無人機(jī)油氣管道巡線應(yīng)用可行性研究

張貴贊 史寧崗 袁勛（中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100000）

徐開（中國長征火箭有限公司，北京 100195）

無人機(jī)油氣管道巡線應(yīng)用可行性研究

張貴贊 史寧崗 袁勛（中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100000）

徐開（中國長征火箭有限公司，北京 100195）

截止到2015年底，中國陸上油氣管道總里程達(dá)到12萬公里，這些管道形成了中國橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、連通海外的油氣管網(wǎng)格局，成為推動中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和造福民生的能源動脈。目前，我國的油氣管道面臨的威脅因素包括管道腐蝕、自然災(zāi)害以及人為破壞。當(dāng)前油氣管道巡檢難以做到全面覆蓋，存在漏洞與安全隱患,迫切需要引入新的技術(shù)手段來加強(qiáng)油氣管道巡檢。本文首先介紹了無人機(jī)油氣管道巡檢現(xiàn)狀與應(yīng)用優(yōu)勢，并重點(diǎn)對可行性與應(yīng)用模式進(jìn)行了分析，最后對近期在山西陽曲區(qū)域進(jìn)行的無人機(jī)油氣管道作業(yè)成果進(jìn)行了介紹。

無人機(jī);油氣管道巡線;應(yīng)用模式

管道是油氣資源配送的主要方式，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。據(jù)統(tǒng)計，截止到2015年底，中國陸上油氣管道總里程達(dá)到12萬公里，其中原油管道約2.3萬公里，成品油管道約2.1萬公里，天然氣管道約7.6萬公里。這些管道形成了中國橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、連通海外的油氣管網(wǎng)格局，成為推動中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和造福民生的能源動脈。威脅管道安全的因素包括管道腐蝕、自然災(zāi)害以及人為破壞。目前，油氣管道的安全保障措施通常以人工巡檢為主，對數(shù)萬公里的油氣管道而言難以做到實(shí)時、全面覆蓋，存在巨大的巡檢漏洞與安全隱患。為了彌補(bǔ)人工巡檢的不足，提升巡檢效率，迫切需要引入新的技術(shù)手段來加強(qiáng)油氣管道巡檢。

1 無人機(jī)油氣管道巡檢系統(tǒng)組成

無人油氣管道巡檢系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺、各類應(yīng)用載荷、數(shù)據(jù)鏈、地面站等軟硬件組成。其中，無人機(jī)平臺是數(shù)據(jù)鏈機(jī)載部分和各類應(yīng)用載荷的空中載體，負(fù)責(zé)為各類設(shè)備提供所要求的工作環(huán)境；應(yīng)用載荷是對地觀測的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)獲取地面監(jiān)測區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)强盏剡B接的通道，負(fù)責(zé)遙控遙測數(shù)據(jù)的上傳與下載；地面站是無人機(jī)地面控制中心，負(fù)責(zé)對無人機(jī)飛行路線的規(guī)劃和實(shí)時控制，同時可兼為無人機(jī)設(shè)備的運(yùn)載平臺。

2 無人機(jī)油氣管道應(yīng)用優(yōu)勢

油氣管道一般呈線形分布，其線路長度通常達(dá)到上百公里，巡檢作業(yè)中主要關(guān)注的是管線本身及周邊一公里范圍內(nèi)的環(huán)境情況。目前管道巡檢工作中以人工巡檢作為主要手段，通常由巡檢工沿管道巡視，檢查管道本體和管道地表環(huán)境，能夠?qū)艿涝O(shè)施精細(xì)監(jiān)測，但巡檢效率較低。為了彌補(bǔ)人工巡檢的局限，提升巡檢效率，石油行業(yè)逐步引入衛(wèi)星遙感、有人機(jī)巡檢等新的技術(shù)手段進(jìn)行管道巡檢。

其中衛(wèi)星遙感應(yīng)用于管道巡檢中覆蓋范圍大，作業(yè)效率高，但衛(wèi)星回轉(zhuǎn)周期較長，難以根據(jù)管線走向運(yùn)行，因此對于突發(fā)情況反應(yīng)周期長，無法進(jìn)行應(yīng)急情況下的監(jiān)測，也無法進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3 無人機(jī)油氣管道巡檢國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國外已有部分國家使用無人機(jī)對長輸油氣管道進(jìn)行常規(guī)化巡檢服務(wù)。北美地區(qū)和里海地區(qū)使用無人機(jī)對管道周邊環(huán)境進(jìn)行日常監(jiān)測，主要防止第三方破壞和地表地質(zhì)活動等影響管道安全。

表1 國外無人機(jī)長輸管道應(yīng)用情況

此外，英國的CyberHawk公司提供小型多旋翼無人機(jī)石油設(shè)施巡檢服務(wù)，使用多旋翼無人機(jī)對陸地、海上油井火炬進(jìn)行精細(xì)監(jiān)測，已進(jìn)行了多年的業(yè)務(wù)化運(yùn)營，在歐洲、北美、亞洲地區(qū)都有業(yè)務(wù)案例，客戶包括殼牌石油等知名公司。

4 無人機(jī)油氣管道巡檢可行性分析

4.1 技術(shù)可行性

自20世紀(jì)80年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測精度高的新型傳感器的不斷面世，以及航空技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)的性能不斷提高。如今的無人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用了自動飛行控制技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)、遙感載荷技術(shù)、遙測遙控通信等先進(jìn)的技術(shù)。

油氣管道距離長且分布廣泛，穿越不同的氣候條件，對無人機(jī)性能提出了更高的要求，具體來說包括：續(xù)航能力、環(huán)境適應(yīng)性、設(shè)備可靠性、大載重能力、新型載荷研制等等。經(jīng)過國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)的不斷研究，當(dāng)前的技術(shù)水平已能滿足基本的油氣管道巡檢需求，有能力成為油氣管道巡檢的重要手段。同時，石油行業(yè)對無人機(jī)需求的不斷增強(qiáng)，將推動技術(shù)水平的進(jìn)一步提升，新材料、新動力、新載荷會不斷涌現(xiàn)，并服務(wù)于石油行業(yè)。更進(jìn)一步，大數(shù)據(jù)、人工智能、態(tài)勢感知、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)的不斷突破，將為無人機(jī)在石油行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)造無限可能。

4.2 政策可行性

我國民用無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展正處在起飛階段，目前我國諸多部門正在推動民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，包括了建立管理部門、發(fā)布適航政策、開展無人機(jī)培訓(xùn)認(rèn)證等。

在空域管理方面，中國空軍有關(guān)部門、中國民用航空總局、無線電管理委員會等單位與部門是空域的管理部門，其中空軍相關(guān)部門與民航總局主要負(fù)責(zé)使用空域管控，航空器適航認(rèn)證管理，無人機(jī)駕駛員審核管理；無線委主要負(fù)責(zé)對無人機(jī)系統(tǒng)使用的通信頻率進(jìn)行管理。

在適航政策方面，自2009年起，國務(wù)院、中央軍委、總參謀部、民航總局等機(jī)構(gòu)頒布一系列政策法規(guī)，包括《關(guān)于民用無人機(jī)管理有關(guān)問題的暫行規(guī)定》、《民用無人機(jī)空中交通管理辦法》、《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》、《通用航空飛行任務(wù)審批與管理規(guī)定》、《輕小無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定》、《民用航空飛行標(biāo)準(zhǔn)管理條例》（征求意見稿）等，在無人機(jī)任務(wù)審批、飛行管理、空域管理等方面做出了規(guī)定，我國無人機(jī)適航在政策上趨于規(guī)范化。

在無人機(jī)培訓(xùn)認(rèn)證方面，民航總局于2014年4月委托中國航空器擁有者及駕駛員協(xié)會（AOPA）作為無人機(jī)駕駛員資質(zhì)認(rèn)證機(jī)構(gòu)，無人機(jī)進(jìn)入持證飛行時代。AOPA負(fù)責(zé)下列無人機(jī)駕駛員的資質(zhì)認(rèn)證管理：一、在視距內(nèi)運(yùn)行的空機(jī)重量大于7千克的無人機(jī)駕駛員；二、在隔離空域超視距運(yùn)行的無人機(jī)駕駛員，民航局飛行標(biāo)準(zhǔn)司負(fù)責(zé)對中國AOPA的管理工作進(jìn)行監(jiān)督和檢查。

總體情況來看，目前無人機(jī)飛行主要受所在地的民航部門和空軍共同監(jiān)管，無人機(jī)飛行員資質(zhì)管理逐步規(guī)范化。

4.3 作業(yè)規(guī)范可行性

隨著無人機(jī)在民用行業(yè)應(yīng)用的普及，各個行業(yè)已逐步開始探索對無人機(jī)作業(yè)的規(guī)范化管理。各行業(yè)領(lǐng)域的主管單位分別根據(jù)自身應(yīng)用情況逐步制定無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用作業(yè)規(guī)范。如無人機(jī)應(yīng)用普及程度相對較高的電力領(lǐng)域中，國家電網(wǎng)都已經(jīng)出臺、起草了無人機(jī)電力巡檢相關(guān)的作業(yè)規(guī)范；南方電網(wǎng)正在制定一套完善全面的具有自主知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)特色的輸電線路機(jī)巡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，覆蓋無人機(jī)平臺、任務(wù)載荷、測控通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在海洋領(lǐng)域，國家海洋局已開始起草7項針對無人機(jī)海洋監(jiān)測業(yè)務(wù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括《無人機(jī)海域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化管理規(guī)范》、《海域無人機(jī)平臺準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)》、《無人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)指導(dǎo)規(guī)范》等，無人機(jī)海洋作業(yè)逐步規(guī)范化。

在石油領(lǐng)域，西部管道公司已經(jīng)編寫并制定了西部管道公司《無人機(jī)管道巡檢作業(yè)規(guī)范》，推進(jìn)無人機(jī)作業(yè)的規(guī)范化管理。

5 無人機(jī)油氣管道巡檢應(yīng)用模式分析

綜合考慮石油行業(yè)對于無人機(jī)服務(wù)及相關(guān)服務(wù)的需求，存在以下幾種服務(wù)模式。

表2 無人機(jī)油氣管道巡檢應(yīng)用模式分析

托管自主運(yùn)營數(shù)據(jù)加工處理根據(jù)作業(yè)時間長度和作業(yè)規(guī)模，可分為定期開赴作業(yè)、長期駐扎作業(yè)地點(diǎn)、建立區(qū)域基地等3種方式。購買無人機(jī)，將設(shè)備托管于專業(yè)無人機(jī)公司進(jìn)行飛行作業(yè)、設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)等服務(wù)。購買無人機(jī)，設(shè)備自主管理，數(shù)據(jù)自主處理。將采集的無人機(jī)/有人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)（包括遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)）提供給專業(yè)無人機(jī)公司進(jìn)行數(shù)據(jù)加工處理。

結(jié)合石油行業(yè)的需求，通過系統(tǒng)租賃的形式與專業(yè)化無人機(jī)公司開展合作是主要的應(yīng)用方式。

6 無人機(jī)油氣管道巡檢應(yīng)用案例

筆者所在單位為驗證無人機(jī)油氣管道巡檢可行性，于2016年11月10日-2016年11月15日對山西陽曲壓氣站場區(qū)及17號閥室所管控區(qū)域的陜京二線、三線管道進(jìn)行了無人機(jī)監(jiān)測飛行。山西陽曲地區(qū)地處忻定、晉中盆地之間，溝壑縱橫，東、西、北三面環(huán)山，南部偏低，中部為盆地。本次飛行任務(wù)區(qū)域位于陽曲縣城東部，海拔在1200米以上，四周分布多座高度超過300米的山丘。同時入冬季節(jié)風(fēng)俗較大，任務(wù)期間地面風(fēng)速多在4級以上，瞬時風(fēng)速達(dá)到6級。整體任務(wù)環(huán)境較為惡略。

本次任務(wù)采用彈射固定翼無人機(jī)與六旋翼無人機(jī)，搭載高清可見光相機(jī)對油氣管道線路及陽曲壓氣站進(jìn)行航測飛行，獲取高清遙感影像，并通過數(shù)據(jù)后期處理獲得了任務(wù)區(qū)域的正射影像。

固定翼無人機(jī)實(shí)際飛行面積10km2，管道巡線長度11km，共獲取照片846張照片。從正射影像圖疊加管線矢量數(shù)據(jù)可對管線通道周邊環(huán)境進(jìn)行高效監(jiān)控，對油氣管線周邊違反《石油天然氣管道保護(hù)法》中所規(guī)定的與建筑、樹木、公路、鐵路、電力設(shè)施的安全距離進(jìn)行及時的預(yù)警，及時制止違法進(jìn)行取土動工的施工行為，保障油氣管道安全。

多旋翼整個作業(yè)過程共4架次，總面積0.15km2，相片總數(shù)155張。從正射影像圖中可以直觀了解壓氣站周邊地形情況，掌握附近可能威脅壓氣站的危險因素。同時可提供空中視角觀察對站內(nèi)設(shè)備，及時對可能出現(xiàn)的設(shè)備損壞等情況進(jìn)行預(yù)警號處理。在緊急情況下，出動無人機(jī)可以實(shí)時掌握站內(nèi)情況，便于指揮決策。

7 結(jié)語

綜合分析，無人機(jī)系統(tǒng)做為一種在技術(shù)、政策、實(shí)際規(guī)范應(yīng)用等層面均為可行的高新技術(shù)手段，在石油管道領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。應(yīng)用范圍不僅包括目前常見的日常巡檢作業(yè)、應(yīng)急維搶修作業(yè)，也將逐步覆蓋到管道前期選址建設(shè)中，并將在逐步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的業(yè)務(wù)化和規(guī)?；?。

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