無(wú)人機(jī)技術(shù)在管道巡護(hù)管理中的應(yīng)用

韋金松，王 盈，鄧寶信，陳 飛

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司南寧輸油氣分公司，廣西南寧 530000）

1 概述

面對(duì)管道沿線地勢(shì)起勢(shì)大、道路崎嶇難走，沿途穿越河流、溝谷、沼澤地縱多，雜草植被茂密，無(wú)巡檢通道等現(xiàn)狀，人工巡檢暴露出明顯缺陷，車輛無(wú)法到達(dá)，需要跋山涉水徒步進(jìn)行，巡護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，工作量大。在雨后，尤其是汛期，無(wú)法開展管道徒步巡護(hù)，致使部分管段成為巡檢盲區(qū)。且汛期山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，徒步巡檢風(fēng)險(xiǎn)高。此外，人工只能定期巡檢管道，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候、全覆蓋巡護(hù)，人的視野、能力、責(zé)任心等多重因素都對(duì)巡檢效果造成很大影響。因此，管道巡護(hù)技術(shù)迫切需要升級(jí)完善，采用現(xiàn)代科技逐步取代風(fēng)險(xiǎn)高、工作量大的人工巡護(hù)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展和無(wú)人機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)在管道巡檢工作中有顯著的研究與應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外油氣管道企業(yè)均在探索使用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行油氣管道巡護(hù)，也開展了不同程度的應(yīng)用試驗(yàn)和技術(shù)攻關(guān)，微型無(wú)人機(jī)在管道巡護(hù)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。

2 常用管道巡檢方法對(duì)比

2.1 人工巡護(hù)

人工巡護(hù)作為油氣管道巡檢工作中的傳統(tǒng)方式，理論成熟，應(yīng)用廣泛，主要依靠巡護(hù)工在巡檢過(guò)程對(duì)管線進(jìn)行問(wèn)題觀察、收集與反饋等實(shí)現(xiàn)管道監(jiān)控的目的。然而，在長(zhǎng)輸管道巡檢工作中，這種巡護(hù)方式耗費(fèi)人力巨大，其巡檢質(zhì)量和效果也受到巡線人員能力素質(zhì)的限制，容易受到惡劣天氣和險(xiǎn)峻地形的影響，效率低，精準(zhǔn)度有限。

2.2 光纜巡護(hù)

隨著科技的進(jìn)步，基于分布式光纖傳感器的光纜巡護(hù)方式也逐步應(yīng)用到管道巡護(hù)中。光纜巡護(hù)在管道及其周邊環(huán)境的相關(guān)物理量進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)依靠分布式光纖傳感器傳輸通信信號(hào)，不受人工識(shí)別的制約，安全可靠，精準(zhǔn)度高，可實(shí)現(xiàn)管道沿線的實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于光纜整體埋設(shè)成本較高，使得光纜巡護(hù)僅適用于特定的管道區(qū)域，推廣難度大。

2.3 無(wú)人機(jī)巡護(hù)

無(wú)人機(jī)可搭載高清攝像機(jī)、智能傳感設(shè)備，具有成本低廉、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)簡(jiǎn)單、不受地形限制等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)設(shè)備體積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，方便轉(zhuǎn)場(chǎng)及調(diào)動(dòng)，可適應(yīng)于山區(qū)、沼澤、森林等自然環(huán)境惡劣、人員不易達(dá)到的區(qū)域?qū)艿乐苓吳闆r進(jìn)行航拍，有限時(shí)間內(nèi)可反復(fù)巡護(hù)，在第一時(shí)間收集存儲(chǔ)沿線圖像信息，發(fā)現(xiàn)可疑情況時(shí)及時(shí)懸停、下降高度進(jìn)行近距離觀察，并向地面實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像，便于及時(shí)掌握情況，快捷高效安全，節(jié)省人力，大幅提高巡線效率。如表1所示，無(wú)人機(jī)巡護(hù)與光纜、人工巡護(hù)方式相比，優(yōu)勢(shì)明顯。

表1 常用管道巡護(hù)方式特點(diǎn)對(duì)比

3 無(wú)人機(jī)在管道巡護(hù)中的應(yīng)用

3.1 無(wú)人機(jī)技術(shù)背景

無(wú)人機(jī)技術(shù)是通過(guò)飛行器技術(shù)、通信技術(shù)、GPS、差分定位技術(shù)和圖像技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)的一種無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，通過(guò)搭載高清攝像、智能傳感，使用工業(yè)處理軟件，能夠自動(dòng)、快速生成圖像、視頻。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)巡護(hù)、應(yīng)急搶險(xiǎn)、地質(zhì)測(cè)繪等工作領(lǐng)域。依據(jù)旋翼類別，無(wú)人機(jī)可分為無(wú)人直升機(jī)、多旋翼、固定翼等類型。由于固定翼無(wú)人機(jī)無(wú)須彈射架和跑道，便于野外操作，容易掌握，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，效率高，應(yīng)用不受限制，已在管道巡護(hù)工作廣泛實(shí)踐。無(wú)人機(jī)搭載的傳感器、高清攝像儀、定位系統(tǒng)等多種設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)管道智能巡護(hù)的多種需求[2]，不僅可以節(jié)省大量人工工作量，而且巡線速度快，信息反饋準(zhǔn)確及時(shí)，保證了問(wèn)題的早發(fā)現(xiàn)、早處置，有效降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景

無(wú)人機(jī)技術(shù)在管道巡護(hù)中的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括日常巡護(hù)、應(yīng)急輔助巡護(hù)、“震懾性”巡護(hù)。除此之外，無(wú)人機(jī)技術(shù)還可應(yīng)用于管道三維全景地圖制作，以輔助管道高后果區(qū)巡護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)。

日常巡護(hù)方面，利用搭載高清攝像機(jī)，空中觀察管道附近是否有第三方施工、管道泄漏、可疑車輛與人員等異常情況，輔助查看線路及附屬設(shè)施狀態(tài)，動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)等。利用智能工具對(duì)地形地貌、地表植被、周邊設(shè)施等采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比對(duì)，全面掌握管道的現(xiàn)場(chǎng)情況，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道周邊滑坡、沖溝、第三方施工等影響管道安全運(yùn)行的因素。在汛期，雨、冰凍等天氣后，在農(nóng)作物茂盛期，陡峭山區(qū)等人員、車輛難以進(jìn)入的“盲區(qū)”，人工無(wú)法徒步巡線，可以利用無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)，輔助進(jìn)行惡劣天氣、復(fù)雜地形條件下的管道巡護(hù)。夜間也可搭載紅外熱成像設(shè)備，在空中對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行巡檢，防止打孔盜油份子對(duì)管道的破壞。應(yīng)急輔助巡護(hù)方面，當(dāng)管道沿線發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，管道泄漏、爆炸，造成道路嚴(yán)重?fù)p壞、交通癱瘓時(shí)，可以利用無(wú)人機(jī)勘察管道周邊實(shí)時(shí)狀況，快速完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖片和視頻拍攝，提供地形地貌，事態(tài)現(xiàn)狀、進(jìn)場(chǎng)路由等信息，為制訂應(yīng)急處置措施、現(xiàn)場(chǎng)搶修提供依據(jù)。“震懾性”巡護(hù)方面，在重點(diǎn)時(shí)段，對(duì)人口密集區(qū)、打孔盜油高風(fēng)險(xiǎn)管段，通過(guò)無(wú)人機(jī)加密巡護(hù)及高空喊話的方式，起到震懾作用。還可以定期利用無(wú)人機(jī)高空喊話功能開展管道保護(hù)宣傳。

3.3 管道三維全景圖實(shí)現(xiàn)路徑

建立管道沿線三維模型。在巡護(hù)飛行過(guò)程中依據(jù)GPS 定位系統(tǒng)、管線的地理坐標(biāo)和高清攝像頭采集管道沿線地形、地物、地貌等特征影像，結(jié)合圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)構(gòu)建管道及周邊環(huán)境的三維空間信息模型和管線數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)置管道三維空間信息模型中沿線周邊的警戒范圍及預(yù)警對(duì)象。依據(jù)管道保護(hù)的高后果區(qū)管理標(biāo)準(zhǔn)，將管線位置為基準(zhǔn)，與管道中心線的兩側(cè)相對(duì)距離為5m、50m和200m區(qū)域劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；確定并設(shè)置管道巡檢的預(yù)警對(duì)象包括油氣泄漏跡象、第三方施工機(jī)器具、地質(zhì)災(zāi)害隱患、打孔盜油氣可疑跡象等。識(shí)別并處理管道沿線異常點(diǎn)。無(wú)人機(jī)每次巡線獲得的圖像與管線數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)深度學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)處理平臺(tái)，自動(dòng)識(shí)別巡線異常目標(biāo)并及時(shí)通知管理人員進(jìn)行人工判別，確定異常目標(biāo)后，系統(tǒng)處理平臺(tái)可計(jì)算異常點(diǎn)距管道的位置及范圍，并確定異常點(diǎn)的類別和地理目標(biāo)，生成異常點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)告，及時(shí)反饋預(yù)警管理人員。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 管道情況介紹

廣西境內(nèi)油氣管道沿線敷設(shè)地形多樣，喀斯特巖溶地貌突出，地物復(fù)雜，沿線有山脈、森林、農(nóng)田、河流、村莊、電力線、公路等分布，區(qū)域雨水豐富，滑坡、崩塌和坡面水毀等不良地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)育，巡線人員工作素質(zhì)要求高，人工巡護(hù)難度較大，條件艱苦，汛期任務(wù)量大，危險(xiǎn)難度高，巡線人員容易受到傷害，也無(wú)法在夜間巡護(hù)，對(duì)隱蔽施工難以及時(shí)響應(yīng)，僅依靠傳統(tǒng)人工巡護(hù)的方式管道巡護(hù)效果一般，成本較高。

采用無(wú)人機(jī)技術(shù)與人工巡護(hù)相結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)管道全線、全過(guò)程的綜合巡護(hù)管理。除完成管道日常輔助巡護(hù)、“震懾性”巡護(hù)的同時(shí)，借助無(wú)人機(jī)搭載的傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)管道三維可視化管理。依據(jù)GPS定位系統(tǒng)利用無(wú)人機(jī)拍攝油氣管道中心線兩側(cè)1km范圍內(nèi)的地表航空影像，基于初步處理的圖像采用GIS系統(tǒng)和數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建管線三維地圖。地圖內(nèi)添加管道標(biāo)識(shí)、穿跨越河流、高后果區(qū)等基礎(chǔ)信息，搭建集管道標(biāo)識(shí)、施工管理、高后果區(qū)、地形地貌及管道走向于一體的山區(qū)管道可視化完整性管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)山區(qū)管道的可視化完整性管理。

4.2 功能展示

在地形地貌可視化方面，直觀呈現(xiàn)管道沿線地形地貌、穿跨越河流等情況，對(duì)于地災(zāi)頻發(fā)的管段，通過(guò)全景圖周期性對(duì)比，有效監(jiān)測(cè)管道周邊環(huán)境變化，提前做出地災(zāi)的預(yù)判與防范，防患于未然。管道應(yīng)急搶險(xiǎn)進(jìn)場(chǎng)路由清晰明了，有助于管道突發(fā)事件應(yīng)急決策。在施工管理可視化方面，實(shí)現(xiàn)施工項(xiàng)目進(jìn)度及安全作業(yè)情況可視化監(jiān)管。整個(gè)施工過(guò)程安全質(zhì)量監(jiān)管緊密連接，為現(xiàn)場(chǎng)施工管理提供直觀、宏觀和可溯源的資料依據(jù)。在高后果區(qū)可視化方面，直觀展示管道與高后果區(qū)相對(duì)位置關(guān)系，以及高后果區(qū)位置、規(guī)模等信息，因地制宜，合理規(guī)劃高后果區(qū)逃生路線。通過(guò)定期全景圖對(duì)比分析，可以掌握高后果區(qū)變化趨勢(shì)，為高后果區(qū)可視化管理提供便利。在管道標(biāo)識(shí)可視化方面，直觀查看管道里程、埋深等信息。在樁牌信息表內(nèi)標(biāo)注通信光纜里程，建立管道及通信光纜里程對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)發(fā)生通信光纜故障時(shí)，及時(shí)添加光纜故障時(shí)間、位置及整改情況，有利于提高通信管理水平。

5 結(jié)論

利用無(wú)人機(jī)技術(shù)搭載攝像、傳感設(shè)備并結(jié)合數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)輸管道巡護(hù)，可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景、全時(shí)段的巡護(hù)工作，可有效地克服艱險(xiǎn)地形、夜間巡護(hù)等特殊時(shí)段人員不易到達(dá)、疏漏的巡護(hù)盲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高后果區(qū)重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)護(hù)、汛期加密巡護(hù)的管線關(guān)鍵實(shí)時(shí)管理工作，搭建管道三維全景地圖，提高管道目視化完整性管理。

隨著無(wú)人機(jī)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，要提高認(rèn)識(shí)，與時(shí)俱進(jìn)，持續(xù)探索更多的管道巡護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景，為無(wú)人機(jī)應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)做法，同時(shí)，要制訂無(wú)人機(jī)巡護(hù)管道管理規(guī)定等程序文件，從人員的培訓(xùn)取證、規(guī)范操作、過(guò)程管理等方面，進(jìn)一步推進(jìn)無(wú)人機(jī)管道巡護(hù)規(guī)范化管理。此外，無(wú)人機(jī)巡檢始終不能完全取代人工巡檢，管道巡護(hù)需要無(wú)人機(jī)和人工緊密協(xié)同，形成互為補(bǔ)充、相互促進(jìn)的管道巡護(hù)組合，實(shí)現(xiàn)降低管理成本的同時(shí)，提高巡護(hù)效率、質(zhì)量和應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力。