無人機在油田安全監(jiān)督中的應(yīng)用研究

劉新軍 劉業(yè)博

（1.大慶油田有限責(zé)任公司質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評價中心，黑龍江 大慶 163453；2. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

目前在實踐中，油田HSE監(jiān)督方式主要是以人員現(xiàn)場監(jiān)督為主，該監(jiān)督方式簡單易行，可有效對現(xiàn)場HSE隱患進行識別判斷，并立即進行告知。因此，該監(jiān)督方式被各油田廣泛采用。

但該監(jiān)督方式對某些現(xiàn)場或監(jiān)督對象存在不足，主要體現(xiàn)在兩方面：一是“三違”行為難發(fā)現(xiàn)。實踐中，作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)HSE監(jiān)督人員后，立即停止相關(guān)作業(yè)活動并離開作業(yè)區(qū)域，導(dǎo)致人員違章行為有時難以發(fā)現(xiàn)。二是現(xiàn)場監(jiān)督存在盲點。以對大修、鉆井、大型施工現(xiàn)場的高處作業(yè)監(jiān)督情況為例，對于井架二層平臺、建設(shè)施工高處作業(yè)面以及高處的設(shè)備設(shè)施，安全監(jiān)督人員在地面就難以實施有效監(jiān)督，存在監(jiān)督盲點。這些傳統(tǒng)人工監(jiān)督方式的瓶頸問題，在很大程度上制約著安全監(jiān)督的深入開展。

1 無人機監(jiān)督的可行性

目前，國內(nèi)很多油田都相繼開展了無人機在電力巡線、應(yīng)急指揮、排水干渠巡檢、管道巡檢、油井巡視及安防巡檢等方面的應(yīng)用，并取得了較好的效果。從無人機飛行合規(guī)性及設(shè)備搭載技術(shù)上已具備現(xiàn)場安全監(jiān)督的可行性。

1.1 飛行合法有保障

目前，很多專門從事無人機技術(shù)服務(wù)的機構(gòu)，都已取得民用無人駕駛航空器經(jīng)營許可證，具有空域管理部門審定的空域飛行權(quán)等資質(zhì)，能夠完全合法開展無人機飛行任務(wù)。

對此，油田可以聘請這些具備相應(yīng)資質(zhì)的技術(shù)服務(wù)機構(gòu)在油田各區(qū)域執(zhí)行無人機飛行任務(wù)。

1.2 技術(shù)能力有保障

目前，從油田的角度來說，基本上都擁有經(jīng)驗豐富的安全監(jiān)督人員，具備對現(xiàn)場視頻中各類違章行為的識別、分析和評估能力，可實現(xiàn)對現(xiàn)場或遠程指揮無人機駕駛員執(zhí)行安全監(jiān)督任務(wù)。

1.3 服務(wù)支持有保障

目前，工業(yè)級無人機均可配套搭載各種攝像設(shè)備，并配有遠程集控平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對現(xiàn)場執(zhí)行任務(wù)的無人機視頻數(shù)據(jù)遠程傳輸，遠程指揮操控，視頻圖像抓取、拍照等，能夠滿足影像要求。

2 無人機監(jiān)督影響因素的分析及對策

目前，無人機應(yīng)用多用于電力巡檢、測繪、基礎(chǔ)建設(shè)等領(lǐng)域[1-2]，主要搭載攝像機、紅外熱像儀、微光視夜儀等設(shè)備對地面大范圍、全方位進行監(jiān)控[3]。從常用的無人機機型來看，目前市場上工業(yè)級多旋翼類型的無人機，從續(xù)航時間、抗風(fēng)能力、工作溫度和飛行高度等能滿足油田安全監(jiān)督飛行條件。具體見表1。

表1 適于安全監(jiān)督的無人機基本參數(shù)

2.1 無人機監(jiān)督的影響因素

對于滿足現(xiàn)場應(yīng)用的無人機，油田在應(yīng)用過程中，必須在保證飛機安全前提下，確保無人機在視覺、聽覺方面“無感知”，實現(xiàn)真正意義上的監(jiān)督檢查“四不兩直”（不發(fā)通知、不打招呼、不聽匯報、不用陪同接待、直奔基層、直插現(xiàn)場），同時，還要持續(xù)保持畫面清晰及電池可靠。

2.2 視覺感知消除對策

制約視覺效果的因素主要取決于無人機與人的直線距離。理想狀態(tài)下，無人機距人在2.4 km以上時，則肉眼不可見。筆者團隊通過現(xiàn)場試驗，在天氣晴朗情況下，無人機距人在1.5 km以上時，則可實現(xiàn)肉眼不可見。

為進一步優(yōu)化飛行高度，本研究將人眼的晶狀體看成距視網(wǎng)膜2 cm的一個簡單透鏡（見圖1），并設(shè)定無人機在視網(wǎng)膜上成像0.1 mm，0.05 mm，0.025 mm時分別表示較易見、較難見、難見、極難見。

圖1 眼睛觀察無人機示意圖

按照公式(1)在無人機較難見的情況下，計算可得四旋翼無人機人與機距離在170 m以上，六旋翼無人機人與機距離在300 m以上時，地面人員難以看見。計算結(jié)果見表2。

表2 無人機飛行距離可視情況統(tǒng)計表

2.3 聽覺感知消除對策

本研究主要通過噪聲對人機距離影響理論及相關(guān)試驗結(jié)果，確定人耳難察覺條件下不同型號無人機飛行距離最小值。

本研究在實驗過程中，取通常情況下地面風(fēng)速1.7 m/s（2級風(fēng)），無人機試驗現(xiàn)場測定環(huán)境噪聲為40 dB（較安靜），同時在地面用分貝測試儀測試無人機在不同的飛行人機距離產(chǎn)生的噪聲值。根據(jù)試驗結(jié)果，無人機飛行時，當(dāng)人機距離大于100 m時，地面測得噪聲值回歸到環(huán)境噪聲值，即40 dB，試驗測得噪聲數(shù)據(jù)與損失分數(shù)值曲線基本擬合，此時，地面人員很難聽到無人機產(chǎn)生的噪聲（見圖2）。

圖2 無人機不同飛行高度噪聲變化曲線

2.4 監(jiān)督影像拍攝距離確定

四旋翼、六旋翼兩類無人機搭載的光學(xué)變焦鏡頭，具備40倍變焦功能，即可以在不減少畫質(zhì)分辨率的前提下，將畫面中的物體放大40倍。根據(jù)本研究在現(xiàn)場試驗不同光學(xué)變焦倍數(shù)，在保證畫面清晰度（綜合考慮鏡頭及空氣質(zhì)量影響），且同時滿足無感知的情況下，無人機距目標(biāo)物的飛行距離X1（如圖3所示），最遠可達到1.6 km（四旋翼無人機）和3 km（六旋翼無人機）。

圖3 無人機HSE監(jiān)督位置關(guān)系圖

2.5 監(jiān)督影像拍攝角度確定

無人機執(zhí)行整體巡視監(jiān)督時，操作人員可應(yīng)將飛行器升至目標(biāo)區(qū)域上方100～200 m，并將攝像頭向下調(diào)整，進行全景圖拍攝，此時巡視面積約為10 km2。

無人機執(zhí)行具體安全問題監(jiān)督時，操作人員應(yīng)選擇不受遮擋、能確認問題的拍攝角度進行懸停跟蹤拍攝。經(jīng)現(xiàn)場試驗，拍攝角度范圍在30°～60°時為最佳，同時通過選擇合理的變焦倍數(shù)，可清楚拍攝并能確認各類“三違”行為問題。

3 無人機在油田HSE監(jiān)督現(xiàn)場的應(yīng)用及效果

筆者通過在某油田應(yīng)用無人機實施監(jiān)督作業(yè)現(xiàn)場443個，發(fā)現(xiàn)問題1 257個，其中，“三違”行為問題651個，占51.8%，取得了較好的監(jiān)督效果，尤其對于現(xiàn)場“三違”行為起到了極大震懾作用。

3.1 高處作業(yè)監(jiān)督

實踐中，油田通過應(yīng)用無人機監(jiān)督，實現(xiàn)了高處施工監(jiān)督現(xiàn)場可視。安全監(jiān)督人員通過無人機從高處向下俯視，可以清楚地觀察高處設(shè)備設(shè)施和作業(yè)行為（見圖4、圖5），而傳統(tǒng)的地面監(jiān)督則難以發(fā)現(xiàn)此類問題。

圖4 某鉆井現(xiàn)場，員工二層平臺作業(yè)時吸煙、未佩戴安全帽

圖5 某修井現(xiàn)場，天車頭無護罩、無防跳槽裝置

3.2 鉆修井搬遷監(jiān)督

對于鉆修井搬遷現(xiàn)場來說，交叉、協(xié)同作業(yè)頻繁，常規(guī)監(jiān)督方式往往難以實現(xiàn)全局性、實時性監(jiān)督，同時在實踐中還存在現(xiàn)場因監(jiān)督人員介入，作業(yè)人員便立即停止施工，致使監(jiān)督取證難等問題。通過無人機監(jiān)督，即可實現(xiàn)高處立體直觀監(jiān)督，在實踐中取得了較好的監(jiān)督效果（見圖6、圖7）。

圖6 某修井搬家現(xiàn)場，人員在吊起的井架下方通過

圖7 某鉆井搬家現(xiàn)場，車輛從吊裝物下駛過

3.3 工程建設(shè)現(xiàn)場監(jiān)督

在工程建設(shè)現(xiàn)場過程中應(yīng)用無人機監(jiān)督，能夠?qū)崿F(xiàn)“快速到達現(xiàn)場”“不易被地面施工人員察覺”，進而在第一時間還原現(xiàn)場實際狀況，更好地實現(xiàn)立體動態(tài)監(jiān)督（見圖8、圖9）。

圖8 某建筑施工現(xiàn)場，作業(yè)人員無防墜落措施

圖9 某吊裝作業(yè)現(xiàn)場，吊起管道的吊臂下站人

4 結(jié)論

根據(jù)上述研究，油田應(yīng)用無人機開展安全監(jiān)督，監(jiān)督人員無需抵近目標(biāo)現(xiàn)場，便可實現(xiàn)對鉆井作業(yè)現(xiàn)場快速、無感知、全方位監(jiān)督，能夠有效減少監(jiān)督盲點，彌補傳統(tǒng)人工現(xiàn)場監(jiān)督短板，對現(xiàn)場違章行為能夠起到極大震懾作用。