無人機(jī)巡檢圖像下的裝配式管線移位分析方法

王 晧，雍歧衛(wèi)，方 鋼，段紀(jì)淼

(陸軍勤務(wù)學(xué)院， 重慶 401331)

0 引言

裝配式管線是一種在應(yīng)急條件下使用的機(jī)動管線系統(tǒng)，能執(zhí)行大批量、長距離的輸油或輸水任務(wù)。在實(shí)際使用當(dāng)中，通常臨時(shí)鋪設(shè)和連接組裝，用完即可撤收。與固定長輸管線相比，具有機(jī)動性強(qiáng)、展開快速、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。在裝配式管線執(zhí)行輸送任務(wù)的過程中，可能由于各種原因，如暴雨或泥石流沖刷、車輛沖撞，會造成管線移位。每2根裝配式管線間采用連接裝置連接，當(dāng)管線移位導(dǎo)致兩管線偏折角度超過閾值時(shí)，連接裝置將會失效，從而造成液體泄漏甚至管線脫落跑油。以往遇到裝配式管線移位問題時(shí)，巡線人員基本全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀分析，對于是否確認(rèn)為隱患點(diǎn)，沒有合適的量化分析手段。因此，需要一種快速、有效的方式，準(zhǔn)確分析移位是否超過閾值，以便及時(shí)處理隱患管段，避免發(fā)生漏油、脫管事故。

傳統(tǒng)人工巡檢的方式需要巡線人員沿線路行進(jìn)檢查，受地形和天氣限制，容易造成巡線人員受傷或線路檢查不到位，巡檢效率偏低。隨著近年來無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用無人機(jī)平臺搭載合適的遙感傳感器對油氣管線展開巡檢工作，可作為人工巡檢的有力補(bǔ)充手段，大大提升巡檢效率[3]。裝配式管線通常裸露在地面鋪設(shè)，使用無人機(jī)能夠直接觀察到管線情況，所以使用無人機(jī)巡檢的方式在裝配式管線中更有優(yōu)勢。

1 無人機(jī)管線巡檢系統(tǒng)

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

無人機(jī)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)初期的英國，初期的研發(fā)方向主要為軍事領(lǐng)域的訓(xùn)練靶機(jī)和空中偵察機(jī)，一直到上世紀(jì)九十年代開始應(yīng)用于常規(guī)領(lǐng)域，并迅速發(fā)展[4]。得益于無人機(jī)靈活機(jī)動、起降受場地影響小、作業(yè)周期短、與載人航空器相比成本低等特點(diǎn)，現(xiàn)已在軍事偵察探測、火力打擊、通信中繼，與商用航測遙感、電力線巡檢、大氣監(jiān)測、林業(yè)調(diào)查、應(yīng)急救援等行業(yè)有了較為成熟的應(yīng)用[5-6]。將合適的遙感傳感器設(shè)備搭載在無人機(jī)平臺上，同樣對油氣管線自動巡檢的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。

無人機(jī)管線巡檢系統(tǒng)是一套利用無人機(jī)遙感采集地面管線信息，并對所采集的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測地面管線狀態(tài)參數(shù)、準(zhǔn)確判斷危險(xiǎn)隱患點(diǎn)的智能化系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)包括無人機(jī)飛行控制、圖像識別、無線通信、GPS差分定位、GIS多源融合等技術(shù)[7-8]。在油氣管線無人機(jī)巡檢的應(yīng)用方面，很多國家和地區(qū)已經(jīng)把該種方式作為一種常態(tài)化的油氣管線巡護(hù)業(yè)務(wù)推廣并使用。如英國的CyberHawk公司，為歐洲、美洲、亞洲的許多國家提供石油設(shè)施無人機(jī)巡檢服務(wù)，運(yùn)營多年，技術(shù)成熟，其客戶中不乏殼牌石油等國際大公司；英國陸上石油天然氣組織在2010年研發(fā)出flare stacks系統(tǒng)，該無人機(jī)巡查系統(tǒng)能夠在油氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)開展巡檢作業(yè)，大大降低巡檢的風(fēng)險(xiǎn)；英國石油公司(BP)還在2012年成立專門的研究小組，針對美國境內(nèi)的阿拉斯加普拉霍灣石油管線進(jìn)行無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的研究和運(yùn)營工作[9]。美國研制的機(jī)載激光雷達(dá)管線巡檢系統(tǒng)(ALPIS)，采用差分激光雷達(dá)傳感器進(jìn)行巡檢，根據(jù)激光回波原理遠(yuǎn)程監(jiān)測空氣中的油氣濃度，并可在地面站實(shí)時(shí)監(jiān)控地圖上顯示，同時(shí)結(jié)合其搭載的GPS系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)定位泄漏點(diǎn)[10]。此外，還有MDA公司為加拿大的油氣管線設(shè)備設(shè)施提供監(jiān)測、巡檢服務(wù)，其巡檢無人機(jī)主要搭載光學(xué)相機(jī)與紅外成像儀；Aerostar公司為防止地質(zhì)災(zāi)害和不法破壞，采用無人機(jī)對阿塞拜疆的巴庫油田周邊的石油管線進(jìn)行常態(tài)化巡檢服務(wù)；香港機(jī)電工程署對地區(qū)內(nèi)眾多難以到達(dá)的油氣管線覆蓋區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)巡查，并用其無人機(jī)搭載的氣體探測器進(jìn)行泄漏檢測[3]。

近幾年，我國油氣管線和油氣田企業(yè)也紛紛開始研究無人機(jī)巡檢技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用。中國石油管線公司在這方面起步較早，最早開始在西部的蘭成渝管線中使用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行管線巡查、油氣監(jiān)控，目前還在起草《油氣管線無人機(jī)巡護(hù)技術(shù)規(guī)范》，推動無人機(jī)巡護(hù)油氣管線技術(shù)快速發(fā)展[11-12]。2016年，上海禾賽光電科技有限公司研發(fā)出無人機(jī)甲烷遙測系統(tǒng)，能高效檢測出管線油氣泄漏。2020年，天宇經(jīng)緯科技有限公司選擇中石化華東管網(wǎng)在江蘇地界內(nèi)的南京至鎮(zhèn)江段管線共83 km作為試驗(yàn)對象，在無人機(jī)巡檢的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)全程5G通信下的網(wǎng)絡(luò)化測控和信息分發(fā)，強(qiáng)化了無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的信息化水平[13-14]。

1.2 系統(tǒng)組成

無人機(jī)管線巡檢系統(tǒng)的組成，根據(jù)其側(cè)重功能的不同，可能會在功能性模塊和載荷等方面有一定區(qū)別，但基本可分為5個(gè)部分：無人機(jī)平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面控制站、無線通信系統(tǒng)、傳感器載荷。

常見的無人機(jī)平臺按照飛行原理可分為固定翼、直升機(jī)、多旋翼3種，其在續(xù)航能力、飛行速度、飛行高度、靈活性等方面各不相同，根據(jù)任務(wù)不同應(yīng)選用不同飛行平臺[15]。多旋翼無人機(jī)以其起降對地形要求低、機(jī)動靈活、可空中懸停等優(yōu)點(diǎn)在巡檢中一般應(yīng)用較多。飛行控制系統(tǒng)一般由全球定位系統(tǒng)(GPS或北斗系統(tǒng))、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、多普勒航向參考系統(tǒng)等組成，用于掌握無人機(jī)位置、姿態(tài)等信息，控制無人機(jī)飛行[16]。地面控制站一般用于對飛行參數(shù)、傳感器參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制[17]。無線通信系統(tǒng)是無人機(jī)與地面控制站數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，?dāng)無人機(jī)飛行距離過遠(yuǎn)時(shí)，可以視情況開設(shè)中繼站以保證通信質(zhì)量。傳感器載荷是無人機(jī)采集數(shù)據(jù)、感知信息的核心，主要包括：光學(xué)相機(jī)、紅外傳感器、多/高光譜成像儀、合成孔徑雷達(dá)、激光雷達(dá)[18]等。

本文提出的裝配式管線移位檢測方法，對無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的硬件設(shè)備要求不高，僅需光學(xué)相機(jī)采集的圖像資料便可完成檢測，具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，普通消費(fèi)級無人機(jī)也可適用。

2 裝配式管線移位分析模型

2.1 移位閾值界定

裝配式管線按連接方式不同可分為槽頭式鋼質(zhì)管線與承插式鋼質(zhì)管線。在受到外力產(chǎn)生移位后，如果相鄰兩根管子間的偏轉(zhuǎn)角度超過管子接頭最大允許偏轉(zhuǎn)角(槽頭式為4°，承插式為2°)，則管線接頭極易發(fā)生泄漏、脫落、斷裂等安全隱患。

2.2 移位特征分析模型

一段鋪設(shè)基本為直線狀的地面管線受到較大外力沖擊時(shí)，通常會發(fā)生如圖1所示的移位變化，其中，受力中心管段呈同向彎曲(與沖擊外力同向)，如圖中ABC段，而其兩端的管子由于受到線路其余管子的約束，呈反向彎曲狀態(tài)，如圖中CDE段。

圖1 管線移位分析圖

對于同向彎曲管段ABC，假設(shè)彎曲段管子數(shù)量為N，各管子之間的偏轉(zhuǎn)角度均為φ,取彎曲段對稱的一半進(jìn)行分析，若不考慮管子自身的彎曲變形，則管子①兩端的相對偏移量為：

(1)

管子②兩端的相對偏移量為

(2)

管子③兩端的相對偏移量為

(3)

依次類推，第N/2根管子(N為偶數(shù))兩端的相對偏移量為

(4)

因此，對于總管子數(shù)為偶數(shù)根N的彎曲段ABC，其彎曲矢度為

y=Δy1+Δy2+Δy3+…+ΔyN/2=

(5)

式中:y為同向彎曲管段的彎曲矢度；l為單根管子長度，一般為6 m；φ為管子之間的偏轉(zhuǎn)角；N為同向彎曲管段內(nèi)偶數(shù)管子總根數(shù)。

若同向彎曲管數(shù)為奇數(shù)，則彎曲段中間一根管子呈平直狀態(tài)；減去該管后，彎曲管數(shù)量成為偶數(shù)，彎曲管段的彎曲矢度則為

(6)

式中N′為奇數(shù)彎曲管數(shù)。

若管線發(fā)生移位使管子間的偏轉(zhuǎn)角達(dá)到最大允許值，則不同管子數(shù)量時(shí)，該管段的允許彎曲矢度如表1所示。

表1 管段允許最大彎曲矢度對照表 m

因此，測量同向彎曲管段的實(shí)際彎曲矢度，根據(jù)該管段管子根數(shù)，可判斷其是否超過表1所示的允許值，若超過，則報(bào)警提示巡線人員重點(diǎn)關(guān)注。

對于反向彎曲的管段CDE，其最遠(yuǎn)端C偏離原管線位置EF的距離為

(7)

式中:z為反向彎曲管段的最大偏移量；M為反向彎曲管子總根數(shù)。

與前述方法相同，測量反向彎曲管段的最大偏移量z，根據(jù)該管段管子根數(shù)，可得到管子之間的偏轉(zhuǎn)角，若其超過相應(yīng)管子的最大允許折角，則報(bào)警。

3 功能實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

3.1 功能模塊開發(fā)

管線移位分析功能模塊以Visual Studio 2013開發(fā)環(huán)境和Qt5.7 圖形用戶界面應(yīng)用程序框架為平臺，采用 C++開發(fā)，運(yùn)行環(huán)境支持Windows 7與windows 10。具體功能實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 管線移位分析流程框圖

3.2 功能操作與實(shí)現(xiàn)

打開軟件，導(dǎo)入拼接完成后的實(shí)景圖，在實(shí)景圖上，先點(diǎn)擊未發(fā)生偏移的管子兩端，確定管線的原始未偏移走向，再點(diǎn)擊偏移(或彎曲)管段的最遠(yuǎn)偏離點(diǎn)，彈出圖3所示界面；計(jì)算(清點(diǎn))偏移(或彎曲)管段中的管子根數(shù)，將其輸入圖3所示界面“輸入管子根數(shù)”欄中，并選擇管線類型(承插管線或槽頭管線)，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，軟件界面自動彈出計(jì)算分析結(jié)果。如果結(jié)論顯示該管段“危險(xiǎn)”，表明應(yīng)該前往現(xiàn)場檢查處理；如果結(jié)論顯示“安全”，則進(jìn)一步對該管段內(nèi)相鄰管子偏轉(zhuǎn)明顯的接頭進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角度檢查，如圖4所示。

圖3 管線移位分析操作界面

圖4 管線接頭偏轉(zhuǎn)角度測量操作界面

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

選擇在空曠場地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用槽頭式鋼制管線，管線根數(shù)為8根。巡檢用無人機(jī)型號為WK6-1550，該六旋翼無人機(jī)外形如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)用巡檢無人機(jī)

無人機(jī)掛載為CCD相機(jī)SNOYA-5100如圖6所示，該相機(jī)質(zhì)量僅0.3 kg，具有了高清變焦功能，有效像素不低于2 430萬；快門速度可達(dá)30-1/3 200 s，支持遙控一鍵拍照、錄像等功能。此款相機(jī)能夠滿足管線線路巡檢的精確拍攝要求，并能實(shí)時(shí)傳回高清圖像資料。

圖6 載荷SONYA-5100 CCD相機(jī)

實(shí)驗(yàn)過程，將8根槽頭式管線連接完畢后，人工調(diào)整每根管線間的偏轉(zhuǎn)角度，再通過無人機(jī)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行航拍，將采集的圖像導(dǎo)入開發(fā)的管線移位分析軟件進(jìn)行建模分析；重復(fù)進(jìn)行20組。部分實(shí)驗(yàn)過程管線情況如圖7—9所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)管線場景圖1

圖8 實(shí)驗(yàn)管線場景圖2

圖9 實(shí)驗(yàn)管線場景圖3

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果為安全的管段中，有2處存在某接頭處明顯彎曲角度過大情況，經(jīng)測量大于4°，也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過提出的數(shù)學(xué)模型及軟件對無人機(jī)巡檢圖像中的管線移位情況進(jìn)行分析，操作簡單，數(shù)值精確，分析可量化，明顯優(yōu)于人工判斷的分析方式。

4 結(jié)論

裝配式管線輸送介質(zhì)通常為成品油料，對安全性要求高，同時(shí)管線分布地域廣、點(diǎn)多線長、部分區(qū)域條件惡劣，給巡檢工作帶來一定難度。使用無人機(jī)對裝配式管線進(jìn)行巡檢作業(yè)，能夠克服人工巡檢速度慢、視野窄、特殊地域難到達(dá)等缺點(diǎn)，達(dá)到提升效率的目的。

本文提出的基于無人機(jī)采集圖像分析管線移位情況的方式，能將原本憑經(jīng)驗(yàn)檢測的內(nèi)容以量化數(shù)據(jù)形式顯示，對管線安全隱患的快速判別預(yù)警有重要作用。經(jīng)過驗(yàn)證，該方法有較強(qiáng)可行性和實(shí)用性，能夠有效提升裝配式管線輸送過程的安全性、可靠性。

下一步研究還需探索新方式、新算法，加強(qiáng)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、分析能力，提升系統(tǒng)智能化水平，使管理者能夠?qū)崟r(shí)掌握全線情況，及時(shí)排查隱患管段，快速發(fā)現(xiàn)線路泄漏、跑油等事故，并根據(jù)情況合理分配搶修維護(hù)力量。