無人機技術在油氣長輸管道巡檢中的應用研究

杜懷林

（國家管網(wǎng)集團（福建）應急維修有限責任公司，福建 莆田351100）

1 概述

目前，國家管網(wǎng)集團在役油氣長輸管道約94000km，管道距離長、分布范圍廣、穿越地形復雜、非法侵占及周邊第三方施工頻繁，安全隱患問題日益突出。傳統(tǒng)的人工巡檢成本高、效率低，尤其對山區(qū)、河流、峽谷等地理環(huán)境以及暴雨、地震、滑坡等突發(fā)情況下的巡檢存在很大局限性。隨著無人機技術的迅猛發(fā)展，使用無人機進行油氣長輸管道巡檢已經表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。

2 油氣長輸管道無人機巡檢需求分析

通過組織業(yè)內多家油氣管道公司深入開展長輸管道無人機巡檢需求調研，整理分析得到油氣長輸管道無人機巡檢需求如下：

（1）具備日常巡檢、惡劣天氣后巡檢、特殊地區(qū)巡檢、施工監(jiān)管、應急搶險巡檢、替代山區(qū)/水網(wǎng)巡檢功能。

（2）具備高后果區(qū)變化信息收集功能。

（3）具備地質滑坡預警功能。

（4）具備重點隱患不定期監(jiān)控功能。

（5）具備違章占壓取證功能。

（6）具備異常目標識別和報警功能。

（7）具備管道遷改、路線勘查，在設計、建造、運行階段，可定期更新功能。

（8）具備隱患地段坐標點記錄功能。

（9）具備數(shù)字化管道底圖補充功能。

（10）具備數(shù)據(jù)實時傳輸功能。

3 飛行平臺及任務載荷選型研究

3.1 飛行平臺選型研究

目前，無人機類型的劃分沒有統(tǒng)一的標準。按照用途分為國家無人機和民用無人機，根據(jù)運行風險大小，民用無人機分為微型、輕型、小型、中型、大型，按飛行平臺構型分為無人直升機、固定翼無人機、多旋翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機、撲翼無人機等。油氣長輸管道巡檢要求無人機具有高速度、大航程、空中懸停、貼地或超低空飛行、快速爬升、較高的載荷能力，綜合各類無人機的結構特點、飛行能力、操控難度、靈活性，篩選出固定翼無人機和多旋翼無人機兩款機型，搭配使用，用于油氣長輸管道巡檢。固定翼無人機發(fā)射和回收方式眾多，常見分類見表1 所示。

油氣長輸管道巡檢無人機對起降場地要求低，具有一定的載荷能力，意外墜機不導致二次災害，電動垂直起降固定翼無人機是最佳選擇。多旋翼無人機按軸數(shù)分有三軸、四軸、六軸、八軸等，軸數(shù)越多，動力越足，動力冗余越強，可靠性也越高。但隨著軸數(shù)增多，無人機效率降低，航時變小，尺寸變大，系統(tǒng)維護難度增加。相同指標下，綜合續(xù)航、穩(wěn)定性、安全等因素，電動六軸多旋翼無人機適合用于油氣管道巡檢。系留無人機是多旋翼無人機的一種特殊形式，通過系留線纜傳輸?shù)牡孛骐娫醋鳛閯恿碓?，可長時間滯空懸停，完美解決了無人機的續(xù)航問題。特別適宜用于應急通訊、應急指揮、管道搶險、施工監(jiān)管等場合。電動垂直起降固定翼無人機、電動六軸多旋翼無人機、系留無人機配合使用，可滿足油氣長輸管道長距離快速巡檢、定點精細巡檢、定點不間斷巡護等多種不同應用場景。

表1 固定翼無人機分類

3.2 任務載荷選型研究

無人機裝載的實現(xiàn)、無人機飛行要完成的特定任務的儀器、設備和分系統(tǒng)，統(tǒng)稱為無人機的任務載荷。經研究篩選，油氣長輸管道無人機巡檢適用的任務載荷有雙光吊艙、航拍相機、激光雷達、氣體檢漏儀、喊話器、探照燈等。雙光吊艙集成可見光攝像機和紅外熱像儀，可以實現(xiàn)高清可見光拍攝、紅外熱像儀拍攝、目標跟蹤、目標鎖定等附加功能，適宜長輸管道日間和夜間巡檢使用。航拍相機拍攝高清正射影像，用于拼接管道周邊正射影像圖和目標智能識別。激光雷達在管道巡檢中主要用于三維地形重建和地表微變形檢測，通過對比分析，實現(xiàn)滑坡等地質危害事件預警。氣體檢漏儀利用激光探測、光譜分析技術實現(xiàn)遠距離天然氣管道泄漏檢測，作業(yè)高度一般小于100 米。喊話器和探照燈用于威懾、制止巡檢中發(fā)現(xiàn)的管線破壞和盜油行為。以上任務載荷可根據(jù)不同任務需求獨立或組合使用。

4 油氣管線無人機巡檢管理系統(tǒng)

無人機巡檢采集的航拍影像數(shù)據(jù)靠人工判讀和分析，存在工作量大、效率低、實時性差、誤判漏判多等缺點，嚴重制約無人機在油氣管道巡檢領域中的應用。目前，油氣行業(yè)無人機巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研發(fā)處于起步階段，功能不完善，智能識別率低，誤報漏報率高是普遍現(xiàn)象。因此，非常有必要開展管道航拍影像數(shù)據(jù)的相關技術研究?；诂F(xiàn)狀，研發(fā)了一套集數(shù)據(jù)管理、圖像分析、圖片拼接、數(shù)字地球和用戶管理于一體的高精度、多功能油氣管線無人機巡檢管理系統(tǒng)，核心模塊為圖像拼接系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)。圖像拼接系統(tǒng)通過不斷優(yōu)化和改進的SFM 建模算法，以采集到的數(shù)字影像數(shù)據(jù)及對應的地理坐標信息作為輸入，快速構建航拍場景的數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字地表模型（DSM）,拼圖速度大幅提升。經驗證46km 管段數(shù)據(jù)，1195 張航片，圖像重疊度65%，拼接完成時間71 分鐘，極大限度的提升了用戶作業(yè)效率。拼接效果如圖1 所示。

圖1 拼接效果圖

圖像分析系統(tǒng)包含目標檢測及對比檢測。目標檢測基于深度神經網(wǎng)絡的智能識別技術，實現(xiàn)航拍圖像數(shù)據(jù)智能分析，自動識別出異常目標，并將其精確位置標注出來，如圖2 所示。對比檢測通過對比兩次飛行時序的圖像在大致相同位置上發(fā)生的變化，檢測出沒有固定形態(tài)的大范圍異常目標，如山體滑坡，土壤翻動等，檢測完畢后生成分析報告。經實測，目標檢測查全率和查準率可達95%以上。

圖2 目標智能識別及定位

5 無人機巡檢應用試驗

為驗證研究效果，采用無人機系統(tǒng)對海西天然氣管網(wǎng)秀嶼至福州段管線進行了巡檢應用試驗。該段管線地理情況復雜，囊括了山區(qū)、平地、林地、水網(wǎng)、居民區(qū)、道路、農田等，地形地貌較為典型。結合巡檢需求，本次試驗制定了由任務類型、飛行平臺、任務載荷組成的搭配矩陣，如表2 所示，規(guī)劃飛行20 架次。

表2 組合矩陣表

經驗證：（1）多旋翼無人機搭載不同載荷適合用于對航程和航時無嚴格要求的周邊環(huán)境調查、日常巡檢、違章占壓、地質災害巡檢、專項巡檢和應急搶險等場合，可以提高巡檢效率，取得良好的應用效果。圖3 所示為多旋翼無人機搭載雙光吊艙識別到的山區(qū)管道裸露。（2）系留無人機適合用于長時間持續(xù)作業(yè)場合，與多旋翼無人機配合使用，可達到比較理想的應用效果。（3）垂直起降固定翼無人機適合于中長距離管線巡檢。搭載雙光吊艙和航拍相機可在周邊環(huán)境調查、日常巡檢、專項巡檢等場合進行應用，取得了較好的應用效果。（4）油氣管線無人機巡檢管理系統(tǒng)可大幅提高航片拼接效率和智能輔助識別率，提升管理人員監(jiān)視和響應效率，提升危害事件的預警和處理效率。

圖3 管道裸露

本次應用試驗，也凸顯了一些無人機應用面臨的問題，需重點研究解決：（1）無人機空域申請難度大，申請渠道不明確，限制要求多。（2）地方法規(guī)及重大活動影響無人機飛行。例如:《福建省高速鐵路安全管理規(guī)定》指出，高速鐵路電力線路導線兩側各500 米范圍內禁飛無人機。（3）無人機系統(tǒng)相關標準體系不健全，油氣管道無人機巡檢無技術規(guī)范可循。（4）無人機續(xù)航能力、防護等級不足，任務載荷多功能集成度較低。（5）目標智能識別需要大量樣本的積累和訓練，樣本量不足導致可識別目標種類欠缺。另外，還無法做到基于視頻流的實時目標檢測。

6 結論

無人機在電力線路巡檢中獲得了廣泛應用，在油氣長輸管道巡檢中的應用還處于普及階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模商用。相信隨著無人機及配套技術的快速發(fā)展，市場體系的成熟和我國低空空域的進一步放開，無人機必將在油氣管道巡檢領域發(fā)揮愈發(fā)關鍵的作用，成為巡檢人員的有力“幫手”和油氣管道“守護者”。