無人機在油氣管道應急場景中的應用

齊健龍 徐蔥蔥 劉少柱 畢 博 薛焰文 滕延平

1. 國家管網集團北方管道有限責任公司, 河北 廊坊 065000;2. 中國石油管道局工程有限公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

油氣長輸管道具有線路長、途經環境區域復雜的特點,一旦管道本體發生失效會造成輸送介質泄漏或管線燃爆等嚴重事故,給社會公眾安全、經濟和環境帶來巨大損失。油氣管道應急處置是恢復管道生產運行、降低事故影響的必要手段。管道事故發生后,應急處置的準確性、時效性是關鍵,因此,需要及時了解事故現場情況,掌握周邊環境信息,實現事故現場與應急指揮中心的信息傳遞等,為做出應急決策及編制切實可行的處置方案提供依據。但油氣管道事故現場地形復雜、環境多變,尤其是發生因洪水等自然災害導致的管道失效事故時,人員車輛難以進入現場,無法及時獲取周邊情況等,直接影響管道的應急處置。

無人機具有高視角、便于攜帶、易組建、可遠傳等特點,目前在各領域得到了廣泛使用,如在四川木里、西昌火災中,無人機獲取熱紅外監測數據,持續為火災撲救提供測繪應急保障;在油氣管道線路巡檢中，利用無人機作為載體,搭載感知設備,實現無人機智能巡檢等[1-4]。鑒于以上,為進一步提高油氣管道應急處置能力,圍繞應急場景需求,結合無人機特點,有必要探索無人機在油氣管道應急場景中的應用,為油氣管道突發事件應對提供參考[5-6]。

1 無人機技術概況

無人機是一種由遙控設備控制或是按照程序飛行的飛行器,無人機與微型遙感等技術的結合更是擴展了無人機的應用領域。按照用途,無人機可分為軍用無人機和民用無人機,目前民用無人機擔負起地質災害調查、救援指揮、勘探測繪以及環境監測等重任。按照機型,無人機可分為多旋翼無人機、固定翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機和撲翼式無人機等[7-9]。多旋翼無人機具有機械簡單、能垂直起降的優點,但其續航時間短,載荷小;固定翼無人機起降需要助跑或滑行,但續航時間長,載荷大;無人飛艇類似于熱氣球,具有推進和控制裝置,是一種理想的空中平臺,但其體積較大;傘翼無人機利用迎面氣流產生升力起升且需要跑道;撲翼式無人機技術研究還未成熟,材料要求高,不適用于應急場景[10-12]。目前應用于管道管理的無人機機型主要有多旋翼無人機和固定翼無人機,從機動性和靈活性上考慮,最適宜于應急場景的無人機為電動多旋翼無人機,常見為六旋翼無人機或四旋翼無人機,能夠適應復雜飛行場景[13-15]。

目前國內外積極開展無人機在油氣管道領域的探索應用,部分已配備專業隊伍,建立無人機巡檢系統,但在應急場景中使用較少。與管道巡檢相比,應急場景中要求無人機具有時效性、安全穩定性,第一時間建立圖傳通道,提供現場畫面,必要時采用掛載功能輔助現場搶修,為指導搶修作業,制定搶修方案提供輔助。

2 行業應用分析

BP公司自2006年起開展無人機在油氣管道行業應用的研究,并于2014年在美國阿拉斯加管道上進行了試驗性的無人機巡線,通過使用搭載高清晰度攝像頭及熱力傳感器等,對復雜自然環境中的管道進行泄漏檢測與安全監控。小松于2015年開展智能施工(Smart Construction)項目應用,將智能化技術應用于挖掘機、推土機等產品,目前已在1 000多個工程現場應用。智能施工技術將無人機數據采集、數據分析、3D畫面分析、施工方案制定等進行融合,充分體現了小松無人化機械設備的概念。相比傳統測繪方式，施工前采用無人機智能測繪,不僅可以大幅縮減人力物力，縮短工期,還可以獲得高精度三維現場數據,從而制定更加準確詳實的施工方案,然后將測繪數據上傳到小松云,對施工數據和現場數據進行比對,實現施工土方量計算,編制施工進展圖。Gazprom天然氣管道公司在2018年使用ZALA AERO公司開發的無人機進行管道線路巡檢,該無人機配置了全球衛星導航系統、數字遙測系統以及故障診斷系統,可以攜帶各種無線成像儀、導航燈、測距儀以及若干類型的傳感器。

近年來,中國開始將無人機技術應用于管道行業,如山區管道巡檢、近海油氣管道監視、災后次生災害評價,漏油和盜油點現場定位等[16-17]。現階段無人機在管道巡檢領域應用較多,主要配置包括紅外成像和熱成像儀,用于拍照和攝像,識別管道威脅事件,以及管道周邊植被狀態和土壤侵蝕程度;差分吸收激光器和紅外攝像機可用于天然氣管道泄漏監測等。隨著無人機與其他技術的進一步結合,無人機在油氣管道行業其他領域也將得到廣泛應用。

3 應急場景功能實現

3.1 圖傳輔助決策

在油氣長輸管道應急場景中,地面操作人員遠程控制無人機進行低空、低度飛行,通過攝像機等實時采集傳輸高清晰攝像畫面,能夠清晰觀察到管道周邊情況,從而為管道突發事件定性、制定應急措施、現場搶修、后續理賠等提供重要依據。具體實現功能如下。

1)尋找搶修路由。在村莊、山區、水網地區,尤其是汛后水淹路段、封村封路地段、限高限寬路段,可利用無人機及時查找搶修進場路由,協助搶修車輛人員進場,開展搶修作業。

2)探知周邊風險。針對人口密集地、水源地、穿越特殊地段高后果區以及險工險段,通過無人機可及時掌握周邊環境狀況,協助判定風險,制定消減措施。

3)監控溢油形勢。在輸油管道發生泄漏時,無人機可實時監控油品泄漏情況,如溢油進入水域可及時跟蹤油流情況,并對沿線水域情況、進場道路情況、圍油欄布控點設置等進行確認,及時在下游端采取措施,控制油品擴散范圍,從而減小油品對土壤、水體的污染。

4)實時遠程指揮。啟動公司應急響應后,可通過無人機建立傳輸通道,遠傳現場視頻,更加全面、形象地展現現場場景,為現場指揮以及遠程指揮提供決策依據。

5)輔助現場理賠。搶修處置前,需要修筑搶修道路,開挖作業坑,往往涉及林地、農田、魚塘等,為節約搶修時間,搶修作業基本都是先搶修后賠償。在搶修前,使用無人機航拍,可留存原地貌特征,為后續農作物損失、占地等賠償工作提供影像依據,減少企地糾紛。

3.2 外攜輔助現場處置

通過無人機吊艙掛載功能,可疊加可燃氣體檢測儀、紅外夜視攝像頭、紅外熱成像攝像頭、喊話器、照明燈等,實現多種功能,輔助現場搶修處置。

1)物資投放。在應急搶險時,無人機可攜帶小重量的應急物資快速抵達現場并投放。如針對穿越河流段等管道,可以采用無人機將輕質繩索運至對岸,通過繩索拖拽將光纜等送至對岸,實現洪水沖斷光纜的搶修作業。

2)現場照明支持。可攜帶照明設施為地面提供照明,夜間一架無人機在30 m高空中懸停的燈光有效地面照射面積可達80 m2。

3)喊話疏散。在人口密集高后果區,可以利用喊話器在第一時間對人員進行引導疏散。喊話器工作時最大音量為90 dB,通訊距離為4 km。

3.3 外接平臺集成功能

通過無人機攜帶的檢測、監測、采集儀器,再通過外部平臺、軟件實現功能集成。

1)基礎測繪測量功能。通過設定無人機飛行航線,對重點區域進行測繪,通過將航拍成果數據進行后期處理可以更為準確地核定災害損失。

2)快速三維建模功能。無人機懸掛多鏡頭數據采集儀,在應急現場實時采集數據,系統內置快速合成軟件及單機版應用系統,實時自動合成現場三維實景模型,省去數據回傳的時間,可在較短時間內生成三維圖像,并進行系統應用,如計算施工土方量等。

4 無人機應急系統構建及實踐

4.1 遠程圖傳系統構建

無人機遠程圖傳系統包括無人機、攝像頭(普通、紅外夜視或紅外熱成像攝像頭)、地面接收站、CPE無線路由器、無線通訊系統、數據處理系統、指揮終端等,具體系統構建見圖1。無人機通過搭載各種航拍攝像頭,可實現全天候攝像采集,航拍畫面通過無線傳輸方式傳輸到地面接收站,經CPE無線路由器轉化,以4G/5G移動信號傳輸到數據中心服務器,最終到達指揮終端,實現在應急指揮大廳等的實時播放。另外,通過開發手機APP,可實現手機端遠傳呈現,提高移動應急能力建設水平。

圖1 遠程圖傳系統構建圖

4.2 圖像合成系統構建

目前無人機拍攝的單張航拍圖像所展示信息有限,無法展現管道周邊全部的環境特征。為了獲取更大范圍的圖像信息,開展圖像合成系統的構建,采用在無人機上搭載Altizure自動航拍軟件獲取基礎圖像數據,使用Pix4 Dmapper計算軟件進行圖像合成。

4.2.1 基礎圖像采集

無人機可在設定路徑上飛行并進行定時拍攝圖像,基于Altizure軟件的自動航拍功能,通過選擇不同的航拍角度,可以拍攝與地面不同角度的圖像,用于生成正射圖和斜射圖。執行航拍任務前，首先在地圖上選定一個區域設置長寬,限制無人機僅在該區域內飛行,設置航向重疊率和旁向重疊率,確保拍攝的每張照片存在重合區域。設置航向重疊率為65%,旁向重疊率為50%,在所選區域內Altizure軟件將會自動產生5條航線,進行圖像采集[18-19],見圖2。

圖2 Altizure軟件航線設置界面圖

4.2.2 圖像合成

基于Pix4 Dmapper的測繪測量功能,可處理無人機拍攝的圖像資料,生成高精度的二維地圖或三維模型,根據需求輸出三維點云、數字模型、三維模型、正射影像等合成圖像[20]。系統采用無人機外接計算機處理器中的Pix4 Dmapper實現航拍基礎圖像的處理,通過添加圖像、設置POS數據坐標系,進行計算合成。圖像初始化處理后會生成報告,可以看到計算的質量信息,包括面積、連接點數量、相機畸變參數等,最終輸出合成圖像。采用正射影像功能,經Pix4 Dmapper合成之后,可以展現管道周邊大范圍區域內平面圖像信息,有助于及時快速掌握管道周邊全部環境信息,為應急決策提供數據支持,見圖3。

圖3 合成正射圖像

4.3 現場應用實踐

國家管網某管道公司在所轄多輛應急衛星通信車上均配備了無人機,實現了無人機應急系統在油氣管道應急搶險指揮平臺的應用,并在多次應急演練、搶險作業中得到現場應用。根據現場應用實踐,系統實現了遠程手動操作無人機通過搭載攝像設備進行圖像采集、圖像合成、實時展示,并通過4G移動信號將圖像實時傳輸到應急指揮大廳,為決策判斷提供信息支持,見圖4。下一步,將通過搭載智能芯片實現按照設計路線自動開展巡航等功能。

圖4 無人機應急系統圖

5 結論及建議

無人機在油氣管道應急搶險中具有效率高、機動靈活、高視角等優點,可以承擔應急高風險場景中的探查、圖像遠傳、輔助作業等,可在人員車輛無法到場的情況下,及時掌握有效信息,搭建信息傳輸通道,為應急決策及處置提供依據,彌補了目前常用應急通信車等建立遠傳通道的不足。此外,無人機通過搭載外部系統平臺,可實現基礎測繪測量、三維建模等功能,在事故災害評估、應急數據支持中也發揮著顯著作用。目前,無人機在應急場景中的應用還處于起步階段,并且受國家空中管制、需要巡飛資質、電池續航時間短等因素制約,建議從無人機技術和管理等層面開展研究,如采用線束直供電解決續航時間問題等,促進無人機在油氣管道應急場景中進一步發揮作用。