無人機(jī)在山區(qū)河流溢油事故溢油尋蹤中的應(yīng)用*

陳利瓊，杜博文，吳東容

(1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500;2.中國石油天然氣股份有限公司 西南管道分公司，四川 成都 610000)

0 引言

油氣管道作為油氣運(yùn)輸過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已成為連接?xùn)|西、南北、海外的國家骨干網(wǎng)絡(luò)[1]。由于我國河流山川眾多，跨越河流管道逐漸成為1種重要的輸油管道搭建方式[2]。山區(qū)跨越河流管道發(fā)生的泄漏事故一般很難被河岸陸地人工巡線及時發(fā)現(xiàn)，由于山區(qū)復(fù)雜的地理環(huán)境，當(dāng)此類管道發(fā)生泄漏事故后，其后果往往比普通埋地管道嚴(yán)重[3]，跨越河流輸油管道的溢油事故可能會引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的生態(tài)破壞[4]，而對于水域管道來講，更會隨著河水的流動使污染范圍擴(kuò)大，若河流溢油事故發(fā)生在跨國河流，還會造成惡劣的政治影響[5]。

為避免溢油污染以及潛在的危害，需要對泄漏油品進(jìn)行回收，目前國內(nèi)外對溢油回收的研究大多是對溢油回收階段的技術(shù)研究以及溢油事故發(fā)生后的應(yīng)急響應(yīng)流程研究，且研究情景基本都是基于海上、海灣以及水庫等流動較緩慢的泄漏情景。目前，對于長距離河流溢油事故溢油尋找方面較少研究。對于山區(qū)長距離河流，由于河岸陸地人工巡線可能無法及時監(jiān)測到跨越河流輸油管道的溢油事故，且山區(qū)管道所處地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，并非所有的河流兩岸公路都能直接看到河面，故當(dāng)溢油事故被發(fā)現(xiàn)時，已經(jīng)泄漏的油品可能隨著河流已漂移到很遠(yuǎn)的位置，而且在現(xiàn)有的技術(shù)條件下很難觀測尋找到溢油的實(shí)際位置，這2種因素增加了溢油回收的難度[6]。

溢油油頭是距離泄漏點(diǎn)位置最遠(yuǎn)的泄漏油品。因此，對溢油油頭的尋蹤是增加溢油回收效率的重要手段。原油泄漏至水面之后，受水流和風(fēng)的影響，會迅速擴(kuò)散成一層油膜[7]，對于長距離河流而言，往往通過數(shù)值模擬的方法來確定溢油可能到達(dá)的區(qū)域。原油溢油事故發(fā)生后，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果確定溢油可能漂移到的區(qū)域，在此區(qū)域只要觀測到油膜，則可根據(jù)油膜性質(zhì)推斷油品在水面的分布情況，從而確定溢油油頭的確切位置。

由于山區(qū)管道所處地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，依靠人工巡線并不能保證找到油頭，因此需要借助先進(jìn)的技術(shù)手段來盡快找到溢油油頭的位置，利用航空技術(shù)則是比較可行的方法之一。理論上說，直升飛機(jī)是尋找溢油最快速準(zhǔn)確的方法，但我國管道公司尚未配備專門的巡線直升機(jī)，租借直升機(jī)手續(xù)繁雜[8]，時間必然會因此延誤，且其起飛和降落條件要求高，并非所有的情況下都能正常飛行，而用小型無人機(jī)替代直升飛機(jī)巡航河流溢油則可以避免這些不良條件的制約。

1 基于無人機(jī)油頭尋蹤的山區(qū)管道原油溢油應(yīng)急響應(yīng)流程

1.1 無人機(jī)尋油的可能性

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)是1種由動力驅(qū)動、機(jī)上無人駕駛、依靠空氣提供升力、可重復(fù)使用航空器的簡稱[9]。從20世紀(jì)20年代到21世紀(jì)初期，無人機(jī)先后經(jīng)過了無人靶機(jī)、控制無人偵察機(jī)和電子無人機(jī)、指令遙控?zé)o人偵察機(jī)和復(fù)合控制多用途無人機(jī)的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。20 世紀(jì)末，以美國全球鷹為代表的長航時高空無人偵察機(jī)的實(shí)際使用發(fā)起了無人機(jī)研究的熱潮[10]，進(jìn)入21世紀(jì)以后，無人機(jī)逐步進(jìn)入民用領(lǐng)域并形成產(chǎn)業(yè)[11-12]。中國無人機(jī)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步晚，在技術(shù)水平等各個方面跟發(fā)達(dá)國家相比有明顯差距，但發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代，中國測繪科學(xué)研究院開始民用無人機(jī)的研制，較早應(yīng)用于測繪領(lǐng)域[13]。自“十一五”計劃實(shí)施以來，基于中國無人機(jī)遙感的技術(shù)突破，中國的無人機(jī)工業(yè)才進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段[14]。其產(chǎn)業(yè)在我國軍事應(yīng)用、國土安全上實(shí)現(xiàn)重大突破，在國防、地理與海洋監(jiān)測、國土測繪與海洋島礁測繪上引發(fā)巨大應(yīng)用效益。在民生安全、社會發(fā)展上也帶來技術(shù)變革，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急救援及各行業(yè)普及層面具備不可替代的作用[15]。

由此可見，目前的無人機(jī)技術(shù)已具備為河流原油溢油事故提供理論數(shù)據(jù)的可能性，利用無人機(jī)對跨越河流輸油管道原油溢油事故進(jìn)行溢油尋蹤是提高收油工作效率，降低溢油危害的重要途徑。

1.2 無人機(jī)路徑設(shè)計方案

無人機(jī)的使用讓山區(qū)輸油管道溢油事故回收工作的效率得到極大提升，但是對于長距離河流，由于巡線無法及時檢測到溢油事故的發(fā)生，故當(dāng)溢油事故被發(fā)現(xiàn)時，已經(jīng)泄漏的油品可能隨著河流已漂移到很遠(yuǎn)的位置，無人機(jī)由于自身續(xù)航能力限制無法對整條河流進(jìn)行尋蹤。故對于山區(qū)管道溢油事故，采取“軟件模擬 + 無人機(jī)尋蹤”并行的模式，首先通過軟件模擬出長距離河流溢油事故發(fā)生后溢油可能到達(dá)的區(qū)域范圍，再派遣無人機(jī)尋蹤隊，在預(yù)測的范圍內(nèi)進(jìn)行油頭尋蹤。

河岸陸地巡線發(fā)現(xiàn)山區(qū)管道發(fā)生溢油事故后報告控制指揮中心，派出無人機(jī)先遣隊前往經(jīng)軟件模擬的溢油可能到達(dá)的區(qū)域范圍，根據(jù)油頭到達(dá)情況進(jìn)行無人機(jī)放飛，通過無人機(jī)上搭載的高清攝像頭對溢油區(qū)域進(jìn)行識別拍攝，進(jìn)行溢油量計算。最后根據(jù)溢油量對溢油事故情況進(jìn)行判斷，并且對回收物資機(jī)具進(jìn)行準(zhǔn)備，最后進(jìn)行攔截收油。圖1為基于無人機(jī)油頭尋蹤的山區(qū)管道溢油應(yīng)急響應(yīng)流程。

圖1 基于無人機(jī)油頭尋蹤的山區(qū)管道溢油應(yīng)急響應(yīng)流程Fig.1 Flow chart of emergency response for oil spill accident of pipeline in mountain area based on UVA for oil head pursuit

2 無人機(jī)溢油油頭“影跡”尋蹤

無人機(jī)溢油油頭“影跡”尋蹤法是利用無人機(jī)上裝載的高清晰攝像頭拍攝到的河面視頻或圖片，根據(jù)圖片上浮油的形態(tài)和痕跡分析溢油在河面的分布情況。

受河道變化的影響，溢油隨河水流動一定時間后，在河面的分布就不均勻了。如果假定在發(fā)現(xiàn)漏油前的泄漏是持續(xù)的，則理論上講，越靠近泄漏點(diǎn)處厚度越大，而距離越遠(yuǎn)則厚度越薄。因此，油頭的油膜厚度是比較薄的，較大的油膜厚度處一定不是油頭。如果無人機(jī)發(fā)現(xiàn)了油頭厚度較薄處，則其順著溢油流動方向的下游不遠(yuǎn)處應(yīng)該就是油頭了。

因此，油頭位置判據(jù)為：其上游方向厚度較大，而下游方向基本無油漬的油膜厚度稀薄處，即為油頭。另一方面，還可以根據(jù)這些關(guān)系分析油品特征，劃分溢油區(qū)域，據(jù)此計算油區(qū)面積和漏油量。

2.1 無人機(jī)路徑設(shè)計方案

跨越河流管道溢油事故發(fā)生后，搶險人員攜帶無人機(jī)到達(dá)油頭觀測點(diǎn)。到達(dá)觀測點(diǎn)后，如果不能憑肉眼發(fā)現(xiàn)油頭，則需要采用無人機(jī)進(jìn)行油頭尋蹤。

根據(jù)油頭是否到達(dá)觀測點(diǎn)，可能會遇到以下2種情況：

1)到達(dá)預(yù)測油頭位置處(觀測點(diǎn))，未發(fā)現(xiàn)油頭或油膜。在持續(xù)泄漏的情況下，首先向上游方向在5 km范圍內(nèi)放飛無人機(jī)(一般無人機(jī)的續(xù)航里程為10 km)，若發(fā)現(xiàn)油頭則返回，同時根據(jù)無人機(jī)識別到的溢油圖像計算溢油量，根據(jù)溢油量和溢油情況進(jìn)行收油裝置設(shè)備的準(zhǔn)備。如果沒發(fā)現(xiàn)油頭，則說明油頭還在上游5 km開外，應(yīng)趕往上游另一預(yù)測油頭位置重新進(jìn)行搜索，如圖2所示。

圖2 未發(fā)現(xiàn)油頭時無人機(jī)尋蹤路線Fig.2 Pursuit path of UAV when oil head was not found

2)到達(dá)預(yù)測油頭位置處(觀測點(diǎn))，若發(fā)現(xiàn)油膜或油漬，則不管什么情況下，都只需向下游方向放飛無人機(jī)。首先向下游方向，在5 km范圍內(nèi)放飛無人機(jī)，若發(fā)現(xiàn)油頭則返回，同時根據(jù)無人機(jī)識別到的溢油圖像計算溢油量，根據(jù)溢油量和溢油情況進(jìn)行收油裝置的準(zhǔn)備；如果沒有發(fā)現(xiàn)油頭，則到離預(yù)測位置下游10 km附近合適位置，如果在該位置沒發(fā)現(xiàn)油頭，則可以向上游5 km范圍內(nèi)放飛無人機(jī)(類似第1種情況)，同時在該處附近合適位置設(shè)置攔油(布設(shè)攔油設(shè)施時間和油流5～10 km時間都在0.5～1 h)；如果在該位置發(fā)現(xiàn)油漬或油膜，則再次向下游在5 km范圍內(nèi)放飛無人機(jī)，以此類推，通過多次搜索，直到發(fā)現(xiàn)油頭，如圖3所示。

圖3 發(fā)現(xiàn)油頭時無人機(jī)尋蹤路線Fig.3 Pursuit path of UAV when oil head was found

綜合以上2種情況，當(dāng)跨越河流管道發(fā)生溢油事故后，觀測人員在合適的觀測攔截點(diǎn)對無人機(jī)進(jìn)行放飛，通過無人機(jī)上的高清攝像頭對溢油油頭進(jìn)行追蹤，并對溢油油頭區(qū)域進(jìn)行圖像識別，從而提高下一步收油工作的效率。

2.2 無人機(jī)的路徑規(guī)劃算法

定義管道下游為正方向，無人機(jī)第1次搜索距離為L?？刂茻o人機(jī)路徑的代碼如下所示：

double L, move, i ;

bool flag ;

do

{

i = 1;

L = 1000;

move = 0;

move += L// 無人機(jī)移動命令

WriteLine("plz input ur flag(1 or 0)");//1：發(fā)現(xiàn)漏油；0：為發(fā)現(xiàn)漏油

if (flag = false)

L *= 2;

move -= L;

++i;

L *= i;

}

while (flag = true );

WriteLine($"the place of oil is{move}")//gps為無人機(jī)的坐標(biāo)。

3 無人機(jī)溢油圖像識別

3.1 圖像識別

由于油品在水面并非均勻分布，因此，可以根據(jù)油的種類和油膜顏色大致推斷油品的分布情況。實(shí)驗(yàn)表明，一般來講，油品在水面的顏色與厚度有如圖4與表1所示的關(guān)系。

圖4 不同性質(zhì)油膜的反射光效果Fig.4 Reflected light effect of oil films with different properties

油的類型顏色油膜厚度/mm五彩油銀色光澤0.0001～0.0002五彩油彩虹色0.0003～0.01原油和燃料油黑色/深棕色0.1～0.2乳化油棕色/橙色>1

無人機(jī)上的高清攝像頭在拍照時，可以紀(jì)錄當(dāng)時的GPS坐標(biāo)，還有飛行高度，焦距以及圖片分辨率。根據(jù)這些參數(shù)，建立模型計算漏油區(qū)域的大小，便于設(shè)置攔油方案。其中，圖5為無人機(jī)對溢油區(qū)域圖像的識別流程，圖6為無人機(jī)航拍下的溢油區(qū)域示例。

圖5 無人機(jī)圖像識別流程Fig.5 Flow chart of UAV image recognition

圖6 無人機(jī)航拍下的溢油區(qū)域Fig.6 Oil spill area based on aerial photography of UAV

3.2 溢油范圍以及泄漏量計算

對低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)而言，如果影像傳感器( 即數(shù)碼相機(jī)) 一定，選用的攝影鏡頭一定，則影像地面分辨率與航高的關(guān)系為：當(dāng)航高較高時，影像的地面分辨率較低； 反之，當(dāng)航高較低時，影像的地面分辨率相對較高。其關(guān)系為[16]：

式中：H為攝影航高， m；f為攝影鏡頭焦距， mm；GSD為地面分辨率， m；a為像元尺寸， mm。

計算出攝影高度后，則可以根據(jù)相應(yīng)的比例尺和幾何關(guān)系，計算出油層的邊界尺寸，從而計算出溢油面積；再結(jié)合油膜厚度，計算出溢油量，判斷溢油情況，從而確定溢油攔截方案，圖7為溢油量計算流程。

圖7 基于無人機(jī)圖像識別的溢油量計算流程Fig.7 Flow chart of calculation on amount of spilled oil based on image recognition of UAV

4 應(yīng)用實(shí)例

某跨越河流管道發(fā)生溢油事故，由于陸地人工巡線未能及時發(fā)現(xiàn)該情況，溢油已隨著河流漂移到河流下游，圖8為河流地形圖與根據(jù)長距離河流溢油數(shù)值模擬的預(yù)設(shè)攔截點(diǎn)位置。此時啟動河流溢油事故應(yīng)急預(yù)案，在油頭可能到達(dá)的位置進(jìn)行無人機(jī)放飛。

圖8 事件中河流地形圖與預(yù)設(shè)攔截點(diǎn)位置Fig.8 Topographic map of rivers and preset interception points in the event

當(dāng)無人機(jī)觀測隊到第1預(yù)設(shè)攔截位置處，未發(fā)現(xiàn)油頭或油膜。向上游方向在5 km范圍內(nèi)放飛無人機(jī)(一般無人機(jī)的續(xù)航里程為10 km)，途中無人機(jī)觀測到了溢油油頭，并對溢油部分進(jìn)行圖像識別，如圖9所示。

圖9 事件中無人機(jī)識別的溢油區(qū)域Fig.9 Oil spill area recognized by UAV in event

通過圖像識別，看出溢油油膜的顏色為黑色，其厚度最厚為0.2 mm。將攝像頭參數(shù)以及分辨率數(shù)值帶入航高公式，計算出無人機(jī)航高H為187.5 m。通過攝像航高的計算，利用三角形的邊角關(guān)系，如圖10所示，其中A-A′面為水面溢油長度，θ為攝像頭鳥瞰狀態(tài)下的拍攝角度(半角)，本次運(yùn)用的攝像頭θ取22°，由幾何關(guān)系可計算出溢油邊界尺寸為長150 m，同理可得寬100 m。

圖10 溢油長度和航高的三角關(guān)系Fig.10 Triangular relationship between oil spill length and flight altitude

最后則進(jìn)行溢油量計算，計算出溢油油頭體積約為3.02 m3，可以在第1攔截點(diǎn)準(zhǔn)備好適合于回收該體積溢油的回收方法以及回收機(jī)具設(shè)備，以等待溢油的到來從而對溢油進(jìn)行回收處理工作。

5 結(jié)論

1)利用無人機(jī)溢油油頭“影跡”尋蹤法，通過無人機(jī)上裝載的高清晰攝像頭拍攝到的河面溢油區(qū)域圖片，分析溢油油頭位置，對溢油量進(jìn)行大致計算并了解溢油情況。

2)為即將到來的溢油回收環(huán)節(jié)提供溢油量等理論數(shù)據(jù)，無人機(jī)識別的圖像能夠?qū)σ缬颓闆r有一個大致了解。溢油情況的獲知能夠讓溢油回收隊更好地對回收機(jī)具和設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)備，提高收油效率。