基于無人機的管線巡檢方案

摘要：管線具有總里程長、安全事件和事故多發(fā)的特點。因受到長期或超期服役而導致本體強度等力學性能下降以及戶外環(huán)境腐蝕、自然災害、地震損毀、人為破壞等各種不確定因素的影響，管線面臨巨大安全隱患。一旦發(fā)生管線石油/燃氣泄漏，引發(fā)火災或爆炸事故，將嚴重影響到整個管線的正常運行，還可能危及周邊人群的生命和財產(chǎn)安全。因此，十分需要加強管線的安全巡護管理，及早預警管線附近的人員異常行為和可疑車輛，并對已經(jīng)出現(xiàn)的管線損壞等情況盡快報警，在水災、火災等災害發(fā)生時，及早對災害現(xiàn)場的管線進行巡查和受災評估。

關(guān)鍵詞：管線；無人機；巡檢

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.026

中圖分類號：V 279 " " " " " " " 文獻標志碼：B " " " " " " " 文章編碼：1672-7274（2023）07-00-03

Pipeline Inspection Scheme Based on Drones

WANG Lingyang

（Beijing Honeycomb Aerospace Technology Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract： Pipelines have the characteristics of long total mileage， frequent safety incidents， and accidents. Due to long-term or extended service leading to a decrease in mechanical properties such as body strength， as well as various uncertain factors such as outdoor environmental corrosion， natural disasters， earthquake damage， and human damage， pipelines face enormous safety hazards. Once a pipeline oil/gas leak occurs， causing a fire or explosion accident， it will seriously affect the normal operation of the entire pipeline and may also endanger the lives and property safety of surrounding people. Therefore， it is very necessary to strengthen the safety patrol management of pipelines， early warning of abnormal behavior and suspicious vehicles near the pipelines， and to report any damage to the pipelines that has already occurred as soon as possible. In the event of floods， fires， and other disasters， the pipelines at the disaster site should be inspected and evaluated as soon as possible.

Key words： pipeline; UAV; on-site inspection

1 " 無人機自動巡檢應用和優(yōu)勢

目前，工業(yè)級無人機技術(shù)日趨成熟，行業(yè)應用也越來越普及，無人機智能化的使用更加便捷，操控也越來越簡單。隨著任務載荷越來越多樣化，工業(yè)級無人機和遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、地面感應檢測系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡高度結(jié)合成為必然趨勢，形成數(shù)字化、信息化的管道管理系統(tǒng)，助益工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟社會發(fā)展[1]。

利用無人機對管線行業(yè)進行巡檢，有利于提升巡護智能化水平，從根本上解決了人工巡檢周期長、成本高、巡護盲區(qū)無法避免的問題。無人機在田地管道巡護、高原和沙漠管道巡護、峽谷管道巡護、人員聚居區(qū)管路周邊活動和占壓調(diào)查、近海管道監(jiān)控、災后次生災害評價、泄漏和盜油定位巡查、環(huán)境污染監(jiān)測和事故預測方面都有巨大應用價值。無人機自動巡檢的應用和優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）選線勘察。與傳統(tǒng)的管道線路勘察選擇采取人工勘察、手工標繪的方式相比，無人機巡檢能快速了解管道周邊的地形地貌，為管道選線提供全面和準確的依據(jù)。

無人機搭載的航拍相機可對任務區(qū)域進行航空測繪拍攝，并進行數(shù)據(jù)處理，能及時提供該區(qū)域的地理空間數(shù)據(jù)信息，為管道選線勘察提供指導。

（2）管道施工。利用無人機航拍有利于快速了解施工現(xiàn)場周圍環(huán)境，便于施工人員快速掌握現(xiàn)場情況。利用無人機實時查看施工現(xiàn)場的進度、安全措施等，有利于發(fā)現(xiàn)異常情況時及時調(diào)整方案，保障施工的順利進行。

（3）管道巡檢。無人機搭載雙光吊艙進行晝夜監(jiān)控，能快速發(fā)現(xiàn)異常情況并立即報警，配合搭載的遠程喊話器，可以及時發(fā)現(xiàn)、威懾、制止破壞管線和打孔盜油等犯罪行為，并進行現(xiàn)場取證。相比于傳統(tǒng)的人工巡檢，提高了巡檢效率，保證了巡檢人員的人身安全，降低了巡檢風險[2]。

（4）應急監(jiān)測。在遭遇突發(fā)自然災害時，無人機可以晝夜拍攝影像，協(xié)助巡檢人員勘查管道受損位置、受損情況及周邊次生災害情況。

利用無人機掛載設備進行測繪，生成現(xiàn)場三維圖像，利用數(shù)據(jù)鏈將信息傳回指揮中心，可制定應急救災方案提供情報支撐，最大程度降低災害損失，并避免產(chǎn)生次生災害。

2 " 解決方案

2.1 系統(tǒng)組成

無人機管線巡檢系統(tǒng)由前端感知設備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和綜合管理平臺三部分組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 飛行方案

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和巡檢需求，可選用普通無人機和無人值守系統(tǒng)兩種飛行方案。兩種方案的區(qū)別主要是地面部署不同和巡檢現(xiàn)場是否需要飛手。

普通無人機巡檢具有人員部署地面通信鏈路、人員充電/維護無人機、人員操控無人機完成巡檢任務、管理平臺AI智能識別和自動生成巡檢報告的特點。

無人值守系統(tǒng)巡檢具有人員部署無人值守系統(tǒng)、無人機自動充電/維護、一鍵操控、無人機自動完成巡檢、管理平臺AI智能識別、自動生成巡檢報告的特點[3]。

2.2.1 普通無人機巡檢

2.2.1.1 無人機

（1）垂直起降固定翼無人機。垂直起降固定翼無人機兼具固定翼無人機航時長、速度高、飛行距離遠的特點和旋翼無人機垂直起降的功能，增強了無人機平臺的環(huán)境適應性，該無人機平臺能在各種區(qū)域起降作業(yè)。垂直起降固定翼無人機巡檢速度較快，適合通道化巡檢。如圖2所示。

圖2 垂直起降固定翼無人機

（2）多旋翼無人機。多旋翼無人機操控性強，可垂直起降、空中懸停，適用于低速、低空、有垂直起降和懸停要求的作業(yè)，巡檢速度較慢，適合于精細化巡檢。如圖3所示。

圖3 多旋翼無人機

2.2.1.2 普通無人機通信系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場允許空域、地理環(huán)境、供電情況、網(wǎng)絡覆蓋情況選擇采用以下一種或幾種組合的部署方式。

（1）點對點鏈路通信。使用一體鏈路進行點對點通信，適用于場地空曠、飛行高度較高的場景，可在300米以上高度工作，覆蓋50～80千米巡檢半徑。無人機空中端和地面站地面端配合使用，實現(xiàn)無人機與地面站之間的信息、圖像傳輸功能。

（2）地面網(wǎng)絡組網(wǎng)通信。使用地面網(wǎng)絡組網(wǎng)通信，在巡檢路線上布設多個節(jié)點，無人機將吊艙信息實時傳輸給地面，能夠接收到信息的節(jié)點將信息傳輸給服務器，服務器再將信息傳遞給監(jiān)控終端。該方式適用于城市環(huán)境下管線巡檢。

（3）5G公網(wǎng)通信。無人機搭載5G模塊通過5G網(wǎng)絡將吊艙信息實時傳輸?shù)礁浇?G基站，基站再將信息傳遞到運營商公網(wǎng)。運營商公網(wǎng)將信息傳遞到服務器，服務器再將信息傳遞給監(jiān)控終端。該方式適用于5G信號好的環(huán)境，飛行高度為100～200米。

（4）中繼無人機通信。在上述條件都不具備的情況下，采用中繼無人機在高空作為巡檢無人機和地面站的通信中轉(zhuǎn)站。當巡檢無人機飛行距離超出其與地面站的傳輸距離時，使用中繼無人機搭載中繼通信設備升空，升空高度達到其與地面站和巡檢無人機分別可以進行通視要求，進行地面站和巡檢無人機之間的中繼通信傳輸。

2.2.2 無人值守系統(tǒng)

2.2.2.1 多旋翼無人值守系統(tǒng)

多旋翼無人值守系統(tǒng)配備多旋翼無人機，能夠在室外自然環(huán)境為無人機提供起降、存儲場所并為多旋翼無人機進行自動充電，具備遠程控制、自動補給、一鍵操控、高性價比及可靠性等特點，保證無人機能夠全天候作業(yè)，并具備多機協(xié)同工作功能。

2.2.2.2 垂直起降固定翼無人值守系統(tǒng)

垂直起降固定翼無人值守系統(tǒng)攜帶垂直起降固定翼無人機，能夠在室外自然環(huán)境為無人機提供起降、存儲場所并為多旋翼無人機進行自動充電，具備遠程控制、自動補給、一鍵操控、高性價比及可靠性等特點，保證無人機能夠全天候作業(yè)，并具備多機協(xié)同工作功能。

2.2.2.3 接力巡檢

使用多臺無人值守系統(tǒng)接力巡檢，能夠在室外自然環(huán)境下為無人機提供起降、存儲場所并為無人機進行自動充電，具備遠程控制、自動補給、一鍵操控、高性價比及可靠性等特點。

2.3 載荷

2.3.1 雙光載荷

為了使無人機搭載的載荷準確地對地上/地下管道壓線拍攝，需要事先將管道的位置信息上傳給無人機吊艙，并使用AR疊加功能疊加在吊艙視頻中，使無人機在巡檢飛行時能夠保持壓線飛行，不會偏離巡檢管線位置。

使用AR疊加技術(shù)，使管線位置實時疊加在無人機載荷視頻上，確保無人機壓線飛行拍攝，準確識別管線周圍環(huán)境。

2.3.2 二維正射影像相機

一般使用二維正射影像相機對巡檢地區(qū)地理信息進行二維建模。二維正射影像利于存檔以及對比，幫助巡檢工作人員快速核查，對巡檢地區(qū)進行及時的動態(tài)監(jiān)控。

2.3.3 氣體檢測儀器

為了檢測巡檢區(qū)域空氣中天然氣的泄漏情況，使用專業(yè)便攜式監(jiān)測儀器，配備智能可視化分析軟件，使搭載該儀器的無人機實時獲取精確的空氣污染空間分布信息，為燃氣巡檢提供及時有效的決策支持，提升工作效率、降低安全風險與成本，并可實時報警，防患于未然。

2.4 前端控制站

2.4.1 雙屏地面站

采用雙屏地面站作為前端控制站，用來顯示無人機的飛行信息和載荷信息，并控制無人機和無人機載荷。其集成了高性能主機、雙顯示屏、載荷控制設備、通信鏈路等。

2.4.2 無人機前端控制臺軟件

使用無人機前端控制臺軟件，可以對無人機進行任務分發(fā)、飛行參數(shù)設置、航線規(guī)劃、實時修改航線等。

2.5 有線專網(wǎng)

地面站與服務器之間選用無線傳輸（含5G傳輸）/有線傳輸，服務器與監(jiān)控終端及監(jiān)控終端內(nèi)部一般使用有線專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

2.6 綜合管理平臺

綜合管理平臺安裝于監(jiān)控終端，使用該平臺，巡檢工作人員可以進行任務管理、飛行計劃、業(yè)務統(tǒng)計、處置記錄、駕駛員管理、設備管理等。該平臺接收無人機巡檢回傳的視頻/圖片信息，既可以實時對信息中的目標進行AI智能識別和分類，自動生成巡檢報告；也可以對回傳信息進行保存，進行AI識別后處理，并生成巡檢報告。

3 " 結(jié)束語

該套系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于某地區(qū)天然氣管線巡檢和石油管線巡檢，工作實踐證明，該套系統(tǒng)安全可靠，極大地提高了管線巡檢的工作效率。

參考文獻

[1] 武曉華，趙淵，胡敏．無人機在基站勘察巡檢工作中的應用[J]．電信工程技術(shù)與標準化，2017（4）：18-22.

[2] 陳浩，解成超．無人機在海上石油平臺巡檢與應急救援中的應用研究[J]．信息技術(shù)與信息化，2019（8）：209-211.

[3] 陳衛(wèi)衛(wèi)，遲凱．無人機集群數(shù)據(jù)鏈技術(shù)研究[J]．指揮與控制學報，2020（1）：43-49.