無人機(jī)在管道公司的應(yīng)用現(xiàn)狀及建議

田明亮，劉洋，趙俊丞，吳杰

（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）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國管道數(shù)量也在快速增加，截至2022 年底，油氣管網(wǎng)總里程達(dá)到15.5×104km，預(yù)計(jì)到2025 年，這一數(shù)值將會超過24.0×104km[1]。在管道建設(shè)過程中，不可避免地會穿越地勢崎嶇、遍布湖泊的地區(qū)，給管道巡檢工作帶來了很大的困難。

由于無人機(jī)具有體積小巧、操作難度低、巡檢速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)一些管道公司逐漸開始使用無人機(jī)開展管道巡檢作業(yè)。目前，油氣行業(yè)使用的無人機(jī)主要分為三種，分別為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)以及旋翼無人機(jī)。一些學(xué)者也開展了無人機(jī)巡檢系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，取得了一定的成果。劉凱[2]提出了一種用于四旋翼無人機(jī)路徑規(guī)劃的改進(jìn)RRT 路徑搜索算法，并開展了現(xiàn)場實(shí)地飛行測試，結(jié)果表明該算法在路徑、時間、穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢；王國棟等[3]開展了無人機(jī)在農(nóng)村燃?xì)夤艿佬孤┲械膽?yīng)用研究，進(jìn)行了多組試驗(yàn)，并據(jù)此提出一些合理建議；盧軍等[4]研究了無人機(jī)在管道檢測中的應(yīng)用情況，并制定了檢測作業(yè)流程；劉奎榮等[5]研究了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在管道建設(shè)過程中的應(yīng)用情況，并據(jù)此提出了一種管道測量方法；宋婷婷等[6]提出了一種油氣管道無人機(jī)巡檢平臺，并詳細(xì)介紹了該平臺的框架和功能；梁平等[7]使用FTA 模型分析了造成無人機(jī)墜機(jī)事故的原因，認(rèn)為無人機(jī)維護(hù)不當(dāng)以及信號差是導(dǎo)致無人機(jī)墜機(jī)的主要原因，并提出了相應(yīng)的建議。

以上可以看出，學(xué)者對無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的研究主要集中在路徑規(guī)劃和具體的應(yīng)用上，對無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的整體功能設(shè)計(jì)和應(yīng)用維護(hù)少有文獻(xiàn)涉及。因此，本文結(jié)合管道公司使用無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)需求，詳細(xì)列舉了無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并給出一些建議，研究成果可以為管道公司大規(guī)模開展無人機(jī)巡檢作業(yè)提供參考。

1 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 巡檢系統(tǒng)硬件構(gòu)成

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)硬件主要由四部分構(gòu)成，分別為無人機(jī)、起降臺、服務(wù)器以及顯示平臺，如圖1 所示。

圖1 巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

（1）無人機(jī)

根據(jù)巡檢功能需要，無人機(jī)可以搭載多種多樣的設(shè)備，如攝像機(jī)、通訊器、泄漏檢測器、內(nèi)存卡等。在執(zhí)行巡檢任務(wù)過程中，無人機(jī)會與服務(wù)器保持正常通訊，并將拍攝、檢測到的信息實(shí)時傳回服務(wù)器，再根據(jù)指令做出相應(yīng)的動作。

（2）起降臺

起降臺通常設(shè)置在兩個相鄰的站場（閥室）內(nèi)，其作用是為無人機(jī)提供?？勘Ｗo(hù)場所，同時在無人機(jī)?？科陂g，為無人機(jī)充電。

（3）服務(wù)器

服務(wù)器是無人機(jī)與操作人員間溝通的 “紐帶” ，其主要功能是給無人機(jī)下達(dá)指令，并獲取無人機(jī)傳回的信息，包括無人機(jī)本體信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、航拍資料等，將這些信息分類處理后傳送至顯示平臺。

（4）顯示平臺

顯示平臺的作用是將無人機(jī)獲取的信息直觀地呈現(xiàn)給操作人員，方便操作人員了解無人機(jī)的狀態(tài)以及管道周邊信息。

1.2 巡檢系統(tǒng)功能

目前在管道公司，無人機(jī)主要有兩種使用方式：一是沿著管道飛行，對整條管道開展巡檢作業(yè)，檢查管道周邊是否存在違規(guī)施工、地質(zhì)災(zāi)害等威脅管道安全的情況，這種方式為日常巡檢；二是為無人機(jī)指定巡檢坐標(biāo)，巡檢坐標(biāo)既可以由光纖等預(yù)警系統(tǒng)提供，也可以人為指定，無人機(jī)徑直飛往指定位置開展核查作業(yè)，稱為定點(diǎn)核查。在這兩種使用方式的基礎(chǔ)上，通過加裝不同的設(shè)備，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)可被賦予不同的功能。

1.2.1 泄漏檢測

當(dāng)管道開展維搶修作業(yè)時，需要檢測施工區(qū)域附近是否存在天然氣泄漏情況。傳統(tǒng)的檢測方式是操作人員手持泄漏檢測儀，沿著施工區(qū)域及周邊緩慢移動，若施工區(qū)域存在超過閾值的天然氣，泄漏檢測儀就會報警，但這種方式存在一定的監(jiān)測盲區(qū)，因此一些公司嘗試采用無人機(jī)開展管道施工區(qū)域的泄漏檢測作業(yè)。利用無人機(jī)搭載TDLAS（可調(diào)諧激光吸收譜技術(shù)）泄漏檢測設(shè)備懸停在施工區(qū)域上方對整個施工區(qū)域進(jìn)行檢測，若天然氣泄漏，由于天然氣密度比空氣小，會迅速向周圍空間、上方運(yùn)動，容易被懸停在上空的無人機(jī)檢測，從而進(jìn)行報警。

1.2.2 測量

這種應(yīng)用方式是定點(diǎn)核查應(yīng)用的補(bǔ)充，在對滑坡規(guī)模及第三方堆載的測量方面應(yīng)用尤其廣泛，其原理是利用無人機(jī)搭載多鏡目攝像頭對測量物進(jìn)行拍照，獲取目標(biāo)圖像信息后，利用專業(yè)軟件對這些信息進(jìn)行分析、處理，從而得到該物體的尺寸、規(guī)模。

2 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的改進(jìn)建議

2.1 建立無人機(jī)作業(yè)規(guī)程

目前在使用無人機(jī)的過程中，由于天氣、信號、機(jī)械故障、操作失誤等方面的原因，無人機(jī)時常出現(xiàn)各種各樣的問題，造成墜機(jī)及其他事故。建立無人機(jī)操作規(guī)程，制定無人機(jī)及相關(guān)設(shè)備起飛、巡檢、維護(hù)及故障處理等方面的操作步驟、注意事項(xiàng)，可以有效減少無人機(jī)巡檢作業(yè)事故，提高巡檢成功率。操作規(guī)程主要包括以下方面：

（1）日常維護(hù)

將無人機(jī)及配套設(shè)備放置在安全區(qū)域，指派專人開展維護(hù)工作，定期檢查設(shè)備的完好情況、放置的周圍環(huán)境對其產(chǎn)生的影響，并做好記錄工作。

（2）作業(yè)規(guī)程

將無人機(jī)作業(yè)分為試驗(yàn)作業(yè)和巡檢作業(yè)，巡檢作業(yè)又分為自動巡檢和手動巡檢，根據(jù)各個作業(yè)的特點(diǎn)、安全事項(xiàng)、作業(yè)階段等相關(guān)內(nèi)容分別制定作業(yè)規(guī)程，并嚴(yán)格落實(shí)。

（3）應(yīng)急預(yù)案

對無人機(jī)巡檢作業(yè)開展風(fēng)險評價，分析巡檢過程中的常見風(fēng)險及其原因，針對這些風(fēng)險分別制定應(yīng)急預(yù)案。

2.2 培養(yǎng)無人機(jī)作業(yè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)

當(dāng)前在很多管道公司內(nèi)，無人機(jī)只是人工巡檢的一個補(bǔ)充手段，因此沒有組建專業(yè)的無人機(jī)作業(yè)團(tuán)隊(duì)。當(dāng)無人機(jī)或者相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障時，最常見的解決方式是返廠維修或邀請廠家到現(xiàn)場開展維修服務(wù)，這種方式會耗費(fèi)大量時間，影響管道巡檢。隨著無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的普及，在一線巡檢人員數(shù)量減少的同時，無人機(jī)及配套設(shè)備的數(shù)量急劇增加，組建專業(yè)的無人機(jī)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)迫在眉睫。建議從一線員工中選拔具有無人機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)的人員組建無人機(jī)作業(yè)團(tuán)隊(duì)，邀請廠家為其開展培訓(xùn)，包括操作培訓(xùn)、維修培訓(xùn)、保養(yǎng)培訓(xùn)，并定期開展技能比賽，提高無人機(jī)團(tuán)隊(duì)的作業(yè)水平。

2.3 加強(qiáng)與新技術(shù)的關(guān)聯(lián)

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，一些新的技術(shù)已被應(yīng)用在油氣行業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)是一個典型代表。該技術(shù)以數(shù)據(jù)作為驅(qū)動要素，通過建立與實(shí)體高度一致的虛擬模型來開展各類作業(yè)。通過數(shù)字孿生技術(shù)，建立無人機(jī)及配套設(shè)備的虛擬模型，可以更好地使用無人機(jī)巡檢系統(tǒng)。以無人機(jī)起降臺維搶修過程為例，說明數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，如圖2 所示。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的無人機(jī)庫維搶修過程

整個應(yīng)用過程可以分為以下步驟：（1）建立無人機(jī)起降臺維修指導(dǎo)庫，包括技術(shù)手冊、維修視頻等；（2）建立無人機(jī)起降臺的維修數(shù)據(jù)庫，收集故障信息以及維修記錄；（3）對發(fā)生故障的設(shè)備開展診斷工作，確定發(fā)生故障的類型以及原因；（4） 在維修數(shù)據(jù)庫中尋找相應(yīng)的故障信息，形成維修方案，包括維修方法、作業(yè)人員、需要設(shè)備及庫存等；（5）利用空間坐標(biāo)和設(shè)備特征點(diǎn)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的作業(yè)場景，場景坐標(biāo)隨著作業(yè)的進(jìn)行不斷變化；（6）作業(yè)人員根據(jù)交互面板的信息開展維修作業(yè)；（7）維修作業(yè)完成后，自動將其納入維修數(shù)據(jù)庫，同時將有價值的維修工作視頻加入維修指導(dǎo)庫。

此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以用于無人機(jī)飛行培訓(xùn)、無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等方面。

3 結(jié)論

本文以管道公司的巡檢無人機(jī)作為研究對象，詳細(xì)介紹了無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的組成、功能，并且結(jié)合無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需求、應(yīng)用前景，得出以下結(jié)論：

（1）無人機(jī)巡檢系統(tǒng)主要由無人機(jī)、起降臺、服務(wù)器以及顯示平臺四部分組成，通過使用無人機(jī)搭載不同的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能；

（2）無人機(jī)在管道公司的應(yīng)用會越來越普遍，為了適應(yīng)這種需要，管道公司應(yīng)制定嚴(yán)格的無人機(jī)操作規(guī)程，培養(yǎng)專業(yè)的無人機(jī)操作及維修團(tuán)隊(duì)，加強(qiáng)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)和新技術(shù)的關(guān)聯(lián)，提高無人機(jī)作業(yè)的規(guī)范性和創(chuàng)新性。