無(wú)人機(jī)在石油石化領(lǐng)域的應(yīng)用分析

雷 珂,陳義保

(煙臺(tái)大學(xué) 機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

在人類航空事業(yè)的發(fā)展史上,無(wú)人機(jī)已成為載人飛行器的一個(gè)重要分支。從1903年萊特兄弟創(chuàng)造的原始雙翼飛機(jī)滑跑起飛成功開(kāi)始,再到現(xiàn)在無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)勢(shì)崛起,無(wú)人機(jī)已經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的洗禮。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)政策法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái),經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)先輩不斷探索和實(shí)踐,迄今無(wú)人機(jī)不僅僅局限于軍事領(lǐng)域,也在遙感航拍、通信中繼、森林防火、環(huán)境監(jiān)測(cè)和快遞服務(wù)等諸多民用領(lǐng)域中得到了不同程度的應(yīng)用[1-5]。國(guó)家工業(yè)發(fā)展離不開(kāi)眾多產(chǎn)業(yè)的支持,而石油石化產(chǎn)業(yè)占有舉足輕重的地位。一方面石油、天然氣等能源為工業(yè)發(fā)展提供不竭的動(dòng)力,另一方面大部分其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都與石油石化產(chǎn)品密切相關(guān)。筆者分析無(wú)人機(jī)在中國(guó)石油石化領(lǐng)域中的應(yīng)用前景及其發(fā)展趨勢(shì)，以期為石油石化領(lǐng)域的發(fā)展保駕護(hù)航,從而為國(guó)家能源新的發(fā)展發(fā)揮重要作用。

1 無(wú)人機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)即無(wú)人駕駛飛機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,簡(jiǎn)稱UAV),是一種以無(wú)線電遙控(半自助控制方式)或由自身程序控制為主(全自主控制方式)的無(wú)人(不搭載駕駛員)飛行器。在萊特兄弟完成了原始雙翼飛機(jī)試飛的十多年后的1917年,皮特庫(kù)柏(Peter Cooper)和埃爾默A斯佩里(Elmer A. Sperry)發(fā)明了世界上第一臺(tái)自動(dòng)陀螺穩(wěn)定器,這種裝置解決了飛行器的飛行平衡問(wèn)題,美國(guó)海軍將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于寇蒂斯N-9型教練機(jī)上,成功改造出世界上首架由無(wú)線電控制的不載人飛行器,從而揭開(kāi)了無(wú)人飛行器的發(fā)展新篇章[6]。1935年英國(guó)皇家空軍設(shè)計(jì)了一款名為蜂王號(hào)的無(wú)人機(jī),通過(guò)技術(shù)改進(jìn)使得無(wú)人機(jī)能夠回到起飛點(diǎn),便于回收無(wú)人機(jī)并重復(fù)使用,自此無(wú)人機(jī)的應(yīng)用真正進(jìn)入實(shí)用化階段。二戰(zhàn)期間,由于戰(zhàn)爭(zhēng)需要,1944年德國(guó)工程師設(shè)計(jì)了一款可攜帶炸藥的高速不載人飛行器即著名的V1有翼飛彈,使得無(wú)人機(jī)的應(yīng)用邁入了一個(gè)嶄新的階段。二戰(zhàn)之后,各個(gè)國(guó)家開(kāi)始意識(shí)到無(wú)人機(jī)具有誘人的應(yīng)用前景,無(wú)人機(jī)的研究和應(yīng)用逐漸在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到不同程度的發(fā)展。尤其是美國(guó)在當(dāng)時(shí)擁有雄厚的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)基礎(chǔ),而且獲得了德國(guó)的部分先進(jìn)技術(shù),再加上極具前瞻性的無(wú)人機(jī)發(fā)展規(guī)劃,先后研發(fā)了用于各種軍事用途的無(wú)人機(jī)型,如火蜂原型機(jī)XQ-2、黑鳥(niǎo)系列、MQ捕食者、RQ-7B幻影、全球鷹和RQ-170哨兵號(hào)等,使得無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用被美國(guó)人推向了極致,其眾多型號(hào)軍用無(wú)人機(jī)已成為當(dāng)時(shí)的應(yīng)用典范,為美國(guó)軍事發(fā)展注入一股強(qiáng)心劑,這可謂無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的最好佐證[7]。

但是無(wú)人機(jī)是一個(gè)大家族,按不同的使用領(lǐng)域來(lái)劃分,無(wú)人機(jī)則可分為軍用級(jí)、工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)三大類,總體來(lái)說(shuō)軍用級(jí)性能要求最高,工業(yè)級(jí)次之,消費(fèi)級(jí)最低。雖然無(wú)人機(jī)最大的市場(chǎng)需求主要還是來(lái)自于軍事領(lǐng)域,但近幾年來(lái)民用無(wú)人機(jī)迅速發(fā)展,其成績(jī)斐然,并開(kāi)始與其他行業(yè)緊密融合。以發(fā)展迅速的快遞行業(yè)為例,國(guó)外快遞巨頭美國(guó)亞馬遜公司已率先開(kāi)始探索并嘗試將無(wú)人機(jī)應(yīng)用在物流領(lǐng)域,該公司有一項(xiàng)名為Prime Air的無(wú)人機(jī)項(xiàng)目,其目的是測(cè)試無(wú)人機(jī)能夠在較短的時(shí)間配送顧客在亞馬遜網(wǎng)站上網(wǎng)購(gòu)的商品,希望可以在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的快遞行業(yè)占得先機(jī),且于2013年12月發(fā)布了試驗(yàn)視頻,引起了廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)最大的快遞公司之一的順豐速運(yùn)公司也緊跟快遞無(wú)人機(jī)應(yīng)用的潮流,自主研發(fā)了一款能夠低空飛行自動(dòng)送貨的無(wú)人機(jī),其特點(diǎn)是飛行高度約為100 m,位置誤差能控制在2 m以內(nèi),希望通過(guò)無(wú)人機(jī)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的配送問(wèn)題,提高快遞效率,節(jié)約成本[7]。隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的不斷提高,無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域中的需求必將會(huì)呈現(xiàn)出一種快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。來(lái)自美國(guó)Teal集團(tuán)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[8]:2014年全球無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到64億美元,預(yù)計(jì)到2023年將增長(zhǎng)至115億美元,其中民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)份額將會(huì)逐步擴(kuò)大,約占2023年市場(chǎng)總額的14%左右。

雖然目前無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域不同行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展參差不齊,但業(yè)已證明無(wú)人機(jī)具有不可估量的商業(yè)價(jià)值和應(yīng)用潛力,這必將引發(fā)各民用行業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究的極大熱情。

2 無(wú)人機(jī)應(yīng)用分析

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)健增長(zhǎng),國(guó)家對(duì)石油能源和石油石化產(chǎn)品的需求日益增加。與此同時(shí)作為輸送工業(yè)能源的油氣管道在中國(guó)已形成覆蓋全國(guó)東西南北,聯(lián)通多個(gè)海外國(guó)家的管網(wǎng)格局。根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)顯示[9]:時(shí)至2015年,中國(guó)管道輸油(氣)里程已達(dá)到了10.87×104km,是地球赤道周長(zhǎng)的2.7倍多。中哈原油管道和中俄原油管道,至今已累計(jì)向國(guó)內(nèi)輸送原油數(shù)千萬(wàn)噸[10-11]。無(wú)人機(jī)可以憑借其優(yōu)越性能配合當(dāng)下先進(jìn)的遙感、圖像處理、通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),便于石油石化領(lǐng)域的應(yīng)用推廣[12-14]。

現(xiàn)代民用領(lǐng)域無(wú)人飛行器按照技術(shù)來(lái)劃分主要有固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)、撲翼式無(wú)人機(jī)六大類[8]。而前三類可以較好地應(yīng)用于石油石化領(lǐng)域,其中固定翼無(wú)人機(jī)是目前的主流產(chǎn)品,其最大優(yōu)勢(shì)是飛行速度快;無(wú)人直升機(jī)則靈活性最強(qiáng),可以原地垂直起降和空中懸停;多旋翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)介于固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)之間,操作簡(jiǎn)單、成本較低。因此,無(wú)人機(jī)應(yīng)用于石油石化行業(yè)之中(如油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢、油氣管道沿線地貌勘察、突發(fā)事故應(yīng)急巡查等方面),與常規(guī)工程應(yīng)用相比,具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2.1 油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢

油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢是指相關(guān)的安全管理部門(mén)定期巡視和檢查其管轄范圍內(nèi)的油氣輸送管道和石化產(chǎn)區(qū)內(nèi)的作業(yè)設(shè)備、儲(chǔ)油設(shè)施等,巡檢的內(nèi)容大致包括油氣管道和石油產(chǎn)區(qū)附屬設(shè)備損壞或腐蝕情況,以及統(tǒng)計(jì)清查管道與設(shè)備的使用年限是否超期,以保證油氣輸送的安全,防止事故的發(fā)生。石油石化行業(yè)所涉及的原料和產(chǎn)品大多是高溫高壓、易燃易爆有毒的危險(xiǎn)品,規(guī)模龐大,設(shè)備復(fù)雜,極有可能微小的事故就會(huì)造成重大影響,甚至是災(zāi)難性的。

傳統(tǒng)的油氣管道巡檢工作一直主要采用人工巡檢的工作方式,又稱為一表制。即在油氣管道沿線設(shè)置巡檢點(diǎn),巡檢人員每到一個(gè)巡檢點(diǎn)就記錄該點(diǎn)的巡檢結(jié)果,最后巡檢人員返回管道管理處將所有的巡檢結(jié)果匯總統(tǒng)計(jì)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,目前已經(jīng)利用管道泄露檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸油管道是否泄露等情況,從而在一定程度上減輕了巡檢人員工作負(fù)擔(dān),提高了其工作效率。但這種監(jiān)測(cè)手段只能在事故發(fā)生后才能察覺(jué),就如何防范于未然,仍然需要派出巡檢人員實(shí)地巡查。這種人工巡檢工作方式極大地受限于管道距離長(zhǎng)、范圍廣、環(huán)境復(fù)雜等因素影響。無(wú)人機(jī)憑借其跨越地形、超遠(yuǎn)距離、快速到達(dá)的能力,必將成為未來(lái)油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)巡檢高效手段之一[15]。

無(wú)人機(jī)油氣管道巡檢方式大致可分為兩階段。第一階段是實(shí)時(shí)巡檢,巡檢人員通過(guò)地面站或監(jiān)控中心給無(wú)人機(jī)發(fā)送命令控制無(wú)人機(jī)飛行作業(yè),飛行路徑沿著待巡檢的管道,在飛行的過(guò)程操縱無(wú)人機(jī)自身搭載的專業(yè)航拍設(shè)備(高清攝像機(jī)、紅外熱像儀等),拍攝獲得真實(shí)的油氣管道影像資料,并回傳到地面站或監(jiān)控中心,同時(shí)巡檢人員就可以實(shí)時(shí)觀察到管道的真實(shí)情況。在這一階段可以快速及時(shí)地發(fā)現(xiàn)管道安全隱患。第二階段就是將巡檢結(jié)果進(jìn)行后置處理,即將第一階段中所獲得的管道影像資料使用專業(yè)圖像處理軟件,繪制出整套的油氣管線無(wú)人機(jī)航測(cè)圖,以便后期的統(tǒng)計(jì)和分析。長(zhǎng)慶油田于2016年7月至8月采用固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)等多款機(jī)型進(jìn)行多次無(wú)人機(jī)石油管路巡線試驗(yàn),探索無(wú)人機(jī)在管線巡查中的適應(yīng)性。結(jié)果表明[16],通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行管線巡查能大大緩解員工山區(qū)巡護(hù)工作量,減少事故發(fā)生的概率和人員損傷的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)采用無(wú)人機(jī)巡檢改善了在崎嶇地區(qū)傳統(tǒng)依靠目測(cè)或望遠(yuǎn)鏡徒步巡護(hù)的情況,解決了巡檢人員無(wú)法靠近的管道泄漏區(qū)域的巡檢難題。對(duì)油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)開(kāi)展無(wú)人化巡檢工作,加入到安全管理的系統(tǒng)之中,更有利于提高巡線效率,減輕人員工作量,維護(hù)管道和產(chǎn)區(qū)的安全運(yùn)行。

2.2 油氣管道沿線地貌勘察

油氣管道沿線地貌勘察是指在管線鋪設(shè)之前和管線維護(hù)之時(shí),通過(guò)勘察沿線各地段的地質(zhì)地貌特征,分析出不良地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性、發(fā)生原因和擴(kuò)散范圍等問(wèn)題,并就如何防治或整治不良地質(zhì)現(xiàn)象提出必要的建議措施,也可以判定沿線環(huán)境水土對(duì)管道建筑材料的腐蝕危害程度。

傳統(tǒng)的地貌勘察方法主要采用人工方式,需要勘察人員進(jìn)行實(shí)地考察,采集當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)樣本、水質(zhì)樣本等資料,這種勘察方法不僅工作量大而且條件艱苦,特別是對(duì)山區(qū)、河流、沼澤以及無(wú)人區(qū)等地的油氣管道的地貌勘察,或是在冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡、夜晚期間地貌勘察,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且有一些復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的勘察項(xiàng)目(如地下物探、化探等)依靠常規(guī)方法還難以完成。另外,由于管道沿線自然環(huán)境(主要指管道沿線地貌)和社會(huì)環(huán)境(主要指管道途經(jīng)的城市和鄉(xiāng)村)時(shí)過(guò)境遷,有可能隨著管道沿線人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)持續(xù)活躍,所穿越的人類定居點(diǎn)周圍的人口密度增大,道路、建筑物增多,綠化帶覆蓋率增加,管道檢查工作變得越來(lái)越困難,導(dǎo)致部分管道腐蝕老化加重卻無(wú)法得到及時(shí)的勘察和維護(hù)。

隨著國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)規(guī)模范圍的不斷增加,管道施工技術(shù)及裝備更加先進(jìn)。但是由于油氣管道鋪設(shè)可能位于復(fù)雜特殊地形地貌,必然會(huì)對(duì)施工質(zhì)量和效率帶來(lái)一系列的影響[17-18]。采用現(xiàn)代化無(wú)人機(jī)技術(shù),通過(guò)地面站或遙控器操控?zé)o人機(jī)對(duì)管道沿線地貌進(jìn)行巡航飛行,利用航拍設(shè)備可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空間信息、地貌信息和地理信息的回傳,另外，無(wú)人機(jī)又可以搭載物質(zhì)采集裝置(如機(jī)械臂,液體收集器等)將所需的勘察資料迅速帶回,能有效降低工作強(qiáng)度,極大提高地貌勘察工作效率。

2.3 突發(fā)事故應(yīng)急巡查

突發(fā)事故應(yīng)急巡查是指在面對(duì)油氣管道和石化產(chǎn)區(qū)發(fā)生事故、災(zāi)害等突發(fā)事故時(shí),安全管理部門(mén)能夠借助巡查手段在第一時(shí)間了解到現(xiàn)場(chǎng)情況,根據(jù)應(yīng)急預(yù)案做出相應(yīng)的應(yīng)急措施,盡可能地減輕事故影響和降低災(zāi)害損失。輸油管線的泄露極大地威脅著群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全,2014年6月30日晚7時(shí)許,位于遼寧省大連市金州新區(qū)的中石油新大一線輸油管線發(fā)生爆裂,原油溢出流入市政污水管網(wǎng)導(dǎo)致爆炸起火,濃重的汽油味彌漫在遼寧大連金州開(kāi)發(fā)區(qū)空中,輸油管中的石油從地下水管線返到地面,并引發(fā)重大火災(zāi)[19]。同樣輸油管道的另一個(gè)安全影響因素就是盜油事故,看似只是在油管打一個(gè)小孔,卻對(duì)國(guó)家財(cái)產(chǎn)和管道安全造成極其嚴(yán)重的威脅。首先是破壞了管道的防腐層,這必將加快管道的腐蝕速度,降低管道使用壽命。其次盜油事故極可能引起輸油管道阻塞,更為嚴(yán)重的是引發(fā)起火爆炸,導(dǎo)致國(guó)家能源動(dòng)脈被破壞,煉油廠無(wú)油可用,設(shè)備停產(chǎn),其損失不可估量[20]。

對(duì)于輸油管道漏油、起火爆炸等突發(fā)事故目前主要依靠油氣管道或石化產(chǎn)區(qū)的安全管理部門(mén)巡查監(jiān)控管理,并依靠當(dāng)?shù)叵拦膊块T(mén)的緊急救援,兩者缺一不可,而且這些部門(mén)單位對(duì)于輸油管道漏油、起火爆炸等事故處理早已形成比較完備的應(yīng)急預(yù)案,有些學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的對(duì)策分析[21-23]。一般情況下,起火爆炸類事故往往伴隨著明火、煙云和爆音現(xiàn)象,比較明顯且易于察覺(jué),但輸油管道的漏油事故應(yīng)急巡查則會(huì)受限于多種因素(黑夜、大霧等)影響。因此,如何快速預(yù)警對(duì)于降低事故損失至關(guān)重要。

應(yīng)急消防所面對(duì)的石油化工各類災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)往往瞬息萬(wàn)變。發(fā)生突發(fā)事故的時(shí)候,無(wú)人機(jī)可以快速巡查發(fā)生事故的可疑地段,并通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的航拍設(shè)備實(shí)時(shí)傳回現(xiàn)場(chǎng)的影像資料,應(yīng)急巡查部門(mén)能夠迅速準(zhǔn)確地做出相應(yīng)的事故處理措施。在災(zāi)害事故的處置過(guò)程中,同樣可以利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視追蹤災(zāi)情,為各級(jí)應(yīng)急救援指揮部及時(shí)提供災(zāi)情信息,也可以作為指揮部與救援小組之間的通信中繼,方便現(xiàn)場(chǎng)支援調(diào)度,從而最大限度地減少災(zāi)害事故損失。另外無(wú)人機(jī)可針對(duì)管道偷油情況進(jìn)行應(yīng)急巡查,管道盜油事故發(fā)生地點(diǎn)隨機(jī)性強(qiáng),一般集中在人煙稀少處,無(wú)人機(jī)靈活機(jī)動(dòng),可使用多架無(wú)人機(jī)協(xié)同巡查[24],快速搜尋事故位置,進(jìn)行應(yīng)急處理,保障油氣管道運(yùn)營(yíng)安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然目前無(wú)人機(jī)在石油石化領(lǐng)域的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題制約,譬如民用無(wú)人機(jī)管理的政策法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還需要政府的不斷完善;還有，如果要應(yīng)用到石油石化領(lǐng)域,不能僅僅是簡(jiǎn)單的移植,而是需要結(jié)合石油石化領(lǐng)域特色,研發(fā)定制專用的無(wú)人機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品和其相關(guān)的輔助設(shè)備。當(dāng)然好的無(wú)人機(jī)理念、技術(shù)和設(shè)備也需要積極在石油石化領(lǐng)域大范圍推廣,這樣才能降低成本,促進(jìn)無(wú)人機(jī)在石油石化領(lǐng)域的發(fā)展,也助力石油石化產(chǎn)業(yè)的革新。隨著相關(guān)法律法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái),在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的強(qiáng)力支持下,無(wú)人機(jī)以其出色的性能,在石油石化領(lǐng)域中必將占有一席之地?！盁o(wú)人機(jī)+石油石化”的應(yīng)用發(fā)展模式不僅會(huì)促進(jìn)石油石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也將會(huì)反作用于無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè),共同進(jìn)步。未來(lái)的無(wú)人機(jī)在石油石化領(lǐng)域絕不會(huì)僅僅局限于管道巡檢、地貌勘察、應(yīng)急巡查這幾個(gè)方面,隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人機(jī)在石油石化領(lǐng)域中的應(yīng)用前景必將得到充分體現(xiàn)。

[1] 裴錦華.民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)及其在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2017,30(4):1- 6.

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