無人機在油氣管道巡檢管理中的應(yīng)用前景分析

李凱

摘??要：目前，國內(nèi)外對于無人機技術(shù)的發(fā)展研究不斷增多，無人機的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。針對無人機在油氣管道巡檢管理中的應(yīng)用，目前已經(jīng)有了較為成熟的案例。該文將在目前無人機技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對無人機在油氣管道巡檢的應(yīng)用進行分析，同時討論了傳統(tǒng)油氣管道巡檢模式與無人機巡檢模式對比和油氣管道的無人機巡檢系統(tǒng)構(gòu)成，此外還分析了現(xiàn)有的以及將來可能實現(xiàn)的可用于油氣管道巡檢的無人機新興技術(shù)，闡明了無人機在油氣管道巡檢管理中的具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無人機??油氣管道巡檢??應(yīng)用前景??巡檢模式

中圖分類號：TE973???????????文獻標(biāo)識碼：A

Analysis?of?the?Application?Prospect?of?UAVs?in?oil?and?Gas?Pipeline?Inspection?Management

LI?Kai

（Tianjin?Tianke?Digital?Innovation?Science?&?Technology?Co.，?Ltd.，?Tianjin，?300110?China）

Abstract：?At?present，?the?research?on?the?development?of?UAV?technology?is?increasing?at?home?and?abroad，?and?the?application?field?of?UAVs?is?also?expanding.?For?the?application?of?UAVs?in?oil?and?gas?pipeline?inspection?management，?there?are?already?relatively?mature?cases?at?present.?Base?on?the?current?status?of?the?UAV?technology?development，?this?paper?will?analyze?the?application?of?UAVs?in?oil?and?gas?pipeline?inspection，?and?discuss?the?comparison?between?the?traditional?oil?and?gas?pipeline?inspection?mode?and?the?UAV?inspection?mode?and?the?composition?of?the?UAV?inspection?system?of?oil?and?gas?pipelines，?also?analyze?the?existing?and?possible?emerging?technologies?of?UAVs?that?can?be?used?for?oil?and?gas?pipeline?inspection，?and?clarify?the?broad?application?prospect?of?UAVs?in?oil?and?gas?pipeline?inspection?management.

Key?Words：?Unmanned?aerial?vehicle;?Oil?and?gas?pipeline?inspection;?Application?prospect;?Inspection?mode

隨著科技的進步發(fā)展，目前國內(nèi)外的無人機技術(shù)日漸成熟，商業(yè)化以及科研用途的無人機不斷更新自身“功能庫”，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域皆得到廣泛的應(yīng)用。20世紀20年代，第一架軍用無人機進入人們視野，自此，無人技術(shù)正式翻開飛行領(lǐng)域的新篇章。截至目前，我國的無人機發(fā)展史已逾40年，其在油氣管道中的遙控巡檢也成為一種運用于現(xiàn)代企業(yè)管理的輔助型手段。針對無人機在油氣管道巡檢管理的應(yīng)用的成熟度目前已得到了一定程度的證實，對于其將來在該領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展仍面臨著一些關(guān)鍵要點亟待解決，想要將人工巡檢油氣管道完全以無人機巡檢替代仍舊需要很長的路要走。但不可否認，無人機在油氣管道巡檢管理的應(yīng)用或可成為未來無人機行業(yè)極具前景的領(lǐng)域之一。

1??無人機技術(shù)在油氣管道巡檢中的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，人工智能的迅速發(fā)展帶動了無人機技術(shù)的跨越式進步，隨著市場需求的不斷擴大，目前無人機產(chǎn)品不斷迭代升級，從無人戰(zhàn)斗機到民用無人機、從大型無人機走向微型無人機，電子、機械、材料、計算機等學(xué)科的進步正催生無人機的下一步革新。值得指出的是，無人機技術(shù)不僅僅局限于該文所討論的油氣管道巡檢管理應(yīng)用的范疇，還包括許多民用、軍用等各類領(lǐng)域，該文僅以無人機技術(shù)在油氣管道巡檢中的應(yīng)用作為討論基礎(chǔ)[1]。

在油氣管道巡檢應(yīng)用中，對比人工巡檢，無人機巡檢囊括了高效率、高安全性、高精度、易操作等優(yōu)勢，同時不受惡劣環(huán)境和復(fù)雜地形的影響，能夠有效完成巡檢任務(wù)。目前針對無人機技術(shù)在油氣管道巡檢中的研究主要集中在機體設(shè)計、控制策略、檢驗算法等方面。

針對國內(nèi)無人機技術(shù)在油氣管道巡檢中的應(yīng)用，無人機遙感技術(shù)在2011年的蘭成渝輸油管道中首次得到應(yīng)用。1年后，無人機管道巡檢的飛行試驗在西氣東輸公司得到印證。此后，包括中石油西南管道公司、中石化銷售華南分公司等陸續(xù)將無人機技術(shù)應(yīng)用于管道巡檢的實踐當(dāng)中，故目前無人機在油氣管道巡檢中已取得了較為成熟的結(jié)果。

無人機技術(shù)在油氣管道巡檢中的發(fā)展歷程主要可以總結(jié)出如下幾個重要的成功應(yīng)用案例：2017?年，山西煤層氣安澤項目部進行無人機煤層氣巡檢，這一過程完整且高效率地完成了無人機在下雨的情況下（惡劣天氣演練）能夠無死角地完成巡檢任務(wù)，說明了無人機對施工現(xiàn)場巡檢的有效性。2017?年?7?月，華北石油采油一廠進行在白洋淀進行水上應(yīng)急救援演練，在包括布樁、收油等眾多流程在內(nèi)的應(yīng)急情況進行高精度以及變焦拍攝，很好地完成了無人機的高空巡檢拍攝任務(wù)。2021年7月，廣東分公司全面啟用無人機，正式開啟了“科技航油”新征程。為做好無人機在中國航油系統(tǒng)內(nèi)的首次應(yīng)用，廣東分公司早計劃、細安排、嚴要求，以廣州第二航油管道作為無人機巡檢的試點單元，在“無飛行經(jīng)驗、無案例參考、無現(xiàn)成體系”的情況下，不斷優(yōu)化飛行航線、完善合規(guī)飛行材料，建立無人機飛行風(fēng)險識別與作業(yè)指導(dǎo)書，逐步建立無人機巡查體系，為無人機推廣工作奠定基礎(chǔ)[2]。

2??傳統(tǒng)油氣管道巡檢模式與無人機巡檢模式對比

因輸油管道往往具有距離長、節(jié)點拐角多、輸量較大、管徑較大等特點，尤其是埋地油氣管道，因其所在路況復(fù)雜，同時容易遭受土壤腐蝕和人為破壞的危害，隨著使用年限的增加極易出現(xiàn)穿孔漏油的情況，對油氣輸送造成巨大的損害。針對油氣管道的巡檢內(nèi)容可參看表1內(nèi)容。

針對表1列舉的無人機在油氣管道巡檢內(nèi)容，最右側(cè)已經(jīng)列出了無人機系統(tǒng)工作所需載體，而針對巡檢內(nèi)容，以下將分為人為巡檢模式和無人機巡檢模式進行的對比討論。

2.1?傳統(tǒng)人為巡檢模式

目前，許多油田公司已建立自屬的巡檢隊伍，其對油氣管道定期進行沿管道檢查，對人為發(fā)現(xiàn)的管道泄漏等問題進行及時反饋。但顯而易見的是，該種巡檢方式極耗人力物力，而且非常容易受到惡劣天氣和難以人為行進的復(fù)雜路況的影響，巡檢工作量大，工作辛苦，甚至可能在一定程度上危害技術(shù)人員的身體健康。另外，因為巡檢內(nèi)容還包括人為破壞、油氣盜竊等問題，單純以人工方式進行巡檢可能會發(fā)生工作人員的安全性問題。此外，對純?nèi)斯みM行的油氣管道巡檢工作，因可能受到人為自身因素的影響，巡檢效果也可能大打折扣[3]。

2.2?無人機巡檢模式

目前因無人機技術(shù)的成熟和制造工藝手段的進步，無人機制造的成本低廉。且由于機電一體化技術(shù)的發(fā)展以及微機電系統(tǒng)的升級，無人機逐步朝著微型化演變，其便于運輸和操作，而且后期維護也十分簡單。針對許多人員不易進入的地域，無人機可輕松飛行，利用視覺圖像采集、氣體傳感和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)將巡檢過程中獲取到的數(shù)據(jù)及時反饋給終端，與管理中心進行實時對接。對于夜間人工不易進行時的巡檢工作，無人機可以通過熱成像技術(shù)等在夜間對人為破壞等進行實時監(jiān)測。該種方式能夠極大節(jié)省人力投入，同時可以實現(xiàn)信息反饋的即時性和精確性。而且目前國內(nèi)外的無人機技術(shù)十分成熟，能夠有效解決目前巡檢中存在的各類問題[4]。

3??油氣管道的無人機巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

目前，用于油氣管道巡檢的無人機巡線系統(tǒng)一般由航路檢測、地面控制和數(shù)據(jù)處理模塊組成，其主要模塊功能以及構(gòu)成元件如下。

3.1??航路監(jiān)測模塊

一般情況下，航路檢測模塊是由無人機搭載多種傳感器（包括特殊氣體傳感器、紅外傳感器等）組成，并且攜帶的影像監(jiān)測裝置可以生成指定區(qū)域視頻及照片，從而獲取三維建模原始數(shù)據(jù)。航路監(jiān)測模塊有助于獲取傳達給中樞處理模塊的有效信息，從而使得工作人員可以有效對巡檢獲得的結(jié)果制訂下一步的處理方案。

3.2??地面控制模塊

地面控制模塊是通過無線信號與航路檢測模塊進行通信，實現(xiàn)工作人員對無人機飛行狀態(tài)的實時控制和調(diào)節(jié)。地面控制模塊主要由工作人員進行主動控制，也可以在其中加入部分無人操作的自動指令，將大量任務(wù)（包括規(guī)定軌道路線、指定時間間隔拍攝/攝影任務(wù)等）集成化嵌入無人機系統(tǒng)中。地面控制模塊主要是針對突發(fā)狀況以及人為監(jiān)測無人機運行時進行控制的模塊。

3.3??中樞處理模塊

中樞處理模塊能夠?qū)⒑铰繁O(jiān)測模塊獲取并且進行實時反饋的包括圖像、音頻、氣體傳感等數(shù)據(jù)進行集中處理，對前期設(shè)定的管道巡檢情況進行分析。例如：目前有部分研究針對無人機采集的視頻圖像進行實時處理，對航路監(jiān)測模塊獲取到的信息進行包括比對、強化等處理。另外，也有研究者制定了人工智能技術(shù)與管道感知技術(shù)結(jié)合的技術(shù)路線，該種方法能夠有效實現(xiàn)對機場的無人機巡檢，其也為該文討論的無人機在油氣管道巡檢中的應(yīng)用提供了一個有力支持[5]。

4??無人機在油氣管道巡檢中的現(xiàn)有技術(shù)手段

針對表1提到的無人機在油氣管道的常規(guī)巡檢，其數(shù)據(jù)處理主要基于可見光圖像的處理，包括圖像拼接、特征提取、圖像標(biāo)定等技術(shù)手段。依賴于可見光、紅外等載體，特定傳感器以及信號接收器能夠在巡檢過程中截取到所需要的圖像或者視頻信息，從而達成所需要的要求。智能圖像對比分析是對于無人機巡檢油氣管道過程中另外一個十分重要的技術(shù)手段，它能夠?qū)崿F(xiàn)將中樞（控制端）感興趣的地貌特征、房屋情況等信息和本身拍攝到的圖像進行智能比對，分析油氣管道可能出現(xiàn)的漏油/破壞/施工等各類情況，同時也可以在一定程度上實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，將各種不同時態(tài)、不同場景下的圖片進行拼接合成，與過去某個標(biāo)準時期的圖像進行比對，若是發(fā)生了改變或者是不良狀態(tài)，立即通過反饋系統(tǒng)將信息發(fā)送給控制端，實現(xiàn)問題的即時解決。

針對應(yīng)急監(jiān)測的巡檢內(nèi)容，常用的是位置標(biāo)注、氣體傳感等技術(shù)手段。針對氣體泄露的情況，無人機依賴甲烷傳感器等氣體傳感器，通過測定氣體濃度或者氣體類型等監(jiān)測是否泄露；利用可見光等載體實現(xiàn)確定自然災(zāi)害是否發(fā)生/發(fā)生了何種災(zāi)害的目的。

另外，參照無人機圖像識別技術(shù)在輸電線路缺陷分析中的應(yīng)用，目前多數(shù)利用的是深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對油氣管道是否存在缺陷/泄露識別進行分析。無人機圖像識別技術(shù)的應(yīng)用，是在管道缺陷識別與分析處理的基礎(chǔ)上，對管道缺陷的圖像處理過程、缺陷圖像分析等方面進行優(yōu)化，滿足管道缺陷識別與分析的綜合需求?；谏疃染矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用，可對油氣管道的不同缺陷進行分類，并對不同缺陷進行分類與識別，滿足油氣管道缺陷識別分析需求[6]。

5??可用于油氣管道巡檢的無人機新興技術(shù)

5.1??3S技術(shù)

3S技術(shù)指的是遙感技術(shù)（Remote?Sensing?Technique，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geographic?Information?System?，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global?Positioning?System，GPS）的總稱，是多學(xué)科交叉的信息技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)等的集中結(jié)合，能夠?qū)臻g信息進行采集、處理、分析等，是一項目前“互聯(lián)網(wǎng)+”以及“智慧化”建設(shè)等項目中較為常見的一項新型技術(shù)。將3S技術(shù)應(yīng)用于無人機油氣管道巡檢，可以實現(xiàn)多種技術(shù)的有機結(jié)合，以強大的技術(shù)體系支撐油氣管道巡檢過程中的快速信息讀取、信息處理和可靠更新等要求。故考慮將3S技術(shù)應(yīng)用在無人機油氣管道巡檢中具有現(xiàn)實可操作性，同時也具有廣泛的發(fā)展前景。

5.2??圖像增強和智能識別技術(shù)

目前基于無人機采集的圖像數(shù)據(jù)采用到了包括機器學(xué)習(xí)、算法分析等關(guān)鍵技術(shù)?？紤]加強無人機在油氣管道中的應(yīng)用功能，可以在算法中采用高清特征提取器、管道走向標(biāo)注等辦法加強獲取識別到的圖像像素。在油氣管道巡檢中，無人機的圖像增強和智能識別技術(shù)能夠大大提高識別泄露管道圖像的精確性，同時也對日/夜間巡檢人為盜竊/破壞等行為具有更好的捕捉能力。

5.3??無人機集群智能技術(shù)

目前針對油氣管道巡檢的無人機大部分是按照特定指令完成特定任務(wù)的單一無人機體。目前，在人工智能領(lǐng)域，“群智”概念成為熱門。在此研究背景下，可以考慮將無人機集群智能技術(shù)運用到油氣管道巡檢中，采用多數(shù)量、多功能的無人機系統(tǒng)相互配合完成任務(wù)。例如：各類型無人機分別完成通過基于終端發(fā)射的不同指令，同時進行任務(wù)執(zhí)行。該種方法能夠有效避免單一無人機故障的局面，也適用于遠距離管道巡檢的前提條件，與現(xiàn)有的網(wǎng)格化管理更加適配，補充結(jié)合，形成立體化、多樣化的多功能無人機群巡檢網(wǎng)絡(luò)。

5.4??無人機避障技術(shù)

在目前的無人機技術(shù)中，常見的避障系統(tǒng)包括超聲波避障、雷達避障、紅外避障、三維地圖無線技術(shù)避障以及輸電線路電磁場避障，相對來說，紅外避障作用距離比較近，超聲避障最大作用距離是10?m，三維地圖避障技術(shù)在使用中需要實時更新地圖?？紤]到在油氣管道巡檢中應(yīng)用的無人機無可避免地會遇到需要避障的難題，故需要考慮一種理想的、低成本的、有效的避障方法。目前較為可實現(xiàn)的是一種基于電磁場的避障技術(shù)，但其基于直角坐標(biāo)系的基礎(chǔ)對于無人機在油氣管道巡檢過程中可能會產(chǎn)生一些難以控制的問題，故尚需考慮一種更加切實可行的避障辦法。

6??無人機技術(shù)在油氣管道巡檢應(yīng)用的發(fā)展展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息化水平的提高，無人機技術(shù)也逐漸地發(fā)展和成熟，目前無人機技術(shù)在油氣管道巡檢管理的有效應(yīng)用已得到了良好的印證，并且在未來的油氣管道巡檢中起到難以替代的作用。雖然無人機技術(shù)在一定程度上降低了人工巡檢強度，但也有可能會帶來新的問題，如合規(guī)飛行、無人機續(xù)航能力不足、管道微滲無法發(fā)現(xiàn)等?，F(xiàn)下無人機技術(shù)的不斷成熟，但如何更好地符合社會發(fā)展的要求，達成所需經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益的要求，在未來的發(fā)展進程中還可以考慮以下幾個方面。

6.1??開展無人機續(xù)航能力研究

目前，使用無人機技術(shù)對油氣管道進行巡檢排查，因油氣管道運輸距離較長，如何增強無人機續(xù)航能力是一個重要的思考點。目前常用的電池包括鋰電池、燃料電池等，如何延長電池壽命，提高電池續(xù)航能力或許都可以為無人機技術(shù)再添發(fā)展新動力。

6.2??開展無人機即時通信研究

加強無人機實時通信遠傳技術(shù)研究，結(jié)合目前的5G技術(shù)，可以開展?5G?應(yīng)用于無人機巡線，提升圖像傳輸速度，來達到更好的實時反饋、實時處理的效果。目前，無人機接收到必要信息（例如采集到相關(guān)圖像，獲取到氣體信息等），確認后傳輸?shù)降孛婵刂浦行牡恼麄€過程，因為信息延遲和可能發(fā)生的中斷狀況，往往無法避免會出現(xiàn)信息來不及及時處理，造成很大程度的成本浪費問題。

6.3??開發(fā)無人機自識別算法

因目前運用在油氣管道巡檢的無人機技術(shù)大部分依賴于將拍攝的圖像傳遞給中樞控制系統(tǒng)，由人工來進行后續(xù)處理?？梢钥紤]開發(fā)一套基于人工智能的無人機自識別算法，將遭破壞的管道或者是受到侵蝕的泄露管道直接進行標(biāo)定處理，減少后續(xù)工作程序的繁冗以及后續(xù)的人為所需的工作。

7??結(jié)語

無人機技術(shù)在油氣管道巡檢中的應(yīng)用充分反映了無人機技術(shù)縱向發(fā)展的優(yōu)勢，目前針對油氣管道巡檢的無人機技術(shù)系統(tǒng)較為成熟和全面，其能夠取代傳統(tǒng)的純?nèi)斯ぱ矙z方式，充分利用現(xiàn)有前沿技術(shù)，在油氣管道巡檢中發(fā)揮出了巨大作用。此外，用于管道巡檢的無人機技術(shù)并且有望在未來有機會融合更多新興技術(shù)，在無人機領(lǐng)域內(nèi)迎來新一輪的更大發(fā)展。

參考文獻

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