無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在石油石化企業(yè)中的巡檢應(yīng)用研究

徐家新

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；石油石化企業(yè)；巡檢；信息系統(tǒng)；應(yīng)用

一、無(wú)人機(jī)介紹及應(yīng)用形式

無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle），簡(jiǎn)稱“UAV”。是利用無(wú)線遙控或程序控制來(lái)執(zhí)行特定航空任務(wù)，不搭載操作人員的一種動(dòng)力空中飛行器。按照不同平臺(tái)構(gòu)型來(lái)分類的話，無(wú)人機(jī)可分為三類：固定翼無(wú)人機(jī)、單旋翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)。不同構(gòu)型的無(wú)人機(jī)具有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

近年來(lái)隨著數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)與無(wú)線通信、GPS、IMU 及無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用不僅在軍事，也廣泛應(yīng)用于民用和科學(xué)研究領(lǐng)域。目前應(yīng)用無(wú)人機(jī)的領(lǐng)域已多達(dá)40 多個(gè)，例如搶險(xiǎn)救災(zāi)、影視航拍、農(nóng)業(yè)植保、電力巡線等?！盁o(wú)人機(jī)+ 行業(yè)應(yīng)用”，已經(jīng)成為無(wú)人機(jī)的真正剛需，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

二、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在石油石化企業(yè)的需求分析

作為傳統(tǒng)的石油石化企業(yè)，經(jīng)常與?；反蚪坏?，且廠區(qū)或設(shè)施一般都處于地理位置偏僻的區(qū)域，一旦發(fā)生事故，后果都是極其嚴(yán)重的。因此，必須進(jìn)行高效的巡檢工作來(lái)保障企業(yè)的生產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的巡檢方式往往以人工為主，存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

①易受復(fù)雜地理?xiàng)l件及天氣環(huán)境因素影響，無(wú)法持續(xù)作業(yè)；

②手工錄入失誤率高；

③人力、交通成本高；

④人身安全性無(wú)法保障。

相對(duì)于人工巡檢來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)巡檢則完全不受地理?xiàng)l件限制，并且速度快，效率高，響應(yīng)和反饋都非常及時(shí)，最重要的是作業(yè)人員安全得到保障，這些都更加符合石油石化企業(yè)的實(shí)際要求。

雖然如此，但要真正做好巡檢工作，還是需要針對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)解決方案，這樣才能發(fā)揮無(wú)人機(jī)的實(shí)際作用，達(dá)到預(yù)期的巡檢目的。

目前作為巡檢應(yīng)用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：

①巡檢無(wú)人機(jī)平臺(tái)；

②機(jī)載設(shè)備及圖傳系統(tǒng)；

③地面信息處理系統(tǒng)，即地面站+ 后臺(tái)處理系統(tǒng)。

如圖1 所示為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。

僅從無(wú)人機(jī)平臺(tái)角度來(lái)說(shuō)，一般的電力巡檢采用多旋翼無(wú)人機(jī)就可以應(yīng)付自如，而對(duì)于石油石化企業(yè)來(lái)說(shuō)，動(dòng)輒幾十甚至上百公里的油氣管線，多旋翼的續(xù)航已經(jīng)不能滿足需求，因此必須考慮采用固定翼或者復(fù)合翼機(jī)型；再者石油石化企業(yè)的很多生產(chǎn)場(chǎng)景都有防爆要求，這需要對(duì)無(wú)人機(jī)的材料、涂層、電池甚至零部件都提出苛刻的要求，而這樣的要求在其他領(lǐng)域是完全不需要的；又或者在海上平臺(tái)的場(chǎng)景中，要求無(wú)人機(jī)至少要具備抵抗6-7 級(jí)風(fēng)的能力，且動(dòng)力和負(fù)載上也提供更多的冗余，甚至還需要做機(jī)體的水上漂浮裝置。這些條件都是根據(jù)石油石化企業(yè)的實(shí)際需求而來(lái)的，是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為了完成其巡檢任務(wù)而必須具備的一些條件。

即便是針對(duì)無(wú)人機(jī)的巡檢作業(yè)，如電力巡檢等，仍然需要操作人員對(duì)地面站進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察以發(fā)現(xiàn)異常。但在石油石化企業(yè)的長(zhǎng)輸管道巡檢中，長(zhǎng)時(shí)間的巡檢畫面已經(jīng)不再適合單純依靠人的觀察來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此地面信息處理系統(tǒng)的需要就被提出，它可以通過(guò)接收無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的算法進(jìn)行處理分析，最終直接生成告警信息或者結(jié)論報(bào)告，提醒人員處理異常點(diǎn)，輔助人工進(jìn)行巡檢作業(yè)，提高巡檢精度和效率。

其實(shí)對(duì)于能源企業(yè)來(lái)說(shuō)，特別是石油石化企業(yè)，無(wú)人機(jī)不再是遙不可及的“高科技”。目前，中石油、中石化及中海油等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，都已各自開始布局無(wú)人機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目，無(wú)人機(jī)也得到了更多的運(yùn)用和推廣。

三、應(yīng)用實(shí)例介紹

（一）某煤層氣公司無(wú)人機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)一體化解決方案

某煤層氣有限責(zé)任公司是從事煤層氣資源勘探、開發(fā)、輸送、銷售和利用的專業(yè)公司。擁有煤層氣井2000多口，區(qū)塊有31 個(gè)，面積1.8 萬(wàn)平方公里，主要集中在山西沁水盆地（7 個(gè)區(qū)塊）。

煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)的信息化基礎(chǔ)差，大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集都需要人工完成。由于地形復(fù)雜，1 人每天最多巡檢10 口井。1 年中往往有1-2 個(gè)月因惡劣天氣無(wú)法巡檢。除此之外，數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤、錄入失誤等都會(huì)極大影響數(shù)據(jù)采集的效率。

針對(duì)偏遠(yuǎn)山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域的油氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集工作一直以來(lái)都是一個(gè)難題，相關(guān)企業(yè)也曾嘗試過(guò)如：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋集群、衛(wèi)星接收以及使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)确绞?，但投入和產(chǎn)出往往不成正比。這是因?yàn)槿狈σ环N針對(duì)特殊現(xiàn)場(chǎng)情況的數(shù)據(jù)采集傳輸解決方法。

因此，采用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)去解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的概念被提出來(lái)。

多旋翼無(wú)人機(jī)操作簡(jiǎn)單，具有機(jī)動(dòng)靈活，能夠快速垂直起降，無(wú)視復(fù)雜地形等特性；其飛行控制系統(tǒng)具備自主航行、低電返回、超視距飛行等功能能有效應(yīng)對(duì)任務(wù)需要；機(jī)體和材質(zhì)按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，使其能夠在嚴(yán)苛的復(fù)雜環(huán)境中大顯身手。

僅有飛行平臺(tái)還不夠，還需要明確各氣井目前的地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備的現(xiàn)狀。對(duì)于數(shù)字儀表要知道它們實(shí)現(xiàn)的功能以及采集數(shù)據(jù)的格式和大小，而對(duì)于機(jī)械儀表則進(jìn)行必要的數(shù)字化改造。有了這些基礎(chǔ)后，再將全部設(shè)備的數(shù)據(jù)信息整合到數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，做成一個(gè)地面數(shù)據(jù)集成終端。

系統(tǒng)最關(guān)鍵的還是地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備與無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)之間的通信問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題研發(fā)人員花費(fèi)了大量的時(shí)間，不斷調(diào)試接口與數(shù)據(jù)類型之間的匹配，并開發(fā)了專門的配套軟件，終于實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在地面與天空之間傳輸?shù)墓δ?，如圖2 所示。

通過(guò)生產(chǎn)管理和分析優(yōu)化系統(tǒng)的作用，將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以匯總、處理、分析，最后以圖表的形式直觀地呈現(xiàn)給用戶，完成數(shù)據(jù)應(yīng)用的最后一步。在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，效果非常理想。數(shù)據(jù)傳輸速率大致在3～5M/s的范圍內(nèi)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單井單日3-5M 的數(shù)據(jù)量，1s 左右就能完成，效率極高！通過(guò)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)人工抄錄數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明了無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)無(wú)誤且連續(xù)性強(qiáng)。平日人工巡檢2 小時(shí)左右的工作量無(wú)人機(jī)僅用11 分鐘就完成了，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的降本增效效果顯著。

（二）某化工企業(yè)無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用解決方案

某化工股份有限公司位于渤海萊州灣南岸，是集科、工、貿(mào)等為一體的現(xiàn)代化特大型企業(yè)?，F(xiàn)有原鹽、純堿、溴素、氯化鈣、硫酸鉀、氯化鎂等主導(dǎo)產(chǎn)品10 余種，是全國(guó)最大的海洋化工生產(chǎn)和出口創(chuàng)匯基地。

該企業(yè)擁有兩座渣場(chǎng)，其中老渣場(chǎng)建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)已接近飽和，有潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。渣場(chǎng)的巡檢工作由人工完成，總長(zhǎng)約10km，但巡檢一圈往往需時(shí)3 小時(shí)以上，且存在掉落池中的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)擁有排渣管道，總長(zhǎng)5.2km。管道中通過(guò)增壓方式，輸送高溫混合堿液（45℃）。由于環(huán)境造成的內(nèi)外侵蝕等原因，管道容易發(fā)生破損，一旦泄露會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)，巡檢需求迫切。

雖然這是一個(gè)典型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)巡檢項(xiàng)目，但現(xiàn)場(chǎng)的客觀條件還是對(duì)項(xiàng)目造成了一定的影響，比如大風(fēng)力、續(xù)航等問(wèn)題。這些條件都需要對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的各方面作一些針對(duì)性的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

機(jī)型方面，在抗風(fēng)性上，研發(fā)人員對(duì)飛機(jī)上的電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，從原來(lái)直徑8cm 增大至18cm，使其能夠提供更大的動(dòng)力冗余，適合北方氣象條件作業(yè)。同時(shí)在續(xù)航上，推出雙電池倉(cāng)，維持動(dòng)力與供電系統(tǒng)的平衡，使飛機(jī)的續(xù)航能力能夠滿足任務(wù)的要求，如圖3 所示。

機(jī)載設(shè)備是完成巡檢任務(wù)的重要組成，根據(jù)需求研發(fā)人員提供了——高清變焦相機(jī)和紅外熱成像儀兩款較成熟的機(jī)載設(shè)備。但為保證現(xiàn)場(chǎng)人員使用上的方便，在云臺(tái)與設(shè)備的接口處還設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的快接接口，使設(shè)備的更換縮短至3s 左右，提高了效率。

圖像傳輸系統(tǒng)是以無(wú)線電技術(shù)為基礎(chǔ)，搭載特有的通訊傳輸解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)到地面站之間在無(wú)干擾無(wú)遮擋的理想環(huán)境下，傳輸實(shí)時(shí)圖像的直線距離達(dá)到10km，速率達(dá)2～3m/s，視頻圖像質(zhì)量為1080p。

地面站系統(tǒng)不僅是圖傳系統(tǒng)的顯示設(shè)備，也是無(wú)人機(jī)的控制核心。作業(yè)人員會(huì)根據(jù)任務(wù)要求，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)，合理規(guī)劃并形成最終的任務(wù)航線。通過(guò)內(nèi)置的編輯器，規(guī)劃好飛機(jī)在飛行中的航速、高度、懸停等任務(wù)后，將航線和規(guī)劃上傳至無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)中，從而使無(wú)人機(jī)能夠自主地完成全部巡檢作業(yè)并返航，全程無(wú)需人員進(jìn)行干預(yù)和操作。目前項(xiàng)目已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和系統(tǒng)運(yùn)行，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)用及時(shí)效性也得到了用戶的認(rèn)可。經(jīng)測(cè)算，應(yīng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)后，該項(xiàng)工作的巡檢效率提升了89%，而巡檢成本卻降低了67%。而且還開辟了現(xiàn)場(chǎng)基于熱力圖的夜間巡檢新模式，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域24 小時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的目的，人員的安全也得到了有效的保障。

四、結(jié)束語(yǔ)

可以看到，在石油石化企業(yè)這種特殊的環(huán)境形勢(shì)下，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)特別是在巡檢領(lǐng)域，發(fā)揮了不可忽視的作用，實(shí)現(xiàn)人工巡檢遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的效率和效果。無(wú)人機(jī)巡檢可以說(shuō)是在科技創(chuàng)新下產(chǎn)生的一種，更高效更安全的巡檢新模式。但不可否認(rèn)，無(wú)人機(jī)還存在一些問(wèn)題制約其應(yīng)用的發(fā)展，如：受惡劣天氣影響大；成本偏高，壽命短；續(xù)航時(shí)間短，負(fù)重能力差；空域申請(qǐng)條件仍比較高等。

因此，對(duì)于無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，我們必須要認(rèn)清現(xiàn)實(shí)，不能忽視了客觀條件而盲目地采用無(wú)人機(jī)作業(yè)，這樣很可能起到相反的效果。

預(yù)測(cè)未來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的幾個(gè)可能性：

①無(wú)人機(jī)集群化應(yīng)用；

②基于圖像學(xué)習(xí)的智能巡檢；

③與云平臺(tái)的結(jié)合的遠(yuǎn)程控制。

通過(guò)現(xiàn)代科技的支持，無(wú)人機(jī)的水平將不斷進(jìn)步，其優(yōu)越的性能、較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力，將打造出更富生命力的新興產(chǎn)業(yè)。