無人機(jī)油氣管道巡線系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用策略研究

馬曉濤

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100000

無人機(jī)是指無需機(jī)載手動(dòng)控制（通過遙控或自主控制）的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和可重復(fù)使用的飛行器。無人機(jī)系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺(tái)、遙測、遙控和通信設(shè)備、任務(wù)載荷、信息處理設(shè)備和各種保障設(shè)備組成。無人機(jī)是航空技術(shù)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。無人機(jī)行業(yè)之所以能夠成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的行業(yè)并得到快速發(fā)展，核心因素是信息技術(shù)在航空行業(yè)的全面滲透。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、作業(yè)空間數(shù)字化、飛行平臺(tái)智能化將成為無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅僅是在交通領(lǐng)域的范式，逐漸形成了“無人機(jī)+”的新型生產(chǎn)方式、服務(wù)業(yè)態(tài)和與無人機(jī)相關(guān)的作戰(zhàn)方式。本文探究了無人機(jī)油氣管道巡線系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用策略，對(duì)于提升油氣管道的安全性有重要的價(jià)值。

1 無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)原理

無人機(jī)遙感技術(shù)指的是無人機(jī)技術(shù)與遙感技術(shù)的有效融合，使用無人駕駛飛行器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)以及遙感應(yīng)用技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化以及專用化，從而快速的得到國土資源、地震災(zāi)區(qū)、自然環(huán)境等相關(guān)空間遙感信息，同時(shí)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模和分析的應(yīng)用技術(shù)。因?yàn)闊o人機(jī)遙感系統(tǒng)具備了快速、機(jī)動(dòng)和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，當(dāng)前被廣泛的用于航空攝影測量中，同時(shí)也逐漸成為了油氣管道巡檢領(lǐng)域的常用技術(shù)手段。

無人機(jī)航測則是使用無人機(jī)系統(tǒng)攜帶航攝相機(jī)等相關(guān)設(shè)備，快速得到地表的信息，獲取高精度定位數(shù)據(jù)以及超高分辨率的數(shù)字影像，產(chǎn)生三維景觀模型、三位正射影像圖、DEM、三維可視化數(shù)據(jù)等，有助于在多種環(huán)境下實(shí)施應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。無人機(jī)巡檢則是依托無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活以及適應(yīng)能力強(qiáng)等特征，加之無人機(jī)系統(tǒng)可以搭載各種型號(hào)的傳感器，可以有效巡檢油氣管線，尤其是對(duì)人員無法達(dá)到的復(fù)雜地形區(qū)域，和地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的區(qū)域，實(shí)施有效預(yù)警，避免多種不安全因素對(duì)于油氣管線所產(chǎn)生的破壞作用。無人機(jī)巡檢機(jī)型選擇較為便捷，有多旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)等，固定翼無人機(jī)多用于常規(guī)巡檢，比如監(jiān)測管線周圍是否存在地質(zhì)災(zāi)害和施工的情況。多旋翼無人機(jī)則經(jīng)常被用于應(yīng)急性巡檢，比如突發(fā)事故。在實(shí)踐操作層面，多旋翼無人機(jī)能夠在培訓(xùn)以后進(jìn)行單人操作，其在突發(fā)事件中有著顯著的優(yōu)勢。利用機(jī)載圖傳系統(tǒng)，無人機(jī)到達(dá)制定航點(diǎn)以后能夠進(jìn)行懸停，對(duì)現(xiàn)場完成實(shí)時(shí)拍攝，并傳送畫面，在緊急處理過程中有著較大優(yōu)勢。

2 無人機(jī)油氣管道巡線系統(tǒng)的優(yōu)勢和局限性

圖1 無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)

相較于其他技術(shù)，無人機(jī)技術(shù)在監(jiān)測能源基礎(chǔ)設(shè)施方面具有一定優(yōu)勢，但也存在局限性。無人機(jī)的優(yōu)勢在于成本更低、操作安全性和任務(wù)靈活性都更高。而地面和載人航測技術(shù)的成本則相對(duì)較高，載人航測的安全性和靈活性也較差。此外，傳統(tǒng)的空中平臺(tái)容易受到風(fēng)、云和氣候因素的限制，而無人機(jī)通常在150 米以下的高度運(yùn)行，因?yàn)轱w行高度低于云層，使得其可以提供高分辨率的圖像。此外，一些無人機(jī)是防水的，可以在極端天氣條件下飛行（例如 -33℃ 的溫度和50 公里/小時(shí)的風(fēng)速），為風(fēng)暴、北極、沙漠等惡劣氣候中的載人飛行提供了安全的替代方案。耐久性是無人機(jī)商業(yè)運(yùn)營的主要關(guān)注點(diǎn)，無論是在天氣條件還是再利用方面。無人機(jī)要保證能夠在很寬的溫度范圍和強(qiáng)風(fēng)條件下正常運(yùn)行。但氣體羽流的性質(zhì)決定了它可能最適合在低風(fēng)條件下進(jìn)行巡查。無人機(jī)損壞是導(dǎo)致其無法重復(fù)使用的限制因素，無人機(jī)在調(diào)查結(jié)束時(shí)飛機(jī)通過降落傘著陸時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)某種形式的損壞。使用反光帶的方法有助于最大程度地減少對(duì)激光對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生影響的硬著陸問題；然而，最好減少發(fā)射和著陸以盡量減少損壞風(fēng)險(xiǎn)。未來的發(fā)展將著眼于使用兼具旋翼控制和固定翼續(xù)航能力的混合無人機(jī)系統(tǒng)，混合無人機(jī)在著陸期間可以提供更好的控制。

目前，無人機(jī)在使用過程中的最大限制在于缺乏在非隔離空域（即與有人駕駛飛機(jī)共享空間）允許其飛行的立法和法規(guī)。這一限制因素主要和飛行安全有關(guān)，因?yàn)闊o人機(jī)缺乏機(jī)載能力，因此無法感知和避開其他飛機(jī)。其他有待解決的方面包括數(shù)據(jù)保護(hù)和侵犯隱私權(quán)的問題。此外，人們對(duì)該技術(shù)的安全性及其發(fā)生事故的可能性持保留意見。當(dāng)前，各大無人機(jī)企業(yè)和學(xué)術(shù)研究正在致力于開發(fā)感知和避免技術(shù)，并且各個(gè)國家還在嘗試構(gòu)建無人機(jī)相關(guān)立法體系。用于監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施的無人機(jī)技術(shù)的其他局限性在于技術(shù)方面，例如需要專業(yè)知識(shí)、缺乏標(biāo)準(zhǔn)以及圖像分析技術(shù)范圍不夠完善等。

3 無人機(jī)油氣管道巡線系統(tǒng)的發(fā)展

配備相關(guān)傳感器的無人機(jī)可以作為傳統(tǒng)檢測技術(shù)的絕佳替代品。它不僅可以節(jié)省時(shí)間，還可以降低成本。北海勘探公司進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查表明，使用無人機(jī)檢查資產(chǎn)可以比傳統(tǒng)檢查方法快20 倍，成本降低一半。這種方法在石油和天然氣行業(yè)的檢油氣管道巡檢中應(yīng)用比較廣泛。到目前為止，所有的商用巡檢無人機(jī)都是手動(dòng)控制的。在檢查過程中，無人機(jī)將由一名經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員控制，而現(xiàn)場巡檢視頻由另一名經(jīng)驗(yàn)豐富的檢查工程師監(jiān)控。

BP、殼牌、阿帕奇、BG集團(tuán)、挪威國家石油公司等世界著名油氣公司均與世界領(lǐng)先的無人機(jī)巡檢技術(shù)Cyber hawk合作，對(duì)其設(shè)施進(jìn)行巡檢。Cyber hawk 使用的英特爾 Falcon 8 plus 已顯示出可靠且高效的性能。英特爾獵鷹 8 plus 擁有專利的 V形設(shè)計(jì)，帶有八個(gè)旋翼，使無人機(jī)更加穩(wěn)定，并確保數(shù)據(jù)采集過程暢通無阻。通過搭載三個(gè)采用高效數(shù)據(jù)融合技術(shù)的冗余慣性測量單元（IMU），無人機(jī)可以在飛行過程中保證及時(shí)的響應(yīng)性和可靠的穩(wěn)定性。檢查模塊由 RGB 相機(jī)和熱像儀組成，可幫助無人機(jī)導(dǎo)航，同時(shí)捕獲用于檢查管道和進(jìn)一步分析的3D重建的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

另一個(gè)值得注意的檢查無人機(jī)是 ELIOS，這是 Flyability 開發(fā)的第一款耐碰撞無人機(jī)。這架無人機(jī)被碳纖維外殼包圍，可以保護(hù)機(jī)體免受碰撞。當(dāng)與障礙物碰撞時(shí)，無人機(jī)會(huì)彈開并沿表面滾動(dòng)以尋找路徑。更重要的是，它利用高清攝像頭、熱像儀和LED照明系統(tǒng)，在任何光線條件下都可以完成檢測任務(wù)。在無人機(jī)檢測過程中，一架無人機(jī)需要兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師管理。如果無人機(jī)檢查任務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，那么不僅可以加快檢查過程，還可以通過降低工程人工費(fèi)用和最大限度地減少人為操作失誤造成的事故來提高成本效率。

此外，國外研究人員還開發(fā)了一種無人機(jī)自主跟蹤和導(dǎo)航控制器，用于檢查石油和天然氣管道。他們的自動(dòng)化系統(tǒng)包含四個(gè)部分：首先，高斯梯度用于提取圖像序列中對(duì)象的邊緣。其次，隱含HT來識(shí)別流水線。之后，設(shè)計(jì)PID控制器實(shí)現(xiàn)角度和橫向校正，確保無人機(jī)的位置和方向與管道對(duì)齊。最后，實(shí)現(xiàn)了沿管道的自動(dòng)導(dǎo)航。

3 無人機(jī)油氣管道巡線系統(tǒng)的應(yīng)用策略

合理選擇用于監(jiān)測石油和天然氣管道的巡線系統(tǒng)取決于一系列因素。最重要的是完成監(jiān)測任務(wù)所需的信息類型。例如，用于檢查基礎(chǔ)設(shè)施的視覺記錄、用于監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的溫度或樹冠顏色等物理參數(shù)。周圍環(huán)境的物理特性（例如可達(dá)性、地形粗糙度、到目標(biāo)管道的距離）可能會(huì)限制某些系統(tǒng)或配置的使用（例如有限的耐力）。此外，當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和無人機(jī)組件的兼容性，對(duì)于專為特定任務(wù)配置的無人機(jī)系統(tǒng)也非常重要。

3.1 常規(guī)油氣管道巡檢

對(duì)于距離較近的油氣管道巡檢，需要短距離飛行以實(shí)現(xiàn)對(duì)該位置的詳細(xì)觀察，小型輕便的低空無人機(jī)是最恰當(dāng)?shù)倪x擇。所需的飛行高度非常低（<50m），因?yàn)槿蝿?wù)的重點(diǎn)是觀察地面或附近的管道（5～10m）。在這種情況下，由電池供電并為傳感器供電的具有高機(jī)動(dòng)性的微型多軸飛行器就足夠了（例如 DJI Phantom 3、Aibotix Aibot X6）。操作者應(yīng)備有備用電池以備更換。高分辨率相機(jī)（例如 Photonis Nocturn U3、MD、GV）或帶有動(dòng)態(tài)傳輸?shù)囊曨l（例如 GoPro Hero4、Walkera QR X350）可以直觀地識(shí)別受損的基礎(chǔ)設(shè)施。

3.2 監(jiān)測泄漏的短距離巡檢

對(duì)于短到中等長度管道的監(jiān)測，無人機(jī)的高度通常需要維持大約 100 米的高度（通常在云層以下）。因?yàn)橛蜌夤艿赖谋O(jiān)測任務(wù)通常為重復(fù)和周期性的，飛行計(jì)劃則是固定而又明確的。在這種情況下，固定翼無人機(jī)（例如 Trimble UX5）是恰當(dāng)?shù)倪x擇，配備可見光和紅外攝像機(jī)。監(jiān)測的過程中要注重?cái)?shù)據(jù)的記錄，以便與以前和未來的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并使用自動(dòng)算法觀察監(jiān)測數(shù)值和狀態(tài)的變化。對(duì)于小于 100 公里的大型油氣管道，需要具有更長續(xù)航能力的無人機(jī)巡線系統(tǒng)。可選擇旋翼微型無人機(jī) Camcopter S-100 ，它具有高度的靈活性和荷載量，能夠通過 DInSAR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在地面沉降監(jiān)測。

3.3 監(jiān)測環(huán)境狀況的長距離巡檢

因?yàn)閱蝹€(gè)小型無人機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測能力的束縛，監(jiān)測偏遠(yuǎn)地區(qū)長管道（約數(shù)百公里）的難度較大，需要定期觀察以檢測損壞或故障。借助現(xiàn)有的無人機(jī)技術(shù)，這種監(jiān)控場景通常由在受控空域中運(yùn)行的大型無人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，因此必須在系統(tǒng)化的空中交通管制環(huán)境中實(shí)施。大型無人機(jī)可以由多種發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，借助燃料和電池提供動(dòng)力。由于無人機(jī)在 1000 米以上運(yùn)行，通常不在云層以下，因此需要使用雷達(dá) （SAR） 傳感器，光學(xué)/紅外傳感器系統(tǒng)可以予以補(bǔ)充。該設(shè)備又需要適當(dāng)?shù)挠行лd荷能力，圖像處理和特征提取工作可能比以前的場景更復(fù)雜，因?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)需要更專用和更具體的軟件進(jìn)行處理。相信在不遠(yuǎn)的將來，大規(guī)模的小型無人機(jī)能夠執(zhí)行這種監(jiān)測任務(wù)，其中單獨(dú)的無人機(jī)以中繼系統(tǒng)的形式進(jìn)行連接。想要實(shí)現(xiàn)這些功效，需要進(jìn)行一些技術(shù)改進(jìn)。首先，將每個(gè)管段末端作為基站充電，在天氣條件惡劣的情況下具備自主決定充電或返回基地的能力，該領(lǐng)域的工作已經(jīng)完成，小型無人機(jī)群技術(shù)的可行性已經(jīng)通過測試，展示了單個(gè)飛行器收集和使用數(shù)據(jù)的過程中，不同無人機(jī)可以相互通信，從而完成統(tǒng)一任務(wù)。一旦技術(shù)成熟，成群的小型無人機(jī)預(yù)計(jì)將在救援行動(dòng)中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)束語

油氣管道巡線系統(tǒng)是無人機(jī)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。無人機(jī)技術(shù)將會(huì)替代傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，如徒步巡邏和空中勘測。依托多平臺(tái)設(shè)計(jì)模式，無人機(jī)系統(tǒng)正在發(fā)展成為用于密切檢查基礎(chǔ)設(shè)施和重復(fù)監(jiān)視環(huán)境的高效工具，可用于檢測、表征和跟蹤油氣泄漏部位。改進(jìn)無人機(jī)的電池電量可以保證其執(zhí)行更長或更高功率要求的任務(wù)。整體來看，無人機(jī)將來在油氣管道的檢測、監(jiān)測和維護(hù)中發(fā)揮更加重要的作用。