輸油管線巡檢無人機(jī)造型設(shè)計(jì)研究

朱力 徐江華

摘要：輸油管線巡檢無人機(jī)屬于工業(yè)無人機(jī)，用于智能化巡檢，取代人工巡檢，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各大油氣公司。文章研究輸油管線巡檢無人機(jī)的造型設(shè)計(jì)，具有以下三方面重要意義：一是有利于從造型方面優(yōu)化我國無人機(jī)，促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)增值；二是從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度研究無人機(jī)造型，填補(bǔ)我國相關(guān)研究的空白；三是有利于為我國輸油管線巡檢無人機(jī)造型設(shè)計(jì)提供新思路。利用無人機(jī)進(jìn)行智能化巡檢后，雖然大大提高了巡檢效率，但目前并沒有專為巡檢任務(wù)設(shè)計(jì)的無人機(jī)，利用現(xiàn)有工業(yè)無人機(jī)改裝后的巡檢無人機(jī)，不論是在造型還是在工作效率上都遠(yuǎn)不及成熟產(chǎn)品；同時(shí)由于設(shè)備之間不適配，因此人機(jī)之間存在安全隱患?；诖?，文章采用產(chǎn)品造型語義學(xué)以及模塊化設(shè)計(jì)理論，針對目前輸油管線巡檢無人機(jī)存在的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理論，綜合考量巡檢無人機(jī)在不同作業(yè)任務(wù)中的功能選擇，將功能模塊均設(shè)計(jì)成可任意組合的功能模組，便于針對不同任務(wù)進(jìn)行裝配。文章梳理研究巡檢無人機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)，并通過對比實(shí)際市場產(chǎn)品，得出巡檢無人機(jī)未來設(shè)計(jì)趨勢，歸納出相關(guān)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；造型設(shè)計(jì)；模塊化設(shè)計(jì)；產(chǎn)品語義學(xué)

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）13-0-03

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

1.1.1 國家戰(zhàn)略

無人機(jī)產(chǎn)業(yè)是衡量國家高端制造業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。2017年12月頒布的《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范民用無人機(jī)制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提到，到2025年，民用無人機(jī)行業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1800億元，年均增速在25%以上，產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、企業(yè)實(shí)力持續(xù)保持國際領(lǐng)先勢頭。2022年1月印發(fā)的《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中提到，我國將大力引導(dǎo)無人機(jī)創(chuàng)新發(fā)展，鼓勵(lì)建設(shè)一批創(chuàng)新平臺，支持以無人機(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈為重點(diǎn)的低空經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)建設(shè)。

1.1.2 社會發(fā)展

油氣管道是國家能源的重要組成部分，安全性至關(guān)重要，需要投入較高成本進(jìn)行巡檢和維護(hù)?，F(xiàn)代化巡檢和維護(hù)的目標(biāo)是提高油氣管道運(yùn)營的安全性，同時(shí)降低成本。然而，傳統(tǒng)手段在油氣管道巡檢中難以同時(shí)降低成本和提升安全性。我國油氣管道建設(shè)年代跨度大、分布廣、穿越地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的巡檢方法已經(jīng)無法滿足要求。因此，無人機(jī)智能化巡檢已成為未來輸油管線巡檢的趨勢。

1.2 研究意義

目前，國家管網(wǎng)集團(tuán)在役油氣長輸管道總長度約94 000千米，這些管道跨度大、分布范圍廣、穿越地形復(fù)雜，存在諸多安全隱患。傳統(tǒng)的人工巡檢方式成本高、效率低，對復(fù)雜環(huán)境和突發(fā)情況下的巡檢存在很大的局限性。

由于不同管線線路和巡檢任務(wù)的不同，所以無人機(jī)所需配置的功能也不盡相同。目前市面上并沒有專為輸油管線巡檢而設(shè)計(jì)的工業(yè)級巡檢無人機(jī)，無人機(jī)的整體造型、重量和尺寸都存在不足。

2 文獻(xiàn)綜述

本文參考的文獻(xiàn)主要分為三個(gè)方面：無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀、巡檢無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀以及無人機(jī)造型設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。

2.1 無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 無人機(jī)發(fā)展規(guī)模

根據(jù)動力來源和支撐方式的不同，無人機(jī)可以分為旋翼和固定翼兩種類型。此外，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以分為民用無人機(jī)和工業(yè)無人機(jī)兩類。在國家政策的支持和行業(yè)發(fā)展的推動下，我國商用、民用以及軍用無人機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展，目前在全球已達(dá)到領(lǐng)先水準(zhǔn)［1］。

2.1.2 無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

第一，交通領(lǐng)域。2018年公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基于無人機(jī)駕駛航空器的道路交通巡邏系統(tǒng)通用技術(shù)條件》的實(shí)施，使利用無人機(jī)進(jìn)行違法行為取證、交通流量監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤及聲光提示擁有了可能。

第二，建筑領(lǐng)域。無人機(jī)拍攝視角的變化，可以產(chǎn)出不同于人拍攝出的視覺效果，再利用三位三維模型建模，得到更清晰的地形特征，優(yōu)化視覺效果。

第三，巡檢領(lǐng)域。無人機(jī)巡檢可提升管線巡查的工作效率，如查看管線周邊綠化情況、管線通順情況、設(shè)施是否破損或標(biāo)志牌是否丟失等。

2.2 巡檢無人機(jī)研究現(xiàn)狀

2.2.1 巡檢無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

通過CiteSpace搜索關(guān)鍵詞“巡檢無人機(jī)”，抓取國內(nèi)巡檢無人機(jī)的相關(guān)學(xué)術(shù)成果，得出表1。

現(xiàn)階段，無人機(jī)巡檢僅作為備用手段以彌補(bǔ)人工巡檢的不足，但在未來可完全替代人工巡檢。無人機(jī)可克服地形障礙，實(shí)時(shí)采集各類數(shù)據(jù)、預(yù)警安全隱患，同時(shí)通過AI對比分析主動掌握周邊地理信息［2］。

2.2.2 巡檢無人機(jī)發(fā)展趨勢

（1）智能化。機(jī)器視覺、人工智能和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用賦能無人機(jī)行業(yè)，提升了智能化水平、產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品工作效率。在這些技術(shù)的加持下，無人機(jī)的適用范圍擴(kuò)大，可以在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用，更好地為用戶提供解決方案。

（2）去飛手化。隨著4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和信息化技術(shù)的大量應(yīng)用，無人機(jī)可以通過紅外傳感器對環(huán)境進(jìn)行分析感知，通過遠(yuǎn)程進(jìn)行控制和擁有無人機(jī)芯片AI自主學(xué)習(xí)功能。無人機(jī)的智能化水平將繼續(xù)提高，為未來的應(yīng)用提供更多可能性，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、救援、軍事等領(lǐng)域。

（3）平臺/體系化。隨著相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，無人機(jī)采集的圖像從二維圖像發(fā)展至三維圖像，實(shí)現(xiàn)了在空中進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控?，F(xiàn)在，無人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)形成了一個(gè)非常完整且有閉環(huán)的作業(yè)平臺、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和后臺應(yīng)用管理系統(tǒng)，以配合工作人員指揮和信息化需求。

2.3 無人機(jī)造型設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

隨著各個(gè)時(shí)期動力、材料等科技的發(fā)展，無人機(jī)的造型經(jīng)歷了三個(gè)主要階段。第一個(gè)階段是功能主義導(dǎo)向期，這一時(shí)期的無人機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于功能性，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性與性能，忽略了外形美感。第二個(gè)階段是空氣動力學(xué)發(fā)展期，隨著對空氣動力學(xué)的深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化了造型，提高了空氣動力學(xué)效率［3］。第三個(gè)階段是工業(yè)設(shè)計(jì)融入期，這一時(shí)期工業(yè)設(shè)計(jì)與航空科學(xué)、創(chuàng)意與工程技術(shù)交叉融合，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)從概念數(shù)字模型到實(shí)體的一體化。這些趨勢使無人機(jī)不僅在性能方面不斷提升，而且在造型設(shè)計(jì)上有了更多的選擇和可能性［4］。

2.4 市場產(chǎn)品案例分析

3 研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 研究目的

由于巡檢工作內(nèi)容不同，所以每次巡檢任務(wù)所需配置的功能也不相同，在執(zhí)行任務(wù)之前要按任務(wù)需求定制安裝。選裝設(shè)備的不適配性以及無人機(jī)機(jī)身的復(fù)雜性，使非專業(yè)飛手在裝配或檢修無人機(jī)時(shí)，不能順利地解決問題或達(dá)成目的，間接影響巡檢作業(yè)效率［5］。

針對這些問題，本文開展兩方面的設(shè)計(jì)研究：一是巡檢無人機(jī)造型外觀設(shè)計(jì)研究，二是巡檢無人機(jī)模塊化設(shè)計(jì)研究。

3.2 研究內(nèi)容

3.2.1 管線巡檢無人機(jī)造型設(shè)計(jì)研究

為優(yōu)化工業(yè)無人機(jī)造型，同時(shí)減少加配設(shè)備對無人機(jī)作業(yè)效率的影響，重新設(shè)計(jì)巡檢無人機(jī)造型。通過產(chǎn)品語義學(xué)研究無人機(jī)造型趨勢，根據(jù)民眾對無人機(jī)的造型認(rèn)知，降低民眾在不了解無人機(jī)作業(yè)時(shí)的戒備心和防范心，確保無人機(jī)在作業(yè)時(shí)的社會安全性［6］。

3.2.2 管線巡檢無人機(jī)功能模塊化設(shè)計(jì)研究

目前并沒有專為巡檢任務(wù)而設(shè)計(jì)的專業(yè)無人機(jī)，負(fù)責(zé)巡檢任務(wù)的無人機(jī)均為采購的商業(yè)無人機(jī)，再針對不同巡檢任務(wù)進(jìn)行二次改裝、加配設(shè)備。因此，本文對巡檢無人機(jī)所需模塊進(jìn)行總結(jié)分析，將其設(shè)計(jì)成通用的設(shè)備模塊（見圖3），使工作人員在拆卸或安裝無人機(jī)時(shí)更加容易，同時(shí)減少維修成本［7］。

4 研究方法與技術(shù)路徑

4.1 產(chǎn)品語義學(xué)

產(chǎn)品語義學(xué)起源于1983年，由德國的布特教授和美國的克里彭多夫教授共同提出。該領(lǐng)域研究如何根據(jù)不同的使用情景，將工業(yè)設(shè)計(jì)融入產(chǎn)品的象征意義。產(chǎn)品語義學(xué)主要有四個(gè)原則。

邏輯性原則要求設(shè)計(jì)師考慮使用者的邏輯思維，使產(chǎn)品表達(dá)的形式在用戶可認(rèn)知的范圍內(nèi)。

適用性原則要求設(shè)計(jì)師不僅要提升對產(chǎn)品的認(rèn)知，還要隨著技術(shù)的革新和人類審美的變化不斷更新設(shè)計(jì)理念。

傳承性原則要求在新產(chǎn)品開發(fā)中，不僅考慮到產(chǎn)品的更新和創(chuàng)新，還考慮到老產(chǎn)品的各種特征形態(tài)，從而更好地展現(xiàn)品牌價(jià)值以及品牌產(chǎn)品的更新迭代過程。

遵循造型美原則，有利于展現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)際用途。設(shè)計(jì)師要在滿足產(chǎn)品功能需求的基礎(chǔ)上，注重產(chǎn)品造型的美學(xué)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品具備更強(qiáng)的美感和視覺沖擊力［8］。

4.2 模塊化設(shè)計(jì)理論

模塊化設(shè)計(jì)是指按照功能或結(jié)構(gòu)劃分產(chǎn)品的生產(chǎn)要素，并形成通用模塊和專用模塊兩個(gè)部分，通過組合劃分來設(shè)計(jì)具有多種不同功能的全新產(chǎn)品，以滿足用戶和市場需求。這一設(shè)計(jì)理念在推動科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，在一定程度上促進(jìn)了人類進(jìn)化和社會發(fā)展。

科學(xué)的模塊劃分是無人機(jī)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。模塊化設(shè)計(jì)使無人機(jī)的組裝更為靈活和高效，還降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程有助于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。通過對模塊的優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化，制造商可以更容易地進(jìn)行批量生產(chǎn)，減少生產(chǎn)過程中的錯(cuò)誤和浪費(fèi)。因此，科學(xué)的模塊劃分不僅可以優(yōu)化無人機(jī)的性能和外觀，還可以實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)和降低成本。

5 結(jié)語

巡檢無人機(jī)模塊化設(shè)計(jì)解決方案集中在無人機(jī)功能方面，依據(jù)層次分析法對無人機(jī)功能進(jìn)行排序，將各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)為可替換、通用性強(qiáng)、安裝拆卸簡單的獨(dú)立模組。造型設(shè)計(jì)解決方案主要為市場調(diào)研與實(shí)地尋訪，要滿足無人機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)要求，也要考慮到民眾對無人機(jī)造型的認(rèn)知習(xí)慣。依據(jù)這些設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的輸油管線巡檢無人機(jī)，能夠滿足產(chǎn)品社會安全性、產(chǎn)品便攜性、功能模塊簡潔易拆卸維修等要求。

參考文獻(xiàn)：

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［8］ 王瑋劍.基于感性意象的城市警用無人機(jī)設(shè)計(jì)研究［D］.武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2018.

作者簡介：朱力（1998—），男，上海人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品造型藝術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐。

徐江華（1977—），男，湖北荊州人，博士，教授，研究方向：航空裝備設(shè)計(jì)、大飛機(jī)客艙舒適性設(shè)計(jì)。