無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制在油氣田行業(yè)的研究與應(yīng)用

劉欣欣?汪洋?黃麗?黃俊豪?何樂

摘要：本論文主要研究無(wú)人機(jī)在管道巡檢中的應(yīng)用，特別是自主飛行技術(shù)和無(wú)線通信模式下的遠(yuǎn)程控制技術(shù)。該研究旨在探索一種新的無(wú)人機(jī)自主巡檢管道的管理模式，以降低部分區(qū)域管道人工巡檢頻率，提高巡檢的安全性及高效性，從而提高油氣田智能化管理水平，并降低含硫氣尤其是高含硫氣管道巡檢風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：管道巡檢；無(wú)人機(jī)自主飛行；遠(yuǎn)程控制；汽油田智能化管理

一、現(xiàn)狀分析

氣礦前期已經(jīng)對(duì)于“無(wú)人機(jī)+”應(yīng)用模式開展了方式探索與經(jīng)驗(yàn)積累，目前采用的方式是飛手在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行飛行任務(wù)，同時(shí)視頻存儲(chǔ)，對(duì)部分管道進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提出的新要求需要利用無(wú)人機(jī)巡檢來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)等功能，解決原應(yīng)用模式存在操控不夠靈活、無(wú)法實(shí)時(shí)通信的問題。

二、解決方案

研究一套無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制架構(gòu)，利用遠(yuǎn)程靈活控制和實(shí)時(shí)視頻回傳等功能，將其組成無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)控?zé)o人機(jī)+”應(yīng)用模式。該模式在無(wú)線通信覆蓋區(qū)域內(nèi)，減少人工巡檢頻次，保障天然氣管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

三、主要研究?jī)?nèi)容

（一）確定研究方案

1.無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制及通信組網(wǎng)模式研究

開展調(diào)控中心、片區(qū)兩級(jí)隨時(shí)觸發(fā)或介入無(wú)人機(jī)自主飛行模式，實(shí)時(shí)調(diào)看飛行任務(wù)過程中拍攝高清視頻等遠(yuǎn)程控制功能的研究；比較選則5G、4G、微波等多種移動(dòng)通信方式，制定適用于移動(dòng)信號(hào)薄弱甚至盲區(qū)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的通信組網(wǎng)方案。

2.無(wú)人機(jī)自主開展片區(qū)巡檢應(yīng)用研究

根據(jù)輸氣管道巡線的業(yè)務(wù)需求，包括管道周邊環(huán)境變化、第三方施工隱患識(shí)別、場(chǎng)站環(huán)境、甲烷泄漏監(jiān)測(cè)等，開展對(duì)飛行參數(shù)設(shè)置、搭載設(shè)備選型及數(shù)據(jù)分析平臺(tái)功能開發(fā)的研究。在片區(qū)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)管道無(wú)人機(jī)一體化自主巡檢。

（二）確立通信組網(wǎng)模式

采用兩種組網(wǎng)模式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換：

4G/5G鏈路建設(shè)：無(wú)人機(jī)搭載4G/5G通信模塊，利用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)接入云服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。

微波鏈路模式：無(wú)人機(jī)搭載微波通訊模塊，利用微波基站與停機(jī)坪進(jìn)行通訊，停機(jī)坪充當(dāng)通訊中繼，實(shí)現(xiàn)通信鏈接。

這兩種模式可以相互切換，使得無(wú)人機(jī)的通信更加穩(wěn)定可靠，提高無(wú)人機(jī)巡檢的效率及精度。

（三）確立無(wú)人機(jī)自主飛行軟硬件配置方案

1.硬件選型和適配

（1）無(wú)人機(jī)

①選用多旋翼無(wú)人機(jī)：以實(shí)現(xiàn)低空、精細(xì)化巡檢作業(yè)。

②配備2種通信模塊：4G和微波通訊模塊。

③掛載配置：可配置掛載重量3kg，目前配置高倍變焦攝像頭。

（2）機(jī)庫(kù)

①作為供電源：為無(wú)人機(jī)充電，為氣象站供電。

②作為通信樞紐：微波鏈路中轉(zhuǎn)站，為氣象站提供網(wǎng)絡(luò)。

③作為保護(hù)屏障：具備RTK+視覺引導(dǎo)技術(shù)，確保無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落；裝配煙感、溫度傳感器、水淹傳感器和斷路器，一旦檢測(cè)到異常情況，將采用斷電處理。溫濕度超標(biāo)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)降溫。

（3）氣象站

飛行條件判斷：通過地方氣象臺(tái)的數(shù)據(jù)與內(nèi)設(shè)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、雨淋、溫度、濕度和光照。

（4）工作環(huán)境檢查標(biāo)準(zhǔn)：

①工作風(fēng)速：0m/s-12m/s（0-6級(jí)）。

②工作溫度：-20℃-60℃。

③工作濕度：10%-90%（無(wú)凝結(jié)）。

④電磁干擾：0-100A/m（工頻磁場(chǎng)）。

超出標(biāo)準(zhǔn)的范圍，無(wú)人機(jī)將無(wú)法起飛或需要臨時(shí)迫降。

2.軟件功能設(shè)計(jì)

機(jī)組精細(xì)管理、預(yù)設(shè)飛行軌跡和制定飛行任務(wù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主飛行的三個(gè)模塊。

（四）確立無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制模式

采用兩種控制模式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。

常規(guī)巡檢模式：可遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)的飛行，下達(dá)巡檢任務(wù)、一鍵起降、實(shí)時(shí)視頻回傳等功能。

應(yīng)急接管模式：遇到緊急情況需要飛手直接介入，可通過手動(dòng)搖桿對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)接管。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果

（一）在黃龍X井試驗(yàn)成功

1.關(guān)鍵硬件選址

（1）無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)及氣象站選址關(guān)鍵要素

①開闊地帶，周圍不能有大的信號(hào)干擾源影響GPS定位。②地面相對(duì)平整，位置相對(duì)高，水泥地基面積大于20平方米，氣象站距離停機(jī)坪5米。③具備220V電力接入條件。④具備網(wǎng)絡(luò)接入條件，上行帶寬50M，下行帶寬500M。

（2）微波中繼站選址

①以機(jī)庫(kù)位置為圓心，方圓5公里區(qū)域內(nèi)制高點(diǎn)；如非區(qū)域最高點(diǎn)，能與機(jī)庫(kù)通視兩者海拔高差不超過30米。②無(wú)電磁干擾，避免影響通信信號(hào)。③附近具備220V電力接入條件。

2.部署方案

硬件部署方案：機(jī)庫(kù)及中繼站部署在黃龍X井，中繼站部署于場(chǎng)站周圍制高點(diǎn)，海拔約712米，供電源取自村委會(huì)，租賃運(yùn)營(yíng)商500M鏈路1條。

軟件部署方案：軟件平臺(tái)搭建于黃龍X井中心站及調(diào)控中心。

3.試驗(yàn)效果

通過建設(shè)無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)、氣象站、微波中繼站、遠(yuǎn)控平臺(tái)等軟硬件，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)飛行、精準(zhǔn)降落、自動(dòng)充電等功能的上線，能夠自主實(shí)施半徑5公里范圍內(nèi)的飛行任務(wù)。在中心井站和一百多公里外的調(diào)控中心，都能對(duì)巡航在井站、管道的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)布啟停指令并操控飛行。

（二）常規(guī)管道巡檢參數(shù)設(shè)置

飛行場(chǎng)景：地勢(shì)平緩區(qū)域管道、山地上坡區(qū)域管道、山地下坡區(qū)域。

巡檢關(guān)鍵要素：管道樁、管道標(biāo)志牌、堡坎。

飛行參數(shù)：

①飛行速度。無(wú)人機(jī)飛行速度范圍為0-20米/秒，電池容量可供飛行時(shí)長(zhǎng)為20分鐘。為應(yīng)對(duì)天氣突變等應(yīng)急情況，在無(wú)人機(jī)返程時(shí)需要保留50%電量，實(shí)際巡檢飛行時(shí)長(zhǎng)為10分鐘。無(wú)人機(jī)的飛行速度越慢，呈現(xiàn)的視頻效果越佳。以黃金X段為例，巡檢管線長(zhǎng)度為4.43km，無(wú)人機(jī)從起飛點(diǎn)至巡檢起始點(diǎn)直線距離約1.3公里，總的飛行里程為5.73公里。飛行航線的航點(diǎn)數(shù)為31個(gè)，平均每個(gè)航點(diǎn)處從剎車到轉(zhuǎn)彎后再次啟動(dòng)的耗時(shí)為4秒，飛機(jī)總的航行耗時(shí)約為2分鐘。實(shí)際巡檢為8分鐘，故黃金X段的飛行速度為5730米/480秒，約為11.94米/秒。

②飛行高度。無(wú)人機(jī)的相對(duì)飛行高度范圍為0-300米，其中300米以上屬于民航使用空域，且在山區(qū)，氣流紊亂增大，不可控。機(jī)庫(kù)所在地黃龍X井的海拔高度約682米，以黃龍X井支線為例，巡檢范圍內(nèi)的制高點(diǎn)海拔約767米，因此飛行高度至少要高于兩者高差85米。由于無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)會(huì)因衛(wèi)星顆數(shù)減少以及風(fēng)速對(duì)飛機(jī)氣壓計(jì)的影響，導(dǎo)致飛行高度出現(xiàn)上下浮動(dòng)的偏差。為確保飛行高度的絕對(duì)安全，飛機(jī)與制高點(diǎn)之間的相對(duì)高度應(yīng)高于15米以上，以防在飛機(jī)定位誤差增大時(shí)，高度低于制高點(diǎn)的高度發(fā)生碰撞。綜合以上兩種因素，以及無(wú)人機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)飛行高度等技術(shù)原因，最低安全高度被設(shè)定為100米。同時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行的高度越低，呈現(xiàn)的視頻效果越佳，畫質(zhì)損失越小，地面物體看得越清晰。因此，飛行高度控制在100米時(shí)視頻效果最佳。

③變焦倍數(shù)與管道兩側(cè)可視距離。以五黃線X區(qū)域管道為例：飛行高度100米的情況下，變焦倍數(shù)為1倍，管道兩側(cè)的可視距離為左右各60米；飛行高度100米的情況下，變焦倍數(shù)為2倍，管道兩側(cè)的可視距離為左右各40米；飛行高度100米的情況下，變焦倍數(shù)為4倍，管道兩側(cè)的可視距離為左右各20米；飛行高度100米的情況下，變焦倍數(shù)為6倍，管道兩側(cè)的可視距離為左右各10米。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道兩側(cè)的地質(zhì)災(zāi)害、施工、爆破等行為，避免管道出現(xiàn)不完整性，管道兩側(cè)的可視距離應(yīng)保證在左右各50米。在飛行速度和高度不變的情況下，變焦倍數(shù)越大，物體離相機(jī)的距離就會(huì)看起來(lái)更近，畫面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越明顯，運(yùn)動(dòng)模糊程度越大，畫面的辨識(shí)度越低。因此，在選擇拍攝變焦倍數(shù)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇小的倍數(shù)，這樣更容易辨識(shí)拍攝畫面中的物體。? 綜上，在巡檢五黃線時(shí)，非應(yīng)急情況下，在飛行相對(duì)高度100米的情況下，變焦倍數(shù)保持在1倍時(shí)效果最佳。

④拍攝角度。應(yīng)用場(chǎng)景分為地勢(shì)平緩區(qū)域管道、山地上坡區(qū)域管道、山地下坡區(qū)域管道，拍攝鏡頭角度為30度、45度、60度、90度，并逐一進(jìn)行試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

a.針對(duì)地勢(shì)平緩區(qū)域管道（以黃金X段X村區(qū)域管道為例）

在地勢(shì)平緩區(qū)域，拍攝角度90度的二維平面效果明顯，管道左右兩側(cè)等距，左右視野清晰，不存在視覺盲區(qū)，但不容易分辨出標(biāo)志牌及管樁的位置。60度、45度、30度的拍攝角度三維立體感明顯，更容易分辨出標(biāo)志牌及管樁的位置，但管道視野呈倒置梯形結(jié)構(gòu)（視野呈上寬下窄），近處管道清晰，遠(yuǎn)處較模糊，對(duì)比無(wú)人機(jī)飛行位置，巡檢畫面整體前置，角度越小畫面前置位置越大，距離拍攝物越遠(yuǎn)，畫面越廣，拍攝要素越模糊；若在管道正上方巡檢，由于畫面前置問題，在管道拐彎時(shí)容易出現(xiàn)視角盲區(qū)（即管道不在巡檢畫面中）。綜上，在管道日常巡檢時(shí)，地勢(shì)平緩區(qū)域，優(yōu)先采用90度巡檢。

b.針對(duì)山地上坡區(qū)域管道（以黃龍X井集氣支線X區(qū)域管道為例）

在山地上坡區(qū)域，拍攝角度90度的二維平面效果明顯，管道左右兩側(cè)等距，左右視野清晰，不存在視覺盲區(qū)。60度、45度、30度的拍攝角度三維立體感明顯，對(duì)比無(wú)人機(jī)飛行位置，巡檢畫面整體前置，角度越小畫面前置位置越大，距離拍攝物越遠(yuǎn)，畫面越廣，拍攝要素越模糊；如需拍攝到管道，無(wú)人機(jī)位置需向后調(diào)整（無(wú)人機(jī)位置不能在管道正上方）；若在管道正上方巡檢，由于畫面前置問題，易出現(xiàn)視角盲區(qū)（即管道不在巡檢畫面中）。綜上，日常的管道巡檢時(shí)，山地上坡區(qū)域，優(yōu)先采用90度巡檢。

c.針對(duì)山地下坡區(qū)域管道

山地下坡區(qū)域只能實(shí)現(xiàn)90度的管道影像攝取，30度、45度、60度均無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道影像的有效攝取（存在視覺盲區(qū)，即管道無(wú)法呈現(xiàn)在巡檢畫面中）。綜上，日常的管道巡檢時(shí)，山地下坡區(qū)域，優(yōu)先采用90度巡檢。

綜合以上不同環(huán)境的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在90度角度下拍攝，盲區(qū)最少，適用的場(chǎng)景最多。同時(shí)，在后期將三色管疊加到視頻上時(shí)，若飛行角度為90度，相機(jī)畫面中心點(diǎn)的坐標(biāo)就是飛機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)，可以將畫面中心點(diǎn)的坐標(biāo)與管線路徑坐標(biāo)做比對(duì)，從而將管線走向疊加到相應(yīng)畫面上。但如果采用其他角度拍攝，由于畫面中心點(diǎn)位置相對(duì)飛機(jī)位置有前后的位移，且畫面視角范圍上下不均等（視野呈倒置梯形結(jié)構(gòu)，視野上寬下窄），導(dǎo)致無(wú)法得出畫面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而無(wú)法與管線路徑坐標(biāo)做對(duì)比，最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)管線的三色標(biāo)注。綜上，在日常管線巡檢中，優(yōu)先采用90度巡檢視頻效果最佳。

（三）應(yīng)急情況下勘查參數(shù)設(shè)置

①飛行速度。由于應(yīng)急勘察一般是對(duì)單獨(dú)的要素情況進(jìn)行拍攝，不用按照固定航線飛行，因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)急情況的需要，飛行速度控制在0-20米/秒。

②飛行高度。滿足安全要求，在飛行途中，高度控制在100米以上（含100米）。到達(dá)目的位置后可根據(jù)實(shí)際環(huán)境降低飛行高度，但至少要大于飛機(jī)與機(jī)庫(kù)之間制高點(diǎn)15米的高度。

③變焦倍數(shù)。以黃金X段的標(biāo)志物為例，設(shè)置變焦倍率為5倍、10倍、20倍、40倍，并逐一進(jìn)行試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：綜合對(duì)比40倍時(shí)的圖片最清晰。根據(jù)實(shí)際應(yīng)急情況的需求，變焦控制在1-40倍之間，變焦倍率越高，拍攝越清晰。

④角度。以黃金X段的標(biāo)志物為例，設(shè)置拍攝鏡頭角度為30度、45度、60度、90度，并逐一進(jìn)行試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：90度缺乏立體感，畫面較為平面。30度、45度、60度畫面有立體感，能更好地判斷出拍攝要素外貌，45度的畫面立體感最強(qiáng)，距離拍攝要素的距離也相對(duì)較近。綜上，應(yīng)急巡檢時(shí)，優(yōu)先采用45度巡檢。

綜上，應(yīng)急勘察過程中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況控制巡檢速度控制在0-20米/秒之間；飛行途中，必須將巡檢相對(duì)高度控制在100米以上（含100米），并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境情況適當(dāng)降低飛行高度；至少要高于飛機(jī)與機(jī)庫(kù)之間制高點(diǎn)15米。變焦范圍應(yīng)為1-40倍；選擇拍攝角度時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇45度。這些措施的實(shí)施，將有助于獲得更清晰、可靠和具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的勘察數(shù)據(jù)，提高勘察的工作效率和準(zhǔn)確性。

（四）與人工巡檢相比的替代率

經(jīng)測(cè)算，無(wú)人機(jī)巡檢與人工巡檢相比，可替代率為83.33%。

五、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制在油氣田行業(yè)的研究與應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)以下成果：①突破實(shí)時(shí)通信瓶頸。通過移動(dòng)通信和無(wú)線微波通信模塊適配測(cè)試18次，選用4G/5G鏈路與無(wú)線微波連接無(wú)縫切換的方式，解決山區(qū)信號(hào)較差的問題，確保無(wú)線信號(hào)覆蓋半徑可達(dá)10-30公里。②攻破遠(yuǎn)控技術(shù)壁壘。進(jìn)行無(wú)人機(jī)、通信基站、氣象探測(cè)器等硬件設(shè)施選型和適配，并開發(fā)和調(diào)測(cè)與實(shí)時(shí)視頻回傳、預(yù)設(shè)飛行軌跡、機(jī)組精細(xì)管理等軟件功能，融合形成一套完整的無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)片區(qū)和調(diào)控中心的兩級(jí)控制。③打破多元應(yīng)用邊界。通過紅外高倍變焦攝像頭等無(wú)人機(jī)掛載調(diào)測(cè)，適配日常巡檢、應(yīng)急處置等應(yīng)用場(chǎng)景，使任務(wù)執(zhí)行范圍可覆蓋片區(qū)內(nèi)管道，實(shí)現(xiàn)多元應(yīng)用。這些成果的實(shí)現(xiàn)，將為油氣田行業(yè)提供高效、精準(zhǔn)、智能的巡檢和應(yīng)急處理服務(wù)，提高生產(chǎn)效率和安全性。

作者單位：劉欣欣 汪洋 黃麗 黃俊豪 何樂

西南油氣田公司川東北氣礦

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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