關(guān)于使用無人機為燃氣管道巡線的技術(shù)及應(yīng)用

袁喆

摘要：中國的燃氣管道具有著分布廣、距離長等特點，因此其險要地段的巡線、保衛(wèi)一直都是管道管理工作中所面臨的難題。而無人機遙感技術(shù)的興起和發(fā)展，幫助人們更高效地獲取高精度影像數(shù)據(jù)，為燃氣管道巡線的安全管理提供了技術(shù)支持。本文詳細介紹了無人機在燃氣管道巡線方面所使用的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合筆者所在公司的實際情況對其實際應(yīng)用進行了分析。

關(guān)鍵詞：無人機；遙感技術(shù)；燃氣管道巡線

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）30-0126-03

0引言

燃氣和居民生活息息相關(guān)，保證運輸燃氣的管道安全性是社會和企業(yè)一項重要的責(zé)任。燃氣管道具有距離長、分布廣的特點，多鋪設(shè)于城市地下，沿途經(jīng)過很多河流、溝壑、鐵路、公路，地形復(fù)雜。由于地形與距離等因素的現(xiàn)實，制約了人工巡線的進行，給管道的定期檢查帶來不便，暗藏諸多安全隱患問題。無人機遙感技術(shù)則利用自動導(dǎo)航或者人工控制的方式，可以自動高效根據(jù)采集的圖像、視頻等數(shù)據(jù)信息對管道進行監(jiān)測，節(jié)約大量人力物力。在國外，無人機遙感技術(shù)被廣泛的用在能源研究領(lǐng)域，山區(qū)管道巡檢、漏油與盜油點定位、災(zāi)后次生災(zāi)害的評價等工作都在無人機的幫助下提高了工作效率與準確度。

1無人機燃氣管道巡線技術(shù)原理

1.1線路視覺跟蹤技術(shù)

無人機在巡線時的路徑導(dǎo)航主要依靠于對路標、指示物、桿塔等物體的視覺追蹤技術(shù)，這項技術(shù)雖然在理論和試驗中獲得了成功，但是在實際操作過程中還是存在一定量的偏差。由于飛機在飛行的過程中會產(chǎn)生振動，勢必影響成像的質(zhì)量，再加上圖像中標志物被障礙物遮蔽、標志物與背景視覺差異小等原因，對無人機的追蹤帶來了一定的困難。目前較為通用和可靠的方法是采用霍夫變換的跟蹤算法，系統(tǒng)同時對三條標志物進行追蹤，并通過跟蹤算法將無人機的橫向位移與縱向位移反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精準追蹤。

1.2無人機遙感圖像處理技術(shù)

無人機遙感技術(shù)是在普通無人機所具備的無人駕駛飛行器、控制系統(tǒng)、通訊、GPS差分定位等系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加攝像頭及氣味探測器，并建立專用的數(shù)據(jù)庫用于追蹤管道檢測的完成進度，幫助工作人員識別高危燃氣管道，及時采取相應(yīng)的安全措施。其主要由地面系統(tǒng)、空中系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖1所示。

目前，較為成熟的天然氣巡線技術(shù)采用的是飛行平臺搭配攝像頭，沿著輸氣管道飛行的同時拍攝高清圖片和視頻，并通過數(shù)據(jù)處理生成管道的無人機校正攝像圖，智能化生成地面環(huán)境的空間遙感信息，并于后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成建模和應(yīng)用分析。

但是這種無人機在進行空中拍攝時傾斜角度較大，且其變化無規(guī)律，勢必會造成成像的幾何變形，因此對無人機遙感成像進行幾何校正可以使圖片更加清晰。通常來說，較為優(yōu)良的辦法是采用多項式校正法。多項式校正法不考慮成像過程中的空間幾何關(guān)系，而直接對圖像變形的本身進行數(shù)學(xué)模擬，以達到校正的目的。它把影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲，以及更高層次基本變形的綜合效果，因而校正前、后影像相應(yīng)點之間的坐標關(guān)系，可以用一個適當(dāng)?shù)亩囗検竭M行描述。在多項式校正法中包括一次、二次、三次多項式幾何校正，三次多項式幾何校正雖然計算復(fù)雜，但是其精度較高，在定位精度要求較高的管道行業(yè)，使用三次多項式幾何校正，能更好地滿足需要。三次多項式幾何校正法的變換方程為：

式中，x，y為某像元的原始圖像坐標；X，Y為校正后同名點的地面（或地圖）坐標：a，b為多項式系數(shù)。為了求得多項式的系數(shù)，需要使用控制點進行求解，一般選擇控制點的最少數(shù)量為：（n+1）（n+2）/2，n為多項式次數(shù)。當(dāng)多項式系數(shù)求出后，就可以根據(jù)公式求解原始圖像任一像元的坐標，同時還需要對變換后的像素亮度值進行重采樣，以實現(xiàn)2個空間的灰度轉(zhuǎn)換。

圖2為處理前影像與處理后影像。

1.3無人機激光遙測技術(shù)

第三種較為成熟的技術(shù)為采用超高精度激光甲烷遙測儀搭載特定的飛行平臺，用于各種復(fù)雜場景下的燃氣泄漏巡檢。這種超高精度的激光遙測儀能夠在50米以外對室內(nèi)低濃度甲烷氣體進行報警提醒，在實際的居住環(huán)境中檢測線可以達到5ppm*m。這種技術(shù)的主要工作原理是采用激光束照射廚房玻璃，使激光束穿透待檢測氣體，并在廚房墻面或其他物體表面的反射之后，被接收器接收。系統(tǒng)通過對反射光光譜的分析計算廚房內(nèi)甲烷濃度，從而判斷用戶家中是否發(fā)生了燃氣泄漏。

2無人機燃氣管道巡線的應(yīng)用

燃氣管道通常呈線性分布，其管道長度常達到上百公里，燃氣管道的巡線工作主要是對管線本身以及管道周邊一公里內(nèi)的環(huán)境情況進行監(jiān)測。目前，無人機燃氣管道巡檢應(yīng)用主要有居民室內(nèi)巡檢與戶外場景巡檢兩種。

2.1居民室內(nèi)巡檢應(yīng)用

過去傳統(tǒng)的居民室內(nèi)燃氣安全巡檢主要依靠工作人員入戶排查，并且利用手持遙測儀進行檢測，工作量大、效率低下。除此之外，對于燃氣戶外穿墻立管，手持遙測儀受地面檢測角度的限制，無法適用于六層以上的高層建筑，其替代方案空間爬梯檢測不僅安全風(fēng)險高，并且費時費力。而利用搭配高精度激光設(shè)備的無人機則可以很好解決此問題。此類無人機為采用超高精度激光甲烷遙測儀搭載特定的飛行平臺，用于各種復(fù)雜場景下的燃氣泄漏巡檢。這種超高精度的激光遙測儀能夠在50米以外對室內(nèi)低濃度甲烷氣體進行報警提醒，在實際的居住環(huán)境中檢測線可以達到5ppm*m。這種技術(shù)的主要工作原理是采用激光束照射廚房玻璃，使激光束穿透待檢測氣體，并在廚房墻面或其他物體表面的反射之后，被接收器接收。系統(tǒng)通過對反射光光譜的分析計算廚房內(nèi)甲烷濃度，從而判斷用戶家中是否發(fā)生了燃氣泄漏。過去，傳統(tǒng)的天然氣檢測方式為抄表員入戶檢測，每人每天最多檢測40戶。由于無人在家等原因，每年居民燃氣泄露排查入戶率不到70%，安檢率低。新型無人機系統(tǒng)已經(jīng)不再需要人工操控，能夠根據(jù)任務(wù)自主飛行，通過程序預(yù)設(shè)及規(guī)劃的線路，單臺飛機每次可飛行檢測120戶，平均每用戶用時10秒鐘。endprint

2.2戶外巡檢應(yīng)用

過去，戶外場景的巡檢人員只能對所巡視管道的地表情況及周圍環(huán)境進行初步的判斷，面對水災(zāi)、滑坡等極端戶外情況則需要花費大量的人力和物力，巡檢人員也需要背負特定的巡檢設(shè)備。人工巡檢無法方便地掌握工作人員實際的巡檢到位情況，也無法對巡檢結(jié)果進行可靠、便捷的存檔記錄。

以筆者公司為例，集輸公司承擔(dān)著濱海新區(qū)30萬居民、工業(yè)及商業(yè)用戶的供氣任務(wù)，年輸氣量約3億至4億立方米。公司的現(xiàn)供氣設(shè)施主要包括建設(shè)高壓球罐6座（其中4座產(chǎn)權(quán)屬濱海電廠），高壓、次高壓配氣區(qū)4座，中壓、調(diào)壓車間一座，外加管線數(shù)十公里及相應(yīng)設(shè)施。在所有的天然氣輸送成本中，由于泄漏帶來的管輸損耗值得令人關(guān)注。老化的管道可能存在泄露問題，目前集輸公司使用中的天然氣管網(wǎng)點多面廣，主干管道已有二十年多的歷史，有的閥門、接頭、法蘭等元部件都存在不同程度的腐蝕或老化的問題，有的連接節(jié)點已經(jīng)泄漏，從而導(dǎo)致的管輸?shù)膿p耗。因此，對天然氣設(shè)備與管道進行巡線就顯得非常有必要。

筆者所在單位為驗證無人機天然氣管道巡檢可行性，對天津市濱海新區(qū)部分設(shè)備及管線進行了無人機監(jiān)測飛行。天津濱海地地貌類型主要為沖擊平原，本次飛行任務(wù)區(qū)域位于濱海新區(qū)中部，四周分布多座高度超過300米的山丘，多條河流從其內(nèi)部穿行而過。并且，濱海地區(qū)距離渤海很緊，任務(wù)期間受季風(fēng)影Ⅱ向地面風(fēng)速基本上都超過4級，瞬時風(fēng)速高達6級，作業(yè)環(huán)境惡劣。本次任務(wù)是在固定翼無人機和四旋翼無人機搭載高清可見光相機對天然氣管線和公司最大集輸門站進行集中航測。根據(jù)航測所獲取的高清遙感影像進行數(shù)據(jù)處理，據(jù)此得到任務(wù)區(qū)的正射影像。固定翼無人機航測面積是10km²，管道巡線長度12km，在航測飛行中可拍攝645張照片。整個航測過程動用多旋翼共4架次，航測面積是0.15km²，共拍攝168張相片。通過無人機拍攝的影像圖可以了解門站周邊的地形特點，并從中觀測到威脅門站的危險因素。另外，可提供空中視角觀察對站內(nèi)設(shè)備，及時對潛在的設(shè)備損毀等問題進行預(yù)警。如果事態(tài)緊急，可以先通過無人機及時了解現(xiàn)場情況，為決策提供一手資料。

3采用無人機進行天然氣管道巡線的優(yōu)點

從總體上看，無人機在長輸管道巡線選擇上主要有以下優(yōu)勢：①無人機遙感可以直接獲得關(guān)于管道管線的宏觀性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。比如在進行天然氣運輸管道的埋設(shè)時，地形、地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等資料都可以從遙感圖像中獲得，通過多種方法收集、處理和分析有關(guān)地形的資料，使得遙感圖像具有概括性、宏觀性，設(shè)計人員能夠根據(jù)無人機拍攝的影像的輔助判斷管線工程的可靠性和安全性。②無人機遙感巡線處理數(shù)據(jù)能力強。無人機上搭載的攝像裝備像素可以達到0.02～0.2m，影像分辨率甚至比一些國內(nèi)外高分辨率衛(wèi)星影像更清晰，并且它每天都能很短的時間內(nèi)完成近4000平方公里的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。③無人機遙感巡線為公司節(jié)約大量人力、物力，時間成本。采用人工巡線的傳統(tǒng)方法，需要大量的人力，花費十幾天，甚至幾十天的時間來完成，在收集數(shù)據(jù)之后還要進行數(shù)據(jù)的錄入的分析工作：而由無人機進行巡線，幾天時間便能完成數(shù)據(jù)獲取和分析的工作，完成巡線任務(wù)。④受環(huán)境制約小。無人機巡線幾乎不受氣候或地形的影響，機械性能非常可靠。在受地災(zāi)影Ⅱ向較大的高海拔地帶，技術(shù)員可能無法深入現(xiàn)場例行巡線。通過使用無人機代替巡線人員進行巡線。

4結(jié)論與展望

在燃氣管道的巡線中，無人機可以利用其所具備的遙感技術(shù)攝像、拍照，也可以搭載探測氣體對泄漏濃度進行監(jiān)測，補充了傳統(tǒng)人工勞動強度大、巡線周期長、巡線質(zhì)量難以控制、人員工作條件艱苦的不足，通過便攜、輕量無人機對長輸天然氣管道巡線，及時發(fā)現(xiàn)隱患，消除巡線盲區(qū)，實現(xiàn)天然氣巡線工作的智能化和信息化，為管道的安全提供技術(shù)支持。endprint