wù)需求獨(dú)立或組合使用。

4 油氣管線無人機(jī)巡檢管理系統(tǒng)

無人機(jī)巡檢采集的航拍影像數(shù)據(jù)靠人工判讀和分析，存在工作量大、效率低、實(shí)時性差、誤判漏判多等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約無人機(jī)在油氣管道巡檢領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前，油氣行業(yè)無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研發(fā)處于起步階段，功能不完善，智能識別率低，誤報(bào)漏報(bào)率高是普遍現(xiàn)象。因此，非常有必要開展管道航拍影像數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)研究。基于現(xiàn)狀，研發(fā)了一套集數(shù)據(jù)管理、圖像分析、圖片拼接、數(shù)字地球和用戶管理于一體的高精度、多功能油氣管線無人機(jī)巡檢管理系統(tǒng)，核心模塊為圖像拼接系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)。圖像拼接系統(tǒng)通過不斷優(yōu)化和改進(jìn)的SFM 建模算法，以采集到的數(shù)字影像數(shù)據(jù)及對應(yīng)的地理坐標(biāo)信息作為輸入，快速構(gòu)建航拍場景的數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字地表模型（DSM）,拼圖速度大幅提升。經(jīng)驗(yàn)證46km 管段數(shù)據(jù)，1195 張航片，圖像重疊度65%，拼接完成時間71 分鐘，極大限度的提升了用戶作業(yè)效率。拼接效果如圖1 所示。

圖1 拼接效果圖

圖像分析系統(tǒng)包含目標(biāo)檢測及對比檢測。目標(biāo)檢測基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航拍圖像數(shù)據(jù)智能分析，自動識別出異常目標(biāo)，并將其精確位置標(biāo)注出來，如圖2 所示。對比檢測通過對比兩次飛行時序的圖像在大致相同位置上發(fā)生的變化，檢測出沒有固定形態(tài)的大范圍異常目標(biāo)，如山體滑坡，土壤翻動等，檢測完畢后生成分析報(bào)告。經(jīng)實(shí)測，目標(biāo)檢測查全率和查準(zhǔn)率可達(dá)95%以上。

圖2 目標(biāo)智能識別及定位

5 無人機(jī)巡檢應(yīng)用試驗(yàn)

為驗(yàn)證研究效果，采用無人機(jī)系統(tǒng)對海西天然氣管網(wǎng)秀嶼至福州段管線進(jìn)行了巡檢應(yīng)用試驗(yàn)。該段管線地理情況復(fù)雜，囊括了山區(qū)、平地、林地、水網(wǎng)、居民區(qū)、道路、農(nóng)田等，地形地貌較為典型。結(jié)合巡檢需求，本次試驗(yàn)制定了由任務(wù)類型、飛行平臺、任務(wù)載荷組成的搭配矩陣，如表2 所示，規(guī)劃飛行20 架次。

表2 組合矩陣表

經(jīng)驗(yàn)證：（1）多旋翼無人機(jī)搭載不同載荷適合用于對航程和航時無嚴(yán)格要求的周邊環(huán)境調(diào)查、日常巡檢、違章占壓、地質(zhì)災(zāi)害巡檢、專項(xiàng)巡檢和應(yīng)急搶險(xiǎn)等場合，可以提高巡檢效率，取得良好的應(yīng)用效果。圖3 所示為多旋翼無人機(jī)搭載雙光吊艙識別到的山區(qū)管道裸露。（2）系留無人機(jī)適合用于長時間持續(xù)作業(yè)場合，與多旋翼無人機(jī)配合使用，可達(dá)到比較理想的應(yīng)用效果。（3）垂直起降固定翼無人機(jī)適合于中長距離管線巡檢。搭載雙光吊艙和航拍相機(jī)可在周邊環(huán)境調(diào)查、日常巡檢、專項(xiàng)巡檢等場合進(jìn)行應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。（4）油氣管線無人機(jī)巡檢管理系統(tǒng)可大幅提高航片拼接效率和智能輔助識別率，提升管理人員監(jiān)視和響應(yīng)效率，提升危害事件的預(yù)警和處理效率。

圖3 管道裸露

本次應(yīng)用試驗(yàn)，也凸顯了一些無人機(jī)應(yīng)用面臨的問題，需重點(diǎn)研究解決：（1）無人機(jī)空域申請難度大，申請渠道不明確，限制要求多。（2）地方法規(guī)及重大活動影響無人機(jī)飛行。例如:《福建省高速鐵路安全管理規(guī)定》指出，高速鐵路電力線路導(dǎo)線兩側(cè)各500 米范圍內(nèi)禁飛無人機(jī)。（3）無人機(jī)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全，油氣管道無人機(jī)巡檢無技術(shù)規(guī)范可循。（4）無人機(jī)續(xù)航能力、防護(hù)等級不足，任務(wù)載荷多功能集成度較低。（5）目標(biāo)智能識別需要大量樣本的積累和訓(xùn)練，樣本量不足導(dǎo)致可識別目標(biāo)種類欠缺。另外，還無法做到基于視頻流的實(shí)時目標(biāo)檢測。

6 結(jié)論

無人機(jī)在電力線路巡檢中獲得了廣泛應(yīng)用，在油氣長輸管道巡檢中的應(yīng)用還處于普及階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。相信隨著無人機(jī)及配套技術(shù)的快速發(fā)展，市場體系的成熟和我國低空空域的進(jìn)一步放開，無人機(jī)必將在油氣管道巡檢領(lǐng)域發(fā)揮愈發(fā)關(guān)鍵的作用，成為巡檢人員的有力“幫手”和油氣管道“守護(hù)者”。