無人機巡檢圖像下的裝配式管線移位分析方法

王 晧，雍歧衛，方 鋼，段紀淼

(陸軍勤務學院， 重慶 401331)

0 引言

裝配式管線是一種在應急條件下使用的機動管線系統，能執行大批量、長距離的輸油或輸水任務。在實際使用當中，通常臨時鋪設和連接組裝，用完即可撤收。與固定長輸管線相比，具有機動性強、展開快速、方便靈活等優點[1-2]。在裝配式管線執行輸送任務的過程中，可能由于各種原因，如暴雨或泥石流沖刷、車輛沖撞，會造成管線移位。每2根裝配式管線間采用連接裝置連接，當管線移位導致兩管線偏折角度超過閾值時，連接裝置將會失效，從而造成液體泄漏甚至管線脫落跑油。以往遇到裝配式管線移位問題時，巡線人員基本全憑經驗進行主觀分析，對于是否確認為隱患點，沒有合適的量化分析手段。因此，需要一種快速、有效的方式，準確分析移位是否超過閾值，以便及時處理隱患管段，避免發生漏油、脫管事故。

傳統人工巡檢的方式需要巡線人員沿線路行進檢查，受地形和天氣限制，容易造成巡線人員受傷或線路檢查不到位，巡檢效率偏低。隨著近年來無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)技術的飛速發展，采用無人機平臺搭載合適的遙感傳感器對油氣管線展開巡檢工作，可作為人工巡檢的有力補充手段，大大提升巡檢效率[3]。裝配式管線通常裸露在地面鋪設，使用無人機能夠直接觀察到管線情況，所以使用無人機巡檢的方式在裝配式管線中更有優勢。

1 無人機管線巡檢系統

1.1 國內外發展現狀

無人機最早出現在上世紀初期的英國，初期的研發方向主要為軍事領域的訓練靶機和空中偵察機，一直到上世紀九十年代開始應用于常規領域，并迅速發展[4]。得益于無人機靈活機動、起降受場地影響小、作業周期短、與載人航空器相比成本低等特點，現已在軍事偵察探測、火力打擊、通信中繼，與商用航測遙感、電力線巡檢、大氣監測、林業調查、應急救援等行業有了較為成熟的應用[5-6]。將合適的遙感傳感器設備搭載在無人機平臺上，同樣對油氣管線自動巡檢的實現有著重要意義。

無人機管線巡檢系統是一套利用無人機遙感采集地面管線信息，并對所采集的圖像和數據進行處理分析，能夠實時監測地面管線狀態參數、準確判斷危險隱患點的智能化系統。其關鍵技術包括無人機飛行控制、圖像識別、無線通信、GPS差分定位、GIS多源融合等技術[7-8]。在油氣管線無人機巡檢的應用方面，很多國家和地區已經把該種方式作為一種常態化的油氣管線巡護業務推廣并使用。如英國的CyberHawk公司，為歐洲、美洲、亞洲的許多國家提供石油設施無人機巡檢服務，運營多年，技術成熟，其客戶中不乏殼牌石油等國際大公司；英國陸上石油天然氣組織在2010年研發出flare stacks系統，該無人機巡查系統能夠在油氣設備正常運行時開展巡檢作業，大大降低巡檢的風險；英國石油公司(BP)還在2012年成立專門的研究小組，針對美國境內的阿拉斯加普拉霍灣石油管線進行無人機巡檢系統的研究和運營工作[9]。美國研制的機載激光雷達管線巡檢系統(ALPIS)，采用差分激光雷達傳感器進行巡檢，根據激光回波原理遠程監測空氣中的油氣濃度，并可在地面站實時監控地圖上顯示，同時結合其搭載的GPS系統能夠精準定位泄漏點[10]。此外，還有MDA公司為加拿大的油氣管線設備設施提供監測、巡檢服務，其巡檢無人機主要搭載光學相機與紅外成像儀；Aerostar公司為防止地質災害和不法破壞，采用無人機對阿塞拜疆的巴庫油田周邊的石油管線進行常態化巡檢服務；香港機電工程署對地區內眾多難以到達的油氣管線覆蓋區域進行無人機巡查，并用其無人機搭載的氣體探測器進行泄漏檢測[3]。

近幾年，我國油氣管線和油氣田企業也紛紛開始研究無人機巡檢技術在行業內的應用。中國石油管線公司在這方面起步較早，最早開始在西部的蘭成渝管線中使用無人機遙感技術進行管線巡查、油氣監控，目前還在起草《油氣管線無人機巡護技術規范》，推動無人機巡護油氣管線技術快速發展[11-12]。2016年，上海禾賽光電科技有限公司研發出無人機甲烷遙測系統，能高效檢測出管線油氣泄漏。2020年，天宇經緯科技有限公司選擇中石化華東管網在江蘇地界內的南京至鎮江段管線共83 km作為試驗對象，在無人機巡檢的同時，實現全程5G通信下的網絡化測控和信息分發，強化了無人機巡檢系統的信息化水平[13-14]。

1.2 系統組成

無人機管線巡檢系統的組成，根據其側重功能的不同，可能會在功能性模塊和載荷等方面有一定區別，但基本可分為5個部分：無人機平臺、飛行控制系統、地面控制站、無線通信系統、傳感器載荷。

常見的無人機平臺按照飛行原理可分為固定翼、直升機、多旋翼3種，其在續航能力、飛行速度、飛行高度、靈活性等方面各不相同，根據任務不同應選用不同飛行平臺[15]。多旋翼無人機以其起降對地形要求低、機動靈活、可空中懸停等優點在巡檢中一般應用較多。飛行控制系統一般由全球定位系統(GPS或北斗系統)、慣性導航系統(INS)、多普勒航向參考系統等組成，用于掌握無人機位置、姿態等信息，控制無人機飛行[16]。地面控制站一般用于對飛行參數、傳感器參數的實時監測與控制[17]。無線通信系統是無人機與地面控制站數據傳輸的橋梁，當無人機飛行距離過遠時，可以視情況開設中繼站以保證通信質量。傳感器載荷是無人機采集數據、感知信息的核心，主要包括：光學相機、紅外傳感器、多/高光譜成像儀、合成孔徑雷達、激光雷達[18]等。

本文提出的裝配式管線移位檢測方法，對無人機巡檢系統的硬件設備要求不高，僅需光學相機采集的圖像資料便可完成檢測，具有經濟性、實用性，普通消費級無人機也可適用。

2 裝配式管線移位分析模型

2.1 移位閾值界定

裝配式管線按連接方式不同可分為槽頭式鋼質管線與承插式鋼質管線。在受到外力產生移位后，如果相鄰兩根管子間的偏轉角度超過管子接頭最大允許偏轉角(槽頭式為4°，承插式為2°)，則管線接頭極易發生泄漏、脫落、斷裂等安全隱患。

2.2 移位特征分析模型

一段鋪設基本為直線狀的地面管線受到較大外力沖擊時，通常會發生如圖1所示的移位變化，其中，受力中心管段呈同向彎曲(與沖擊外力同向)，如圖中ABC段，而其兩端的管子由于受到線路其余管子的約束，呈反向彎曲狀態，如圖中CDE段。

圖1 管線移位分析圖

對于同向彎曲管段ABC，假設彎曲段管子數量為N，各管子之間的偏轉角度均為φ,取彎曲段對稱的一半進行分析，若不考慮管子自身的彎曲變形，則管子①兩端的相對偏移量為：

(1)

管子②兩端的相對偏移量為

(2)

管子③兩端的相對偏移量為

(3)

依次類推，第N/2根管子(N為偶數)兩端的相對偏移量為

(4)

因此，對于總管子數為偶數根N的彎曲段ABC，其彎曲矢度為

y=Δy1+Δy2+Δy3+…+ΔyN/2=

(5)

式中:y為同向彎曲管段的彎曲矢度；l為單根管子長度，一般為6 m；φ為管子之間的偏轉角；N為同向彎曲管段內偶數管子總根數。

若同向彎曲管數為奇數，則彎曲段中間一根管子呈平直狀態；減去該管后，彎曲管數量成為偶數，彎曲管段的彎曲矢度則為

(6)

式中N′為奇數彎曲管數。

若管線發生移位使管子間的偏轉角達到最大允許值，則不同管子數量時，該管段的允許彎曲矢度如表1所示。

表1 管段允許最大彎曲矢度對照表 m

因此，測量同向彎曲管段的實際彎曲矢度，根據該管段管子根數，可判斷其是否超過表1所示的允許值，若超過，則報警提示巡線人員重點關注。

對于反向彎曲的管段CDE，其最遠端C偏離原管線位置EF的距離為

(7)

式中:z為反向彎曲管段的最大偏移量；M為反向彎曲管子總根數。

與前述方法相同，測量反向彎曲管段的最大偏移量z，根據該管段管子根數，可得到管子之間的偏轉角，若其超過相應管子的最大允許折角，則報警。

3 功能實現及驗證

3.1 功能模塊開發

管線移位分析功能模塊以Visual Studio 2013開發環境和Qt5.7 圖形用戶界面應用程序框架為平臺，采用 C++開發，運行環境支持Windows 7與windows 10。具體功能實現流程如圖2所示。

圖2 管線移位分析流程框圖

3.2 功能操作與實現

打開軟件，導入拼接完成后的實景圖，在實景圖上，先點擊未發生偏移的管子兩端，確定管線的原始未偏移走向，再點擊偏移(或彎曲)管段的最遠偏離點，彈出圖3所示界面；計算(清點)偏移(或彎曲)管段中的管子根數，將其輸入圖3所示界面“輸入管子根數”欄中，并選擇管線類型(承插管線或槽頭管線)，點擊“計算”按鈕，軟件界面自動彈出計算分析結果。如果結論顯示該管段“危險”，表明應該前往現場檢查處理；如果結論顯示“安全”，則進一步對該管段內相鄰管子偏轉明顯的接頭進行偏轉角度檢查，如圖4所示。

圖3 管線移位分析操作界面

圖4 管線接頭偏轉角度測量操作界面

3.3 實驗驗證及結果分析

選擇在空曠場地進行實驗驗證，采用槽頭式鋼制管線，管線根數為8根。巡檢用無人機型號為WK6-1550，該六旋翼無人機外形如圖5所示。

圖5 實驗用巡檢無人機

無人機掛載為CCD相機SNOYA-5100如圖6所示，該相機質量僅0.3 kg，具有了高清變焦功能，有效像素不低于2 430萬；快門速度可達30-1/3 200 s，支持遙控一鍵拍照、錄像等功能。此款相機能夠滿足管線線路巡檢的精確拍攝要求，并能實時傳回高清圖像資料。

圖6 載荷SONYA-5100 CCD相機

實驗過程，將8根槽頭式管線連接完畢后，人工調整每根管線間的偏轉角度，再通過無人機巡檢系統進行航拍，將采集的圖像導入開發的管線移位分析軟件進行建模分析；重復進行20組。部分實驗過程管線情況如圖7—9所示。

圖7 實驗管線場景圖1

圖8 實驗管線場景圖2

圖9 實驗管線場景圖3

實驗結果如表2所示。

表2 實驗結果

在實驗結果為安全的管段中，有2處存在某接頭處明顯彎曲角度過大情況，經測量大于4°，也應進行調整。

實驗結果表明，通過提出的數學模型及軟件對無人機巡檢圖像中的管線移位情況進行分析，操作簡單，數值精確，分析可量化，明顯優于人工判斷的分析方式。

4 結論

裝配式管線輸送介質通常為成品油料，對安全性要求高，同時管線分布地域廣、點多線長、部分區域條件惡劣，給巡檢工作帶來一定難度。使用無人機對裝配式管線進行巡檢作業，能夠克服人工巡檢速度慢、視野窄、特殊地域難到達等缺點，達到提升效率的目的。

本文提出的基于無人機采集圖像分析管線移位情況的方式，能將原本憑經驗檢測的內容以量化數據形式顯示，對管線安全隱患的快速判別預警有重要作用。經過驗證，該方法有較強可行性和實用性，能夠有效提升裝配式管線輸送過程的安全性、可靠性。

下一步研究還需探索新方式、新算法，加強無人機巡檢系統的數據處理、分析能力，提升系統智能化水平，使管理者能夠實時掌握全線情況，及時排查隱患管段，快速發現線路泄漏、跑油等事故，并根據情況合理分配搶修維護力量。