無人機在油氣管道應(yīng)急場景中的應(yīng)用

齊健龍 徐蔥蔥 劉少柱 畢 博 薛焰文 滕延平

1. 國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司, 河北 廊坊 065000;2. 中國石油管道局工程有限公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

油氣長輸管道具有線路長、途經(jīng)環(huán)境區(qū)域復(fù)雜的特點,一旦管道本體發(fā)生失效會造成輸送介質(zhì)泄漏或管線燃爆等嚴重事故,給社會公眾安全、經(jīng)濟和環(huán)境帶來巨大損失。油氣管道應(yīng)急處置是恢復(fù)管道生產(chǎn)運行、降低事故影響的必要手段。管道事故發(fā)生后,應(yīng)急處置的準(zhǔn)確性、時效性是關(guān)鍵,因此,需要及時了解事故現(xiàn)場情況,掌握周邊環(huán)境信息,實現(xiàn)事故現(xiàn)場與應(yīng)急指揮中心的信息傳遞等,為做出應(yīng)急決策及編制切實可行的處置方案提供依據(jù)。但油氣管道事故現(xiàn)場地形復(fù)雜、環(huán)境多變,尤其是發(fā)生因洪水等自然災(zāi)害導(dǎo)致的管道失效事故時,人員車輛難以進入現(xiàn)場,無法及時獲取周邊情況等,直接影響管道的應(yīng)急處置。

無人機具有高視角、便于攜帶、易組建、可遠傳等特點,目前在各領(lǐng)域得到了廣泛使用,如在四川木里、西昌火災(zāi)中,無人機獲取熱紅外監(jiān)測數(shù)據(jù),持續(xù)為火災(zāi)撲救提供測繪應(yīng)急保障;在油氣管道線路巡檢中，利用無人機作為載體,搭載感知設(shè)備,實現(xiàn)無人機智能巡檢等[1-4]。鑒于以上,為進一步提高油氣管道應(yīng)急處置能力,圍繞應(yīng)急場景需求,結(jié)合無人機特點,有必要探索無人機在油氣管道應(yīng)急場景中的應(yīng)用,為油氣管道突發(fā)事件應(yīng)對提供參考[5-6]。

1 無人機技術(shù)概況

無人機是一種由遙控設(shè)備控制或是按照程序飛行的飛行器,無人機與微型遙感等技術(shù)的結(jié)合更是擴展了無人機的應(yīng)用領(lǐng)域。按照用途,無人機可分為軍用無人機和民用無人機,目前民用無人機擔(dān)負起地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、救援指揮、勘探測繪以及環(huán)境監(jiān)測等重任。按照機型,無人機可分為多旋翼無人機、固定翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機和撲翼式無人機等[7-9]。多旋翼無人機具有機械簡單、能垂直起降的優(yōu)點,但其續(xù)航時間短,載荷小;固定翼無人機起降需要助跑或滑行,但續(xù)航時間長,載荷大;無人飛艇類似于熱氣球,具有推進和控制裝置,是一種理想的空中平臺,但其體積較大;傘翼無人機利用迎面氣流產(chǎn)生升力起升且需要跑道;撲翼式無人機技術(shù)研究還未成熟,材料要求高,不適用于應(yīng)急場景[10-12]。目前應(yīng)用于管道管理的無人機機型主要有多旋翼無人機和固定翼無人機,從機動性和靈活性上考慮,最適宜于應(yīng)急場景的無人機為電動多旋翼無人機,常見為六旋翼無人機或四旋翼無人機,能夠適應(yīng)復(fù)雜飛行場景[13-15]。

目前國內(nèi)外積極開展無人機在油氣管道領(lǐng)域的探索應(yīng)用,部分已配備專業(yè)隊伍,建立無人機巡檢系統(tǒng),但在應(yīng)急場景中使用較少。與管道巡檢相比,應(yīng)急場景中要求無人機具有時效性、安全穩(wěn)定性,第一時間建立圖傳通道,提供現(xiàn)場畫面,必要時采用掛載功能輔助現(xiàn)場搶修,為指導(dǎo)搶修作業(yè),制定搶修方案提供輔助。

2 行業(yè)應(yīng)用分析

BP公司自2006年起開展無人機在油氣管道行業(yè)應(yīng)用的研究,并于2014年在美國阿拉斯加管道上進行了試驗性的無人機巡線,通過使用搭載高清晰度攝像頭及熱力傳感器等,對復(fù)雜自然環(huán)境中的管道進行泄漏檢測與安全監(jiān)控。小松于2015年開展智能施工(Smart Construction)項目應(yīng)用,將智能化技術(shù)應(yīng)用于挖掘機、推土機等產(chǎn)品,目前已在1 000多個工程現(xiàn)場應(yīng)用。智能施工技術(shù)將無人機數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、3D畫面分析、施工方案制定等進行融合,充分體現(xiàn)了小松無人化機械設(shè)備的概念。相比傳統(tǒng)測繪方式，施工前采用無人機智能測繪,不僅可以大幅縮減人力物力，縮短工期,還可以獲得高精度三維現(xiàn)場數(shù)據(jù),從而制定更加準(zhǔn)確詳實的施工方案,然后將測繪數(shù)據(jù)上傳到小松云,對施工數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行比對,實現(xiàn)施工土方量計算,編制施工進展圖。Gazprom天然氣管道公司在2018年使用ZALA AERO公司開發(fā)的無人機進行管道線路巡檢,該無人機配置了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字遙測系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng),可以攜帶各種無線成像儀、導(dǎo)航燈、測距儀以及若干類型的傳感器。

近年來,中國開始將無人機技術(shù)應(yīng)用于管道行業(yè),如山區(qū)管道巡檢、近海油氣管道監(jiān)視、災(zāi)后次生災(zāi)害評價,漏油和盜油點現(xiàn)場定位等[16-17]。現(xiàn)階段無人機在管道巡檢領(lǐng)域應(yīng)用較多,主要配置包括紅外成像和熱成像儀,用于拍照和攝像,識別管道威脅事件,以及管道周邊植被狀態(tài)和土壤侵蝕程度;差分吸收激光器和紅外攝像機可用于天然氣管道泄漏監(jiān)測等。隨著無人機與其他技術(shù)的進一步結(jié)合,無人機在油氣管道行業(yè)其他領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用。

3 應(yīng)急場景功能實現(xiàn)

3.1 圖傳輔助決策

在油氣長輸管道應(yīng)急場景中,地面操作人員遠程控制無人機進行低空、低度飛行,通過攝像機等實時采集傳輸高清晰攝像畫面,能夠清晰觀察到管道周邊情況,從而為管道突發(fā)事件定性、制定應(yīng)急措施、現(xiàn)場搶修、后續(xù)理賠等提供重要依據(jù)。具體實現(xiàn)功能如下。

1)尋找搶修路由。在村莊、山區(qū)、水網(wǎng)地區(qū),尤其是汛后水淹路段、封村封路地段、限高限寬路段,可利用無人機及時查找搶修進場路由,協(xié)助搶修車輛人員進場,開展搶修作業(yè)。

2)探知周邊風(fēng)險。針對人口密集地、水源地、穿越特殊地段高后果區(qū)以及險工險段,通過無人機可及時掌握周邊環(huán)境狀況,協(xié)助判定風(fēng)險,制定消減措施。

3)監(jiān)控溢油形勢。在輸油管道發(fā)生泄漏時,無人機可實時監(jiān)控油品泄漏情況,如溢油進入水域可及時跟蹤油流情況,并對沿線水域情況、進場道路情況、圍油欄布控點設(shè)置等進行確認,及時在下游端采取措施,控制油品擴散范圍,從而減小油品對土壤、水體的污染。

4)實時遠程指揮。啟動公司應(yīng)急響應(yīng)后,可通過無人機建立傳輸通道,遠傳現(xiàn)場視頻,更加全面、形象地展現(xiàn)現(xiàn)場場景,為現(xiàn)場指揮以及遠程指揮提供決策依據(jù)。

5)輔助現(xiàn)場理賠。搶修處置前,需要修筑搶修道路,開挖作業(yè)坑,往往涉及林地、農(nóng)田、魚塘等,為節(jié)約搶修時間,搶修作業(yè)基本都是先搶修后賠償。在搶修前,使用無人機航拍,可留存原地貌特征,為后續(xù)農(nóng)作物損失、占地等賠償工作提供影像依據(jù),減少企地糾紛。

3.2 外攜輔助現(xiàn)場處置

通過無人機吊艙掛載功能,可疊加可燃氣體檢測儀、紅外夜視攝像頭、紅外熱成像攝像頭、喊話器、照明燈等,實現(xiàn)多種功能,輔助現(xiàn)場搶修處置。

1)物資投放。在應(yīng)急搶險時,無人機可攜帶小重量的應(yīng)急物資快速抵達現(xiàn)場并投放。如針對穿越河流段等管道,可以采用無人機將輕質(zhì)繩索運至對岸,通過繩索拖拽將光纜等送至對岸,實現(xiàn)洪水沖斷光纜的搶修作業(yè)。

2)現(xiàn)場照明支持?？蓴y帶照明設(shè)施為地面提供照明,夜間一架無人機在30 m高空中懸停的燈光有效地面照射面積可達80 m2。

3)喊話疏散。在人口密集高后果區(qū),可以利用喊話器在第一時間對人員進行引導(dǎo)疏散。喊話器工作時最大音量為90 dB,通訊距離為4 km。

3.3 外接平臺集成功能

通過無人機攜帶的檢測、監(jiān)測、采集儀器,再通過外部平臺、軟件實現(xiàn)功能集成。

1)基礎(chǔ)測繪測量功能。通過設(shè)定無人機飛行航線,對重點區(qū)域進行測繪,通過將航拍成果數(shù)據(jù)進行后期處理可以更為準(zhǔn)確地核定災(zāi)害損失。

2)快速三維建模功能。無人機懸掛多鏡頭數(shù)據(jù)采集儀,在應(yīng)急現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù),系統(tǒng)內(nèi)置快速合成軟件及單機版應(yīng)用系統(tǒng),實時自動合成現(xiàn)場三維實景模型,省去數(shù)據(jù)回傳的時間,可在較短時間內(nèi)生成三維圖像,并進行系統(tǒng)應(yīng)用,如計算施工土方量等。

4 無人機應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建及實踐

4.1 遠程圖傳系統(tǒng)構(gòu)建

無人機遠程圖傳系統(tǒng)包括無人機、攝像頭(普通、紅外夜視或紅外熱成像攝像頭)、地面接收站、CPE無線路由器、無線通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、指揮終端等,具體系統(tǒng)構(gòu)建見圖1。無人機通過搭載各種航拍攝像頭,可實現(xiàn)全天候攝像采集,航拍畫面通過無線傳輸方式傳輸?shù)降孛娼邮照?經(jīng)CPE無線路由器轉(zhuǎn)化,以4G/5G移動信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器,最終到達指揮終端,實現(xiàn)在應(yīng)急指揮大廳等的實時播放。另外,通過開發(fā)手機APP,可實現(xiàn)手機端遠傳呈現(xiàn),提高移動應(yīng)急能力建設(shè)水平。

圖1 遠程圖傳系統(tǒng)構(gòu)建圖

4.2 圖像合成系統(tǒng)構(gòu)建

目前無人機拍攝的單張航拍圖像所展示信息有限,無法展現(xiàn)管道周邊全部的環(huán)境特征。為了獲取更大范圍的圖像信息,開展圖像合成系統(tǒng)的構(gòu)建,采用在無人機上搭載Altizure自動航拍軟件獲取基礎(chǔ)圖像數(shù)據(jù),使用Pix4 Dmapper計算軟件進行圖像合成。

4.2.1 基礎(chǔ)圖像采集

無人機可在設(shè)定路徑上飛行并進行定時拍攝圖像,基于Altizure軟件的自動航拍功能,通過選擇不同的航拍角度,可以拍攝與地面不同角度的圖像,用于生成正射圖和斜射圖。執(zhí)行航拍任務(wù)前，首先在地圖上選定一個區(qū)域設(shè)置長寬,限制無人機僅在該區(qū)域內(nèi)飛行,設(shè)置航向重疊率和旁向重疊率,確保拍攝的每張照片存在重合區(qū)域。設(shè)置航向重疊率為65%,旁向重疊率為50%,在所選區(qū)域內(nèi)Altizure軟件將會自動產(chǎn)生5條航線,進行圖像采集[18-19],見圖2。

圖2 Altizure軟件航線設(shè)置界面圖

4.2.2 圖像合成

基于Pix4 Dmapper的測繪測量功能,可處理無人機拍攝的圖像資料,生成高精度的二維地圖或三維模型,根據(jù)需求輸出三維點云、數(shù)字模型、三維模型、正射影像等合成圖像[20]。系統(tǒng)采用無人機外接計算機處理器中的Pix4 Dmapper實現(xiàn)航拍基礎(chǔ)圖像的處理,通過添加圖像、設(shè)置POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)系,進行計算合成。圖像初始化處理后會生成報告,可以看到計算的質(zhì)量信息,包括面積、連接點數(shù)量、相機畸變參數(shù)等,最終輸出合成圖像。采用正射影像功能,經(jīng)Pix4 Dmapper合成之后,可以展現(xiàn)管道周邊大范圍區(qū)域內(nèi)平面圖像信息,有助于及時快速掌握管道周邊全部環(huán)境信息,為應(yīng)急決策提供數(shù)據(jù)支持,見圖3。

圖3 合成正射圖像

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用實踐

國家管網(wǎng)某管道公司在所轄多輛應(yīng)急衛(wèi)星通信車上均配備了無人機,實現(xiàn)了無人機應(yīng)急系統(tǒng)在油氣管道應(yīng)急搶險指揮平臺的應(yīng)用,并在多次應(yīng)急演練、搶險作業(yè)中得到現(xiàn)場應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用實踐,系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程手動操作無人機通過搭載攝像設(shè)備進行圖像采集、圖像合成、實時展示,并通過4G移動信號將圖像實時傳輸?shù)綉?yīng)急指揮大廳,為決策判斷提供信息支持,見圖4。下一步,將通過搭載智能芯片實現(xiàn)按照設(shè)計路線自動開展巡航等功能。

圖4 無人機應(yīng)急系統(tǒng)圖

5 結(jié)論及建議

無人機在油氣管道應(yīng)急搶險中具有效率高、機動靈活、高視角等優(yōu)點,可以承擔(dān)應(yīng)急高風(fēng)險場景中的探查、圖像遠傳、輔助作業(yè)等,可在人員車輛無法到場的情況下,及時掌握有效信息,搭建信息傳輸通道,為應(yīng)急決策及處置提供依據(jù),彌補了目前常用應(yīng)急通信車等建立遠傳通道的不足。此外,無人機通過搭載外部系統(tǒng)平臺,可實現(xiàn)基礎(chǔ)測繪測量、三維建模等功能,在事故災(zāi)害評估、應(yīng)急數(shù)據(jù)支持中也發(fā)揮著顯著作用。目前,無人機在應(yīng)急場景中的應(yīng)用還處于起步階段,并且受國家空中管制、需要巡飛資質(zhì)、電池續(xù)航時間短等因素制約,建議從無人機技術(shù)和管理等層面開展研究,如采用線束直供電解決續(xù)航時間問題等,促進無人機在油氣管道應(yīng)急場景中進一步發(fā)揮作用。