無人機(jī)在管道應(yīng)急搶險中的應(yīng)用

吳杰，劉洋，田明亮，易欣，劉翔，楊璟辰，賴帝丞

(國家管網(wǎng)集團(tuán)浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

隨著工業(yè)化水平逐年提高，天然氣作為一種清潔能源，其在我國能源結(jié)構(gòu)中的占比也在逐年增加。根據(jù)《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025 年，我國油氣管網(wǎng)里程將達(dá)到24×104km[1]。管道里程數(shù)的快速增加，使得管道面臨的風(fēng)險也在日益增多，如第三方破壞、泥石流、落石、滑坡等，這些事故不僅會嚴(yán)重?fù)p壞管道本體安全，還會嚴(yán)重威脅管道周圍居民生命財產(chǎn)安全。

無人機(jī)作為一種新興的探測設(shè)備，由于其具有體積小、操作簡單、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)，在管道安全領(lǐng)域使用越來越廣泛。目前，油氣行業(yè)使用的無人機(jī)主要有三種，分別是固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)以及旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)一般用于長輸管線日常巡檢及定點(diǎn)核查；無人直升機(jī)一般用于環(huán)境(天氣、地質(zhì))惡劣時的巡檢任務(wù)；旋翼無人機(jī)一般用于小范圍內(nèi)開展巡檢工作。

眾多學(xué)者也針對無人機(jī)開展了應(yīng)用研究。陳兆龍等[2]提出一種無人機(jī)實(shí)時檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將無人機(jī)采集的視頻進(jìn)行實(shí)時處理并識別出危險因素，然后將危險因素的信息和位置發(fā)送至后臺。張秀璋[3]設(shè)計了使用無人機(jī)搭載高清攝像頭和激光甲烷遙測設(shè)備開展城市燃?xì)夤芫€巡檢的方案，認(rèn)為該方案比人工巡檢方式更為有效。田明亮[4]使用無人機(jī)開展山區(qū)天然氣管道巡檢，可以有效識別管道周圍危險因素，保證管道安全、平穩(wěn)運(yùn)行。畢娜等[5]用無人機(jī)開展地質(zhì)災(zāi)害勘測，詳細(xì)介紹了勘測系統(tǒng)的組成及應(yīng)用效果，取得了較好的成果。

可以看出，目前無人機(jī)主要用于開展管道巡檢作業(yè)，對管道保護(hù)中的其他業(yè)務(wù)如維搶修作業(yè)等，描述的文獻(xiàn)較少。本文基于企業(yè)管道業(yè)務(wù)需求，針對無人機(jī)可以高空懸停的特點(diǎn)，提出一種無人機(jī)在管道應(yīng)急搶險中的應(yīng)用方案，可以為管道維搶修作業(yè)提供便利。

2 無人機(jī)功能及相關(guān)技術(shù)

2.1 無人機(jī)功能設(shè)計

以某管道公司為例，該公司所轄管道途經(jīng)地段環(huán)境變化較大，既有陡峭崎嶇的山地，也有遍地泥濘的水域，還有人類活動頻繁的郊區(qū)。同時由于地處沿海省份的原因，每年7—9 月都會經(jīng)受臺風(fēng)的洗禮，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，給管道安全造成嚴(yán)重威脅。每次臺風(fēng)過后，該公司都會安排專人開展專項(xiàng)巡檢作業(yè)，一旦發(fā)現(xiàn)管道處于裸露、懸空等不安全狀態(tài)，便會立即開展應(yīng)急搶險作業(yè)。

根據(jù)管道應(yīng)急搶險作業(yè)需求，無人機(jī)的功能應(yīng)包括空中懸停、照明、定點(diǎn)核查、泄漏檢測、土方測量、行為識別、實(shí)時視頻等。

2.2 相關(guān)技術(shù)

2.2.1 泄漏檢測技術(shù)

激光檢測器是利用可調(diào)諧激光吸收譜技術(shù)(TDLAS)開發(fā)的一款天然氣泄漏檢測裝置，其原理是不同種類、濃度的氣體對激光的吸收能力存在差異，該設(shè)備主要包含三個部分，即激光發(fā)生器、探測器、透鏡。激光發(fā)生器向被檢測區(qū)域發(fā)射一束激光，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)存在天然氣時，該激光會被天然氣的主要成分(甲烷)吸收，降低了探測器檢測到的激光強(qiáng)度。由于氣體對激光的吸收能力受到濃度的影響，因此可以根據(jù)激光強(qiáng)度的減弱程度得到該區(qū)域內(nèi)的天然氣濃度，濃度值達(dá)到報警閾值時探測器就會發(fā)出報警。

2.2.2 視覺行為識別技術(shù)

近幾年，視覺行為識別技術(shù)在管道行業(yè)逐漸興起，它是通過將拍攝到的外部影像信息與樣本庫中各個事件、行為的特征進(jìn)行對比，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)危險因素的技術(shù)。

識別流程共分為4 個步驟：(1)建立管道周圍危險因素、事件、物體的特征庫，如挖掘機(jī)、塌方、落石、不規(guī)范作業(yè)等，分析它們在航拍角度下的圖像特征；(2)讀取無人機(jī)攝像頭拍攝的視頻資料，并將這些視頻材料轉(zhuǎn)化為圖片；(3)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式提取圖片中的實(shí)體特征；(4)將圖片與樣本庫進(jìn)行比對，若出現(xiàn)相似特征，則判斷管道周圍存在異常，并將結(jié)果推送至電腦或手機(jī)客戶端，通知作業(yè)人員前往核查。

2.2.3 傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是指一種測量技術(shù)，利用無人機(jī)搭載多鏡目攝像頭從不同方向拍攝某一物體的影像，經(jīng)軟件處理分析，得到所需測量物體的尺寸、面積等參數(shù)。

傾斜攝影技術(shù)包括以下步驟：(1)規(guī)劃飛行線路。根據(jù)攝影目標(biāo)和目的設(shè)置飛行路線以及采集角度。(2)數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)飛到待測量物體上方后，開啟攝像頭，從不同角度拍攝該物體的影像。(3)數(shù)據(jù)處理。處理得到的影像數(shù)據(jù)，包括圖像匹配、三維重建以及制圖等，生成高精度的地理信息數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件生成該物體的三維模型。(4)數(shù)據(jù)應(yīng)用。根據(jù)需要，開展數(shù)據(jù)分析應(yīng)用工作，包括尺寸測量、變形分析等。

2.2.4 信息傳輸技術(shù)

隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息傳輸技術(shù)逐漸應(yīng)用于社會生產(chǎn)各個方面，油氣行業(yè)也在不斷挖掘它的價值，該技術(shù)的特征是利用數(shù)字化方式將各個設(shè)備(傳感器、硬件)和物理世界聯(lián)系起來，然后通過一定的協(xié)議接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊和控制。本文中無人機(jī)攜帶的通訊器就是通過MQTT協(xié)議與后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2.5 視頻直播技術(shù)

一般來說，視頻監(jiān)控系統(tǒng)均布置在固定的場所，且需要專門的網(wǎng)絡(luò)才能進(jìn)行監(jiān)控，這一缺點(diǎn)極大限制了監(jiān)控系統(tǒng)的使用范圍[6]。與之相比，采用無人機(jī)對作業(yè)現(xiàn)場開展監(jiān)控就能避免這個缺陷。

3 無人機(jī)應(yīng)用分析

3.1 無人機(jī)應(yīng)急搶險系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 組成

為了完成這些功能，無人機(jī)需要搭載多種設(shè)備，基于無人機(jī)的應(yīng)急搶險系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

3.1.2 功能

基于無人機(jī)的應(yīng)急搶險主要由三個部分組成：(1)無人機(jī)本體及搭載的設(shè)備；(2)用于連接無人機(jī)和后臺終端的基站和服務(wù)器；(3)后臺終端，包括手機(jī)終端和電腦終端，作業(yè)人員通過終端來檢查無人機(jī)提供的信息，也通過終端給無人機(jī)發(fā)送操作指令。

圖1中各個設(shè)備的功能如表1 所示。

表1 無人機(jī)搭載設(shè)備及功能

3.2 照明及泄漏檢測

無人機(jī)應(yīng)用于應(yīng)急搶險照明、泄漏檢測工作時，往往需要在地面放置一個大容量電池，無人機(jī)攜帶大功率照明燈、激光檢測器懸停在應(yīng)急搶險區(qū)域上空，用照明燈為施工人員提供照明。同時，無人機(jī)搭載的激光檢測器可以從空中大范圍地檢測施工現(xiàn)場附近的天然氣濃度，一旦發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域附近天然氣濃度超過設(shè)定閾值，就會發(fā)出報警，提醒施工人員可能存在管道泄漏的情況。

3.3 第三方施工核查

無人機(jī)用于開展第三方施工核查時，往往會與沿管道敷設(shè)的光纖監(jiān)測系統(tǒng)配合使用。當(dāng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)感受到管道周圍存在異常施工活動時，便會將異常坐標(biāo)位置發(fā)送給后臺，后臺將該信息發(fā)送給距離最近的一個無人機(jī)，無人機(jī)攜帶攝像頭、喇叭根據(jù)提供的坐標(biāo)信息自動前往異常區(qū)域開展檢查、取證。當(dāng)無人機(jī)飛臨指定位置上空時，打開攜帶的攝像頭，將現(xiàn)場實(shí)時影像傳遞至后臺的作業(yè)人員，一旦發(fā)現(xiàn)管道周圍確實(shí)存在違規(guī)施工活動，便可以通過喇叭對其進(jìn)行喊話，阻止該活動。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害核查

無人機(jī)用于地質(zhì)災(zāi)害核查可以分為兩種情況：一種是在大范圍強(qiáng)降雨、地震等自然災(zāi)害后，利用無人機(jī)沿管道飛行，檢查管道周圍是否存在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，這種情況與無人機(jī)日常巡檢任務(wù)目標(biāo)一致；另一種是對管道周圍發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模進(jìn)行勘察，為制定持續(xù)監(jiān)測方案或應(yīng)急搶險措施提供寶貴的現(xiàn)場材料。在這種情況下，無人機(jī)需要攜帶多鏡目攝像頭，從多個不同的角度對管道周圍的環(huán)境進(jìn)行拍照、錄像，當(dāng)飛行任務(wù)結(jié)束后，將這些數(shù)據(jù)上傳至后臺服務(wù)終端。

4 結(jié)語

本文針對無人機(jī)在應(yīng)急搶險作業(yè)中的應(yīng)用情況開展研究，詳細(xì)分析了應(yīng)急搶險作業(yè)時無人機(jī)的功能需求，并介紹了相關(guān)的前沿技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計了一款基于無人機(jī)的應(yīng)急搶險系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的組成和功能，主要得出以下結(jié)論：

(1)無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時，通過搭載不同的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)，管道企業(yè)在使用無人機(jī)時，可以根據(jù)自己的需求來開發(fā)無人機(jī)的功能。

(2)無人機(jī)搭載照明燈以及激光檢測器可以為應(yīng)急搶險作業(yè)提供照明，并檢測天然氣管道是否發(fā)生泄漏。

(3)無人機(jī)與光纖監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動可以有效檢查管道周圍的施工活動，減少響應(yīng)時間。

(4)使用無人機(jī)開展地質(zhì)災(zāi)害測量可以為制定管道保護(hù)措施提供一手資料。