5G技術(shù)在山地管道保護(hù)智能化應(yīng)用中的探究

韓林元 魏勇 葛玉寶 姜慧春

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)貴州省管網(wǎng)有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550025；2.西南管道貴陽(yáng)輸油氣分公司 貴州 貴陽(yáng) 550025

引言

根據(jù)《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》[1]，到2020年全國(guó)長(zhǎng)輸油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到 16.9×104km；到2025年，管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24×104km，屆時(shí)全國(guó)省市區(qū)成品油、天然氣干線管網(wǎng)全部連通，100萬(wàn)人口以上的城市成品油管道基本接入，50萬(wàn)人以上的城市天然氣管道基本接入，國(guó)內(nèi)將迎來(lái)新的管道大發(fā)展時(shí)期。隨著蘭成渝管道、西部管道、中緬管道等大型山地管道以及配套省級(jí)支線管網(wǎng)建成運(yùn)行，山地管道的里程快速擴(kuò)大并不斷向縣級(jí)以下地區(qū)輻射，服務(wù)能力不斷增強(qiáng)，已成為支撐山地地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保民生密不可分的一部分。因此，保證管道安全運(yùn)行是一項(xiàng)艱巨任務(wù)，而山地管道周邊地質(zhì)環(huán)境、人員活動(dòng)較其他地區(qū)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在時(shí)間和空間上的局限。通過(guò)引入5G技術(shù)，借助人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等工具，破解管道保護(hù)難題，提升油氣管道保護(hù)管理水平。

1 山地管道管理的難點(diǎn)

管道安全監(jiān)測(cè)包括三方面：一是管道自身失效；二是第三方破壞；三是地質(zhì)災(zāi)害。而山地管道途經(jīng)崇山峻嶺，溝壑縱橫，雨水充沛，環(huán)境氣候條件復(fù)雜。地質(zhì)沉降、山體滑坡、暴雨沖刷、塌方等嚴(yán)重威脅管道安全。再者山地油氣管道沿線高差較大，例如中緬油氣管道，高程差大于1000m的管段近10段，最大高程差1800m，沿線陡坡管段近100處[2]，給管道巡護(hù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。人工巡檢又存在局限性，長(zhǎng)期以來(lái)，由于受技術(shù)條件的制約，管道外部安全監(jiān)測(cè)主要靠人工巡檢。山地不比平原，讓工人長(zhǎng)年累月不分春夏秋冬跋山涉水，非常危險(xiǎn)。一旦管道發(fā)生事故，必將巡檢人員置于危險(xiǎn)之中，而且人工巡檢不能實(shí)現(xiàn)時(shí)間與空間維度上的無(wú)盲區(qū)巡檢。

2 5G通信技術(shù)特點(diǎn)

5G技術(shù)有如下特點(diǎn)[3]：①高速度。在實(shí)際應(yīng)用中5G 移動(dòng)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的速率是4G 網(wǎng)絡(luò)10倍以上。②低時(shí)延。相對(duì)于2G的時(shí)延為600ms（0.6秒）、3G的時(shí)延200ms、4G的時(shí)延最好的結(jié)果98ms，5G的最好時(shí)延能達(dá)到1ms，這對(duì)汽車(chē)的自動(dòng)駕駛、醫(yī)療的遠(yuǎn)程手術(shù)、運(yùn)行高鐵、網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的信號(hào)覆蓋卻意義非凡。③大容量。5G移動(dòng)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，配合其他技術(shù)，空間將在數(shù)據(jù)意義上劇烈壓縮，很有可能出現(xiàn)一套萬(wàn)物互聯(lián)的全新景象。④低功耗。5G要支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，就必須要有功耗的要求，而5G就能把功耗降下來(lái)，讓大部分物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一周充一次電，或一個(gè)月充一次電，就能大大改善用戶體驗(yàn)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的快速普。此外，5G無(wú)線通信還有擴(kuò)展性特點(diǎn)，5G并沒(méi)有脫離于3G、4G，而是將這些通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有效地結(jié)合在一起，能夠?yàn)橛脩籼峁└迂S富的使用體驗(yàn)與服務(wù)。

3 5G在管道保護(hù)智能化上的應(yīng)用

3.1 基于5G的智能陰極保護(hù)

長(zhǎng)輸油氣管道需要對(duì)管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于普通測(cè)試樁只能采集數(shù)據(jù)，而不能遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，只能依靠人工巡檢定期獲取數(shù)據(jù)，這種方式效率較低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，山區(qū)管道測(cè)量點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致陰保數(shù)據(jù)采集不及時(shí)甚至缺失，恒電位儀布置分散，依靠人工調(diào)節(jié)不僅容易錯(cuò)誤操作而且難以做到集中統(tǒng)一管理，也不利于陰保數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理。為順應(yīng)當(dāng)今油氣管道管理數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，需建設(shè)陰極保護(hù)智能采集監(jiān)控管理系統(tǒng)。

目前陰極保護(hù)智能化已有許多有益的探索，典型做法就是在山地管道上安裝管線陰極保護(hù)/雜散電流智能監(jiān)控終端，作為系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集支撐，實(shí)現(xiàn)管道陰極保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、陰極保護(hù)設(shè)備遠(yuǎn)程控制、管道雜散電流監(jiān)測(cè)、管道安全預(yù)警等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道陰極保護(hù)狀況的評(píng)價(jià)與評(píng)估，為管道的陰極保護(hù)綜合評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管控提供基于大數(shù)據(jù)的智能調(diào)節(jié)和決策支持[4]。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光纖和衛(wèi)星通信方式進(jìn)行傳送，光纖通信有遭第三方施工破壞和地災(zāi)損毀斷纜造成通信中斷的風(fēng)險(xiǎn)。衛(wèi)星通信有資費(fèi)高、頻率受限、傳輸效率低缺點(diǎn)，不適合作為智能陰極保護(hù)系統(tǒng)的通信。通過(guò)將油氣管道陰極保護(hù)智能監(jiān)控終端改造為具有5G通信功能的陰極保護(hù)智能監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端與中心的高速、低延時(shí)通信，達(dá)到對(duì)山地油氣管道陰保數(shù)據(jù)全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。同時(shí)，在5G智能陰極保護(hù)智能監(jiān)控終端在加裝太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)油氣管道陰極保護(hù)智能保護(hù)終端的節(jié)能環(huán)保。

3.2 基于5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的山地管道智能巡護(hù)

傳統(tǒng)的山地管道巡護(hù)主要依靠人工徒步巡檢，效率低，而且人員置于山地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大，通過(guò)引入5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，實(shí)現(xiàn)山地管道無(wú)盲點(diǎn)巡檢。目前國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)貴州省管網(wǎng)公司在無(wú)人機(jī)管道智能巡護(hù)上做了一些探究（以清鎮(zhèn)支線為例），通過(guò)對(duì)清鎮(zhèn)支線全線進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量、無(wú)人機(jī)采集模型數(shù)據(jù)、拍攝全景照片，然后進(jìn)行三維建模、VR全景合成、添加熱點(diǎn)等數(shù)據(jù)處理，最后在將三維模型、VR全景、視頻、正射影像拼接等可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、搭建平臺(tái)，錄入相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、可視化，如圖1所示。

圖1 管道數(shù)據(jù)建模

圖2 無(wú)人機(jī)巡檢界面

后期通過(guò)無(wú)人機(jī)定時(shí)對(duì)油氣管道精細(xì)巡檢，利用可視化數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維建模技術(shù)高精度還原管線模型，進(jìn)行可視化的細(xì)節(jié)查勘、測(cè)量與變量評(píng)估；VR-全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)真實(shí)還原管道周邊環(huán)境，添加熱點(diǎn)錄入相關(guān)信息，足不出戶總攬全局，進(jìn)行可視化管理；人工智能識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，快速識(shí)別目標(biāo)物并上報(bào)問(wèn)題點(diǎn)，同時(shí)為可視化數(shù)據(jù)提供更新依據(jù)，為管理者提供危險(xiǎn)報(bào)警和決策支持，如圖2所示。

但是無(wú)人機(jī)一般通過(guò)遙控系統(tǒng)進(jìn)行控制，民用無(wú)人機(jī)與遙控器之間的數(shù)據(jù)傳輸，通常采用低功耗藍(lán)牙或 Wi-Fi 技術(shù)，受發(fā)射功率限制，只能在不超過(guò)500米的視距范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸圖像最大分辨率不能超過(guò) 1080p[5]，極大地限制了無(wú)人機(jī)在山地油氣管道巡航的應(yīng)用，長(zhǎng)距離的，因此無(wú)法一次完成整條長(zhǎng)輸油氣管道巡護(hù)，且智能油氣管道需要實(shí)時(shí)傳輸高清視頻、VR全景虛擬現(xiàn)實(shí)、控制信號(hào)等海量數(shù)據(jù)，機(jī)載藍(lán)牙、Wi-Fi、4G已無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)管道智能巡檢高速率、低延時(shí)、大容量的應(yīng)用需求。5G 提供的大帶寬、高可靠、低時(shí)延通信更好地契合了無(wú)人機(jī)管道智能巡檢的要求，通過(guò)引入5G無(wú)線通信，搭建5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)智能管道巡檢平臺(tái)，突破以往通信手段的限制，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)算法，通過(guò)給山地管道設(shè)置巡檢路由，讓無(wú)人機(jī)按照設(shè)定軌跡自動(dòng)巡檢，利用遠(yuǎn)程終端對(duì)智能山地管道巡檢系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)控，達(dá)到山地管道無(wú)盲點(diǎn)管理，如圖3所示。

圖3 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)巡護(hù)技術(shù)架構(gòu)[6]

3.3 基于5G的智能視頻監(jiān)控

目前山地管道管理中常用固定式監(jiān)控探頭、移動(dòng)式監(jiān)控探頭，固定式監(jiān)控探頭主要用于高后果區(qū)監(jiān)控，移動(dòng)式監(jiān)控探頭主要用于第三方施工管理?，F(xiàn)行主要的做法是在高后果區(qū)管段安裝固定高桿式太陽(yáng)能監(jiān)控終端、在第三方施工現(xiàn)場(chǎng)安裝移動(dòng)式太陽(yáng)能監(jiān)控終端，利用是4G網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心。由于4G網(wǎng)絡(luò)受帶寬的限制，無(wú)法高清實(shí)時(shí)的傳輸，延遲卡頓，采集數(shù)據(jù)有效性和一致性不佳，無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變量進(jìn)行精細(xì)管控。5G技術(shù)的引入可以依托其更快的傳輸速度和更低的延時(shí)，結(jié)合人工智能，可以對(duì)高后果區(qū)、第三方施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高清智能監(jiān)控，實(shí)時(shí)對(duì)高后果區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，對(duì)第三施工中的危險(xiǎn)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別報(bào)警。

3.4 基于5G的智能山地管道應(yīng)急搶險(xiǎn)

山地管道地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較平原地區(qū)大，經(jīng)常出現(xiàn)管道露管、漂管、斷纜、防腐層破損等事故，因此建立山地管道應(yīng)急搶險(xiǎn)平臺(tái)，對(duì)保障油氣管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)完全有必要的。通過(guò)引入5G技術(shù)借助其優(yōu)勢(shì)，結(jié)合網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)對(duì)事故管段的周邊環(huán)境進(jìn)行三維全景建模，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，利用5G網(wǎng)絡(luò)上傳至應(yīng)急平臺(tái)中心，借助人工智能算法、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能選擇最優(yōu)搶險(xiǎn)路徑、調(diào)配最佳的搶險(xiǎn)機(jī)具、合理分配搶險(xiǎn)人員，為搶險(xiǎn)決策者提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G技術(shù)的日趨成熟和大規(guī)模推廣使用，借助其高速率、大容量、低延時(shí)的優(yōu)勢(shì)，深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)將山地油氣管道保護(hù)全面數(shù)字化、智能化，破解山地管道管理癥結(jié)。未來(lái)的山地管道保護(hù)平臺(tái)將具備態(tài)勢(shì)全面感知、智能決策、智能控制、自主學(xué)習(xí)功能，也會(huì)是低風(fēng)險(xiǎn)和高效率的。