無人機技術在管道巡護管理中的應用

韋金松，王 盈，鄧寶信，陳 飛

（國家管網集團西南管道公司南寧輸油氣分公司，廣西南寧 530000）

1 概述

面對管道沿線地勢起勢大、道路崎嶇難走，沿途穿越河流、溝谷、沼澤地縱多，雜草植被茂密，無巡檢通道等現狀，人工巡檢暴露出明顯缺陷，車輛無法到達，需要跋山涉水徒步進行，巡護時間長，效率低，工作量大。在雨后，尤其是汛期，無法開展管道徒步巡護，致使部分管段成為巡檢盲區。且汛期山體滑坡、泥石流等地質災害時有發生，徒步巡檢風險高。此外，人工只能定期巡檢管道，無法實現全天候、全覆蓋巡護，人的視野、能力、責任心等多重因素都對巡檢效果造成很大影響。因此，管道巡護技術迫切需要升級完善，采用現代科技逐步取代風險高、工作量大的人工巡護已經成為一種發展趨勢。

隨著人工智能技術的快速發展和無人機技術的廣泛應用，無人機視覺系統在管道巡檢工作中有顯著的研究與應用價值。國內外油氣管道企業均在探索使用無人機技術進行油氣管道巡護，也開展了不同程度的應用試驗和技術攻關，微型無人機在管道巡護中的應用也越來越多。

2 常用管道巡檢方法對比

2.1 人工巡護

人工巡護作為油氣管道巡檢工作中的傳統方式，理論成熟，應用廣泛，主要依靠巡護工在巡檢過程對管線進行問題觀察、收集與反饋等實現管道監控的目的。然而，在長輸管道巡檢工作中，這種巡護方式耗費人力巨大，其巡檢質量和效果也受到巡線人員能力素質的限制，容易受到惡劣天氣和險峻地形的影響，效率低，精準度有限。

2.2 光纜巡護

隨著科技的進步，基于分布式光纖傳感器的光纜巡護方式也逐步應用到管道巡護中。光纜巡護在管道及其周邊環境的相關物理量進行測量的同時依靠分布式光纖傳感器傳輸通信信號，不受人工識別的制約，安全可靠，精準度高，可實現管道沿線的實時監控。由于光纜整體埋設成本較高，使得光纜巡護僅適用于特定的管道區域，推廣難度大。

2.3 無人機巡護

無人機可搭載高清攝像機、智能傳感設備，具有成本低廉、操作簡便、維護簡單、不受地形限制等特點，無人機設備體積小，機動性強，方便轉場及調動，可適應于山區、沼澤、森林等自然環境惡劣、人員不易達到的區域對管道周邊情況進行航拍，有限時間內可反復巡護，在第一時間收集存儲沿線圖像信息，發現可疑情況時及時懸停、下降高度進行近距離觀察，并向地面實時傳輸視頻圖像，便于及時掌握情況，快捷高效安全，節省人力，大幅提高巡線效率。如表1所示，無人機巡護與光纜、人工巡護方式相比，優勢明顯。

表1 常用管道巡護方式特點對比

3 無人機在管道巡護中的應用

3.1 無人機技術背景

無人機技術是通過飛行器技術、通信技術、GPS、差分定位技術和圖像技術的融合實現的一種無人機遙感技術，通過搭載高清攝像、智能傳感，使用工業處理軟件，能夠自動、快速生成圖像、視頻。隨著人工智能技術的發展，無人機技術已廣泛應用于電力系統巡護、應急搶險、地質測繪等工作領域。依據旋翼類別，無人機可分為無人直升機、多旋翼、固定翼等類型。由于固定翼無人機無須彈射架和跑道，便于野外操作，容易掌握，續航時間長，效率高，應用不受限制，已在管道巡護工作廣泛實踐。無人機搭載的傳感器、高清攝像儀、定位系統等多種設備，能夠實現管道智能巡護的多種需求[2]，不僅可以節省大量人工工作量，而且巡線速度快，信息反饋準確及時，保證了問題的早發現、早處置，有效降低風險。

3.2 無人機應用場景

無人機技術在管道巡護中的應用場景主要包括日常巡護、應急輔助巡護、“震懾性”巡護。除此之外，無人機技術還可應用于管道三維全景地圖制作，以輔助管道高后果區巡護和應急響應。

日常巡護方面，利用搭載高清攝像機，空中觀察管道附近是否有第三方施工、管道泄漏、可疑車輛與人員等異常情況，輔助查看線路及附屬設施狀態，動態采集數據等。利用智能工具對地形地貌、地表植被、周邊設施等采集的數據進行分析、比對，全面掌握管道的現場情況，可及時發現管道周邊滑坡、沖溝、第三方施工等影響管道安全運行的因素。在汛期，雨、冰凍等天氣后，在農作物茂盛期，陡峭山區等人員、車輛難以進入的“盲區”，人工無法徒步巡線，可以利用無人機優勢，輔助進行惡劣天氣、復雜地形條件下的管道巡護。夜間也可搭載紅外熱成像設備，在空中對重點區域進行巡檢，防止打孔盜油份子對管道的破壞。應急輔助巡護方面，當管道沿線發生地質災害，管道泄漏、爆炸，造成道路嚴重損壞、交通癱瘓時，可以利用無人機勘察管道周邊實時狀況，快速完成現場實時圖片和視頻拍攝，提供地形地貌，事態現狀、進場路由等信息，為制訂應急處置措施、現場搶修提供依據。“震懾性”巡護方面，在重點時段，對人口密集區、打孔盜油高風險管段，通過無人機加密巡護及高空喊話的方式，起到震懾作用。還可以定期利用無人機高空喊話功能開展管道保護宣傳。

3.3 管道三維全景圖實現路徑

建立管道沿線三維模型。在巡護飛行過程中依據GPS 定位系統、管線的地理坐標和高清攝像頭采集管道沿線地形、地物、地貌等特征影像，結合圖像數據處理技術構建管道及周邊環境的三維空間信息模型和管線數據庫。設置管道三維空間信息模型中沿線周邊的警戒范圍及預警對象。依據管道保護的高后果區管理標準，將管線位置為基準，與管道中心線的兩側相對距離為5m、50m和200m區域劃分風險等級；確定并設置管道巡檢的預警對象包括油氣泄漏跡象、第三方施工機器具、地質災害隱患、打孔盜油氣可疑跡象等。識別并處理管道沿線異常點。無人機每次巡線獲得的圖像與管線數據庫進行對比，依據深度學習算法和數據識別技術處理平臺，自動識別巡線異常目標并及時通知管理人員進行人工判別，確定異常目標后，系統處理平臺可計算異常點距管道的位置及范圍，并確定異常點的類別和地理目標，生成異常點數據報告，及時反饋預警管理人員。

4 應用實例

4.1 管道情況介紹

廣西境內油氣管道沿線敷設地形多樣，喀斯特巖溶地貌突出，地物復雜，沿線有山脈、森林、農田、河流、村莊、電力線、公路等分布，區域雨水豐富，滑坡、崩塌和坡面水毀等不良地質災害現象發育，巡線人員工作素質要求高，人工巡護難度較大，條件艱苦，汛期任務量大，危險難度高，巡線人員容易受到傷害，也無法在夜間巡護，對隱蔽施工難以及時響應，僅依靠傳統人工巡護的方式管道巡護效果一般，成本較高。

采用無人機技術與人工巡護相結合的方式，可實現管道全線、全過程的綜合巡護管理。除完成管道日常輔助巡護、“震懾性”巡護的同時，借助無人機搭載的傳感設備，實現管道三維可視化管理。依據GPS定位系統利用無人機拍攝油氣管道中心線兩側1km范圍內的地表航空影像，基于初步處理的圖像采用GIS系統和數據識別技術進一步數據處理，構建管線三維地圖。地圖內添加管道標識、穿跨越河流、高后果區等基礎信息，搭建集管道標識、施工管理、高后果區、地形地貌及管道走向于一體的山區管道可視化完整性管理平臺，實現山區管道的可視化完整性管理。

4.2 功能展示

在地形地貌可視化方面，直觀呈現管道沿線地形地貌、穿跨越河流等情況，對于地災頻發的管段，通過全景圖周期性對比，有效監測管道周邊環境變化，提前做出地災的預判與防范，防患于未然。管道應急搶險進場路由清晰明了，有助于管道突發事件應急決策。在施工管理可視化方面，實現施工項目進度及安全作業情況可視化監管。整個施工過程安全質量監管緊密連接，為現場施工管理提供直觀、宏觀和可溯源的資料依據。在高后果區可視化方面，直觀展示管道與高后果區相對位置關系，以及高后果區位置、規模等信息，因地制宜，合理規劃高后果區逃生路線。通過定期全景圖對比分析，可以掌握高后果區變化趨勢，為高后果區可視化管理提供便利。在管道標識可視化方面，直觀查看管道里程、埋深等信息。在樁牌信息表內標注通信光纜里程，建立管道及通信光纜里程對應關系。當發生通信光纜故障時，及時添加光纜故障時間、位置及整改情況，有利于提高通信管理水平。

5 結論

利用無人機技術搭載攝像、傳感設備并結合數據識別技術進行長輸管道巡護，可實現多場景、全時段的巡護工作，可有效地克服艱險地形、夜間巡護等特殊時段人員不易到達、疏漏的巡護盲點，實現高后果區重點區域重點監護、汛期加密巡護的管線關鍵實時管理工作，搭建管道三維全景地圖，提高管道目視化完整性管理。

隨著無人機和人工智能技術的快速發展，要提高認識，與時俱進，持續探索更多的管道巡護應用場景，為無人機應用積累經驗做法，同時，要制訂無人機巡護管道管理規定等程序文件，從人員的培訓取證、規范操作、過程管理等方面，進一步推進無人機管道巡護規范化管理。此外，無人機巡檢始終不能完全取代人工巡檢，管道巡護需要無人機和人工緊密協同，形成互為補充、相互促進的管道巡護組合，實現降低管理成本的同時，提高巡護效率、質量和應急監測能力。