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油氣長(zhǎng)輸管道巡檢中無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

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油氣長(zhǎng)輸管道巡檢中無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

摘要:根據(jù)《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》,到2025年,全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)24萬(wàn)公里。我國(guó)油氣管道建設(shè)年代跨度大、分布廣、穿越地形復(fù)雜,管道安全巡護(hù)管理形式嚴(yán)峻,常規(guī)巡檢方法無(wú)法滿足要求,需采用更先進(jìn)的技術(shù)手段。針對(duì)當(dāng)下蓬勃發(fā)展的無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù),分析了油氣長(zhǎng)輸管道無(wú)人機(jī)巡檢需求,對(duì)飛行平臺(tái)及任務(wù)載荷選型、巡檢數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行深入研究,并通過(guò)巡檢應(yīng)用試驗(yàn)進(jìn)行效果驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞:無(wú)人機(jī);油氣長(zhǎng)輸管道;巡檢

1概述

目前,國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)在役油氣長(zhǎng)輸管道約94000km,管道距離長(zhǎng)、分布范圍廣、穿越地形復(fù)雜、非法侵占及周邊第三方施工頻繁,安全隱患問(wèn)題日益突出。傳統(tǒng)的人工巡檢成本高、效率低,尤其對(duì)山區(qū)、河流、峽谷等地理環(huán)境以及暴雨、地震、滑坡等突發(fā)情況下的巡檢存在很大局限性。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行油氣長(zhǎng)輸管道巡檢已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。

2油氣長(zhǎng)輸管道無(wú)人機(jī)巡檢需求分析

通過(guò)組織業(yè)內(nèi)多家油氣管道公司深入開(kāi)展長(zhǎng)輸管道無(wú)人機(jī)巡檢需求調(diào)研,整理分析得到油氣長(zhǎng)輸管道無(wú)人機(jī)巡檢需求如下:(1)具備日常巡檢、惡劣天氣后巡檢、特殊地區(qū)巡檢、施工監(jiān)管、應(yīng)急搶險(xiǎn)巡檢、替代山區(qū)/水網(wǎng)巡檢功能。(2)具備高后果區(qū)變化信息收集功能。(3)具備地質(zhì)滑坡預(yù)警功能。(4)具備重點(diǎn)隱患不定期監(jiān)控功能。(5)具備違章占?jí)喝∽C功能。(6)具備異常目標(biāo)識(shí)別和報(bào)警功能。(7)具備管道遷改、路線勘查,在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行階段,可定期更新功能。(8)具備隱患地段坐標(biāo)點(diǎn)記錄功能。(9)具備數(shù)字化管道底圖補(bǔ)充功能。(10)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能。

3飛行平臺(tái)及任務(wù)載荷選型研究

3.1飛行平臺(tái)選型研究

目前,無(wú)人機(jī)類型的劃分沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。按照用途分為國(guó)家無(wú)人機(jī)和民用無(wú)人機(jī),根據(jù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小,民用無(wú)人機(jī)分為微型、輕型、小型、中型、大型,按飛行平臺(tái)構(gòu)型分為無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇、傘翼無(wú)人機(jī)、撲翼無(wú)人機(jī)等。油氣長(zhǎng)輸管道巡檢要求無(wú)人機(jī)具有高速度、大航程、空中懸停、貼地或超低空飛行、快速爬升、較高的載荷能力,綜合各類無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、飛行能力、操控難度、靈活性,篩選出固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)兩款機(jī)型,搭配使用,用于油氣長(zhǎng)輸管道巡檢。固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射和回收方式眾多,常見(jiàn)分類見(jiàn)表1所示。油氣長(zhǎng)輸管道巡檢無(wú)人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地要求低,具有一定的載荷能力,意外墜機(jī)不導(dǎo)致二次災(zāi)害,電動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)是最佳選擇。多旋翼無(wú)人機(jī)按軸數(shù)分有三軸、四軸、六軸、八軸等,軸數(shù)越多,動(dòng)力越足,動(dòng)力冗余越強(qiáng),可靠性也越高。但隨著軸數(shù)增多,無(wú)人機(jī)效率降低,航時(shí)變小,尺寸變大,系統(tǒng)維護(hù)難度增加。相同指標(biāo)下,綜合續(xù)航、穩(wěn)定性、安全等因素,電動(dòng)六軸多旋翼無(wú)人機(jī)適合用于油氣管道巡檢。系留無(wú)人機(jī)是多旋翼無(wú)人機(jī)的一種特殊形式,通過(guò)系留線纜傳輸?shù)牡孛骐娫醋鳛閯?dòng)力來(lái)源,可長(zhǎng)時(shí)間滯空懸停,完美解決了無(wú)人機(jī)的續(xù)航問(wèn)題。特別適宜用于應(yīng)急通訊、應(yīng)急指揮、管道搶險(xiǎn)、施工監(jiān)管等場(chǎng)合。電動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)、電動(dòng)六軸多旋翼無(wú)人機(jī)、系留無(wú)人機(jī)配合使用,可滿足油氣長(zhǎng)輸管道長(zhǎng)距離快速巡檢、定點(diǎn)精細(xì)巡檢、定點(diǎn)不間斷巡護(hù)等多種不同應(yīng)用場(chǎng)景。

3.2任務(wù)載荷選型研究

無(wú)人機(jī)裝載的實(shí)現(xiàn)、無(wú)人機(jī)飛行要完成的特定任務(wù)的儀器、設(shè)備和分系統(tǒng),統(tǒng)稱為無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷。經(jīng)研究篩選,油氣長(zhǎng)輸管道無(wú)人機(jī)巡檢適用的任務(wù)載荷有雙光吊艙、航拍相機(jī)、激光雷達(dá)、氣體檢漏儀、喊話器、探照燈等。雙光吊艙集成可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外熱像儀,可以實(shí)現(xiàn)高清可見(jiàn)光拍攝、紅外熱像儀拍攝、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)鎖定等附加功能,適宜長(zhǎng)輸管道日間和夜間巡檢使用。航拍相機(jī)拍攝高清正射影像,用于拼接管道周邊正射影像圖和目標(biāo)智能識(shí)別。激光雷達(dá)在管道巡檢中主要用于三維地形重建和地表微變形檢測(cè),通過(guò)對(duì)比分析,實(shí)現(xiàn)滑坡等地質(zhì)危害事件預(yù)警。氣體檢漏儀利用激光探測(cè)、光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離天然氣管道泄漏檢測(cè),作業(yè)高度一般小于100米。喊話器和探照燈用于威懾、制止巡檢中發(fā)現(xiàn)的管線破壞和盜油行為。以上任務(wù)載荷可根據(jù)不同任務(wù)需求獨(dú)立或組合使用。

4油氣管線無(wú)人機(jī)巡檢管理系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)巡檢采集的航拍影像數(shù)據(jù)靠人工判讀和分析,存在工作量大、效率低、實(shí)時(shí)性差、誤判漏判多等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約無(wú)人機(jī)在油氣管道巡檢領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前,油氣行業(yè)無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研發(fā)處于起步階段,功能不完善,智能識(shí)別率低,誤報(bào)漏報(bào)率高是普遍現(xiàn)象。因此,非常有必要開(kāi)展管道航拍影像數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)研究?;诂F(xiàn)狀,研發(fā)了一套集數(shù)據(jù)管理、圖像分析、圖片拼接、數(shù)字地球和用戶管理于一體的高精度、多功能油氣管線無(wú)人機(jī)巡檢管理系統(tǒng),核心模塊為圖像拼接系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)。圖像拼接系統(tǒng)通過(guò)不斷優(yōu)化和改進(jìn)的SFM建模算法,以采集到的數(shù)字影像數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)信息作為輸入,快速構(gòu)建航拍場(chǎng)景的數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字地表模型(DSM),拼圖速度大幅提升。經(jīng)驗(yàn)證46km管段數(shù)據(jù),1195張航片,圖像重疊度65%,拼接完成時(shí)間71分鐘,極大限度的提升了用戶作業(yè)效率。拼接效果如圖1所示。圖像分析系統(tǒng)包含目標(biāo)檢測(cè)及對(duì)比檢測(cè)。目標(biāo)檢測(cè)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)航拍圖像數(shù)據(jù)智能分析,自動(dòng)識(shí)別出異常目標(biāo),并將其精確位置標(biāo)注出來(lái),如圖2所示。對(duì)比檢測(cè)通過(guò)對(duì)比兩次飛行時(shí)序的圖像在大致相同位置上發(fā)生的變化,檢測(cè)出沒(méi)有固定形態(tài)的大范圍異常目標(biāo),如山體滑坡,土壤翻動(dòng)等,檢測(cè)完畢后生成分析報(bào)告。經(jīng)實(shí)測(cè),目標(biāo)檢測(cè)查全率和查準(zhǔn)率可達(dá)95%以上。

5無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用試驗(yàn)

為驗(yàn)證研究效果,采用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)海西天然氣管網(wǎng)秀嶼至福州段管線進(jìn)行了巡檢應(yīng)用試驗(yàn)。該段管線地理情況復(fù)雜,囊括了山區(qū)、平地、林地、水網(wǎng)、居民區(qū)、道路、農(nóng)田等,地形地貌較為典型。結(jié)合巡檢需求,本次試驗(yàn)制定了由任務(wù)類型、飛行平臺(tái)、任務(wù)載荷組成的搭配矩陣,如表2所示,規(guī)劃飛行20架次。經(jīng)驗(yàn)證:(1)多旋翼無(wú)人機(jī)搭載不同載荷適合用于對(duì)航程和航時(shí)無(wú)嚴(yán)格要求的周邊環(huán)境調(diào)查、日常巡檢、違章占?jí)?、地質(zhì)災(zāi)害巡檢、專項(xiàng)巡檢和應(yīng)急搶險(xiǎn)等場(chǎng)合,可以提高巡檢效率,取得良好的應(yīng)用效果。圖3所示為多旋翼無(wú)人機(jī)搭載雙光吊艙識(shí)別到的山區(qū)管道裸露。(2)系留無(wú)人機(jī)適合用于長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)場(chǎng)合,與多旋翼無(wú)人機(jī)配合使用,可達(dá)到比較理想的應(yīng)用效果。(3)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)適合于中長(zhǎng)距離管線巡檢。搭載雙光吊艙和航拍相機(jī)可在周邊環(huán)境調(diào)查、日常巡檢、專項(xiàng)巡檢等場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果。(4)油氣管線無(wú)人機(jī)巡檢管理系統(tǒng)可大幅提高航片拼接效率和智能輔助識(shí)別率,提升管理人員監(jiān)視和響應(yīng)效率,提升危害事件的預(yù)警和處理效率。本次應(yīng)用試驗(yàn),也凸顯了一些無(wú)人機(jī)應(yīng)用面臨的問(wèn)題,需重點(diǎn)研究解決:(1)無(wú)人機(jī)空域申請(qǐng)難度大,申請(qǐng)渠道不明確,限制要求多。(2)地方法規(guī)及重大活動(dòng)影響無(wú)人機(jī)飛行。例如:《福建省高速鐵路安全管理規(guī)定》指出,高速鐵路電力線路導(dǎo)線兩側(cè)各500米范圍內(nèi)禁飛無(wú)人機(jī)。(3)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全,油氣管道無(wú)人機(jī)巡檢無(wú)技術(shù)規(guī)范可循。(4)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力、防護(hù)等級(jí)不足,任務(wù)載荷多功能集成度較低。(5)目標(biāo)智能識(shí)別需要大量樣本的積累和訓(xùn)練,樣本量不足導(dǎo)致可識(shí)別目標(biāo)種類欠缺。另外,還無(wú)法做到基于視頻流的實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)。

6結(jié)論

無(wú)人機(jī)在電力線路巡檢中獲得了廣泛應(yīng)用,在油氣長(zhǎng)輸管道巡檢中的應(yīng)用還處于普及階段,尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。相信隨著無(wú)人機(jī)及配套技術(shù)的快速發(fā)展,市場(chǎng)體系的成熟和我國(guó)低空空域的進(jìn)一步放開(kāi),無(wú)人機(jī)必將在油氣管道巡檢領(lǐng)域發(fā)揮愈發(fā)關(guān)鍵的作用,成為巡檢人員的有力“幫手”和油氣管道“守護(hù)者”。

參考文獻(xiàn)

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作者:杜懷林 單位:國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)(福建)應(yīng)急維修有限責(zé)任公司

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