5G技術在山地管道保護智能化應用中的探究

韓林元 魏勇 葛玉寶 姜慧春

1.國家管網集團貴州省管網有限公司 貴州 貴陽 550025；2.西南管道貴陽輸油氣分公司 貴州 貴陽 550025

引言

根據《中長期油氣管網規劃》[1]，到2020年全國長輸油氣管網規模將達到 16.9×104km；到2025年，管網規模將達到24×104km，屆時全國省市區成品油、天然氣干線管網全部連通，100萬人口以上的城市成品油管道基本接入，50萬人以上的城市天然氣管道基本接入，國內將迎來新的管道大發展時期。隨著蘭成渝管道、西部管道、中緬管道等大型山地管道以及配套省級支線管網建成運行，山地管道的里程快速擴大并不斷向縣級以下地區輻射，服務能力不斷增強，已成為支撐山地地區經濟發展、保民生密不可分的一部分。因此，保證管道安全運行是一項艱巨任務，而山地管道周邊地質環境、人員活動較其他地區復雜，采用傳統的人工巡檢方式存在時間和空間上的局限。通過引入5G技術，借助人工智能、大數據、物聯網等工具，破解管道保護難題，提升油氣管道保護管理水平。

1 山地管道管理的難點

管道安全監測包括三方面：一是管道自身失效；二是第三方破壞；三是地質災害。而山地管道途經崇山峻嶺，溝壑縱橫，雨水充沛，環境氣候條件復雜。地質沉降、山體滑坡、暴雨沖刷、塌方等嚴重威脅管道安全。再者山地油氣管道沿線高差較大，例如中緬油氣管道，高程差大于1000m的管段近10段，最大高程差1800m，沿線陡坡管段近100處[2]，給管道巡護帶來挑戰。人工巡檢又存在局限性，長期以來，由于受技術條件的制約，管道外部安全監測主要靠人工巡檢。山地不比平原，讓工人長年累月不分春夏秋冬跋山涉水，非常危險。一旦管道發生事故，必將巡檢人員置于危險之中，而且人工巡檢不能實現時間與空間維度上的無盲區巡檢。

2 5G通信技術特點

5G技術有如下特點[3]：①高速度。在實際應用中5G 移動通信技術網絡的速率是4G 網絡10倍以上。②低時延。相對于2G的時延為600ms（0.6秒）、3G的時延200ms、4G的時延最好的結果98ms，5G的最好時延能達到1ms，這對汽車的自動駕駛、醫療的遠程手術、運行高鐵、網聯無人機的信號覆蓋卻意義非凡。③大容量。5G移動通信技術網絡出現，配合其他技術，空間將在數據意義上劇烈壓縮，很有可能出現一套萬物互聯的全新景象。④低功耗。5G要支持大規模物聯網應用，就必須要有功耗的要求，而5G就能把功耗降下來，讓大部分物聯網產品一周充一次電，或一個月充一次電，就能大大改善用戶體驗，促進物聯網產品的快速普。此外，5G無線通信還有擴展性特點，5G并沒有脫離于3G、4G，而是將這些通信技術的優勢有效地結合在一起，能夠為用戶提供更加豐富的使用體驗與服務。

3 5G在管道保護智能化上的應用

3.1 基于5G的智能陰極保護

長輸油氣管道需要對管道陰極保護數據進行監測，由于普通測試樁只能采集數據，而不能遠程傳輸數據，只能依靠人工巡檢定期獲取數據，這種方式效率較低、費時費力，山區管道測量點現場環境復雜，導致陰保數據采集不及時甚至缺失，恒電位儀布置分散，依靠人工調節不僅容易錯誤操作而且難以做到集中統一管理，也不利于陰保數據的動態管理。為順應當今油氣管道管理數字化、智能化的發展趨勢，需建設陰極保護智能采集監控管理系統。

目前陰極保護智能化已有許多有益的探索，典型做法就是在山地管道上安裝管線陰極保護/雜散電流智能監控終端，作為系統平臺的數據采集支撐，實現管道陰極保護狀態監測、陰極保護設備遠程控制、管道雜散電流監測、管道安全預警等功能，實現對管道陰極保護狀況的評價與評估，為管道的陰極保護綜合評價和風險管控提供基于大數據的智能調節和決策支持[4]。這些數據經過光纖和衛星通信方式進行傳送，光纖通信有遭第三方施工破壞和地災損毀斷纜造成通信中斷的風險。衛星通信有資費高、頻率受限、傳輸效率低缺點，不適合作為智能陰極保護系統的通信。通過將油氣管道陰極保護智能監控終端改造為具有5G通信功能的陰極保護智能監控終端，實現監控終端與中心的高速、低延時通信，達到對山地油氣管道陰保數據全天候動態監測和控制。同時，在5G智能陰極保護智能監控終端在加裝太陽能電池，實現油氣管道陰極保護智能保護終端的節能環保。

3.2 基于5G網聯無人機的山地管道智能巡護

傳統的山地管道巡護主要依靠人工徒步巡檢，效率低，而且人員置于山地環境風險較大，通過引入5G網聯無人機代替傳統人工巡檢，實現山地管道無盲點巡檢。目前國家管網集團貴州省管網公司在無人機管道智能巡護上做了一些探究（以清鎮支線為例），通過對清鎮支線全線進行坐標測量、無人機采集模型數據、拍攝全景照片，然后進行三維建模、VR全景合成、添加熱點等數據處理，最后在將三維模型、VR全景、視頻、正射影像拼接等可視化數據進行整合、搭建平臺，錄入相關信息，實現數據系統化、可視化，如圖1所示。

圖1 管道數據建模

圖2 無人機巡檢界面

后期通過無人機定時對油氣管道精細巡檢，利用可視化數據平臺，實現三維建模技術高精度還原管線模型，進行可視化的細節查勘、測量與變量評估；VR-全景虛擬現實技術真實還原管道周邊環境，添加熱點錄入相關信息，足不出戶總攬全局，進行可視化管理；人工智能識別技術實時監測，快速識別目標物并上報問題點，同時為可視化數據提供更新依據，為管理者提供危險報警和決策支持，如圖2所示。

但是無人機一般通過遙控系統進行控制，民用無人機與遙控器之間的數據傳輸，通常采用低功耗藍牙或 Wi-Fi 技術，受發射功率限制，只能在不超過500米的視距范圍進行數據傳輸，且傳輸圖像最大分辨率不能超過 1080p[5]，極大地限制了無人機在山地油氣管道巡航的應用，長距離的，因此無法一次完成整條長輸油氣管道巡護，且智能油氣管道需要實時傳輸高清視頻、VR全景虛擬現實、控制信號等海量數據，機載藍牙、Wi-Fi、4G已無法滿足無人機管道智能巡檢高速率、低延時、大容量的應用需求。5G 提供的大帶寬、高可靠、低時延通信更好地契合了無人機管道智能巡檢的要求，通過引入5G無線通信，搭建5G網聯無人機智能管道巡檢平臺，突破以往通信手段的限制，結合人工智能和大數據算法，通過給山地管道設置巡檢路由，讓無人機按照設定軌跡自動巡檢，利用遠程終端對智能山地管道巡檢系統進行智能監控，達到山地管道無盲點管理，如圖3所示。

圖3 5G網聯無人機巡護技術架構[6]

3.3 基于5G的智能視頻監控

目前山地管道管理中常用固定式監控探頭、移動式監控探頭，固定式監控探頭主要用于高后果區監控，移動式監控探頭主要用于第三方施工管理。現行主要的做法是在高后果區管段安裝固定高桿式太陽能監控終端、在第三方施工現場安裝移動式太陽能監控終端，利用是4G網絡上傳至監控中心。由于4G網絡受帶寬的限制，無法高清實時的傳輸，延遲卡頓，采集數據有效性和一致性不佳，無法對現場變量進行精細管控。5G技術的引入可以依托其更快的傳輸速度和更低的延時，結合人工智能，可以對高后果區、第三方施工現場進行高清智能監控，實時對高后果區進行動態評估，對第三施工中的危險動作進行識別報警。

3.4 基于5G的智能山地管道應急搶險

山地管道地區地質災害風險較平原地區大，經常出現管道露管、漂管、斷纜、防腐層破損等事故，因此建立山地管道應急搶險平臺，對保障油氣管道的安全平穩運行時完全有必要的。通過引入5G技術借助其優勢，結合網聯無人機對事故管段的周邊環境進行三維全景建模，AR增強現實，利用5G網絡上傳至應急平臺中心，借助人工智能算法、大數據分析、物聯網技術，智能選擇最優搶險路徑、調配最佳的搶險機具、合理分配搶險人員，為搶險決策者提供數據支撐。

4 結束語

隨著5G技術的日趨成熟和大規模推廣使用，借助其高速率、大容量、低延時的優勢，深度融合人工智能、大數據、物聯網技術，通過將山地油氣管道保護全面數字化、智能化，破解山地管道管理癥結。未來的山地管道保護平臺將具備態勢全面感知、智能決策、智能控制、自主學習功能，也會是低風險和高效率的。