輸油管線巡檢無人機造型設計研究

朱力 徐江華

摘要：輸油管線巡檢無人機屬于工業(yè)無人機，用于智能化巡檢，取代人工巡檢，目前已經(jīng)被廣泛應用于各大油氣公司。文章研究輸油管線巡檢無人機的造型設計，具有以下三方面重要意義：一是有利于從造型方面優(yōu)化我國無人機，促進無人機產(chǎn)業(yè)增值；二是從工業(yè)設計的角度研究無人機造型，填補我國相關(guān)研究的空白；三是有利于為我國輸油管線巡檢無人機造型設計提供新思路。利用無人機進行智能化巡檢后，雖然大大提高了巡檢效率，但目前并沒有專為巡檢任務設計的無人機，利用現(xiàn)有工業(yè)無人機改裝后的巡檢無人機，不論是在造型還是在工作效率上都遠不及成熟產(chǎn)品；同時由于設備之間不適配，因此人機之間存在安全隱患。基于此，文章采用產(chǎn)品造型語義學以及模塊化設計理論，針對目前輸油管線巡檢無人機存在的問題進行設計改良，根據(jù)模塊化設計理論，綜合考量巡檢無人機在不同作業(yè)任務中的功能選擇，將功能模塊均設計成可任意組合的功能模組，便于針對不同任務進行裝配。文章梳理研究巡檢無人機相關(guān)文獻，并通過對比實際市場產(chǎn)品，得出巡檢無人機未來設計趨勢，歸納出相關(guān)設計方法。

關(guān)鍵詞：無人機；造型設計；模塊化設計；產(chǎn)品語義學

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）13-0-03

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

1.1.1 國家戰(zhàn)略

無人機產(chǎn)業(yè)是衡量國家高端制造業(yè)發(fā)展水平的標準之一。2017年12月頒布的《關(guān)于促進和規(guī)范民用無人機制造業(yè)發(fā)展的指導意見》中提到，到2025年，民用無人機行業(yè)產(chǎn)值將達到1800億元，年均增速在25%以上，產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、企業(yè)實力持續(xù)保持國際領先勢頭。2022年1月印發(fā)的《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中提到，我國將大力引導無人機創(chuàng)新發(fā)展，鼓勵建設一批創(chuàng)新平臺，支持以無人機全產(chǎn)業(yè)鏈為重點的低空經(jīng)濟集聚區(qū)建設。

1.1.2 社會發(fā)展

油氣管道是國家能源的重要組成部分，安全性至關(guān)重要，需要投入較高成本進行巡檢和維護。現(xiàn)代化巡檢和維護的目標是提高油氣管道運營的安全性，同時降低成本。然而，傳統(tǒng)手段在油氣管道巡檢中難以同時降低成本和提升安全性。我國油氣管道建設年代跨度大、分布廣、穿越地形復雜，傳統(tǒng)的巡檢方法已經(jīng)無法滿足要求。因此，無人機智能化巡檢已成為未來輸油管線巡檢的趨勢。

1.2 研究意義

目前，國家管網(wǎng)集團在役油氣長輸管道總長度約94 000千米，這些管道跨度大、分布范圍廣、穿越地形復雜，存在諸多安全隱患。傳統(tǒng)的人工巡檢方式成本高、效率低，對復雜環(huán)境和突發(fā)情況下的巡檢存在很大的局限性。

由于不同管線線路和巡檢任務的不同，所以無人機所需配置的功能也不盡相同。目前市面上并沒有專為輸油管線巡檢而設計的工業(yè)級巡檢無人機，無人機的整體造型、重量和尺寸都存在不足。

2 文獻綜述

本文參考的文獻主要分為三個方面：無人機發(fā)展現(xiàn)狀、巡檢無人機發(fā)展現(xiàn)狀以及無人機造型設計現(xiàn)狀。

2.1 無人機發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 無人機發(fā)展規(guī)模

根據(jù)動力來源和支撐方式的不同，無人機可以分為旋翼和固定翼兩種類型。此外，根據(jù)應用領域的不同，可以分為民用無人機和工業(yè)無人機兩類。在國家政策的支持和行業(yè)發(fā)展的推動下，我國商用、民用以及軍用無人機行業(yè)迅速發(fā)展，目前在全球已達到領先水準［1］。

2.1.2 無人機應用領域

第一，交通領域。2018年公共安全行業(yè)標準《基于無人機駕駛航空器的道路交通巡邏系統(tǒng)通用技術(shù)條件》的實施，使利用無人機進行違法行為取證、交通流量監(jiān)測、目標跟蹤及聲光提示擁有了可能。

第二，建筑領域。無人機拍攝視角的變化，可以產(chǎn)出不同于人拍攝出的視覺效果，再利用三位三維模型建模，得到更清晰的地形特征，優(yōu)化視覺效果。

第三，巡檢領域。無人機巡檢可提升管線巡查的工作效率，如查看管線周邊綠化情況、管線通順情況、設施是否破損或標志牌是否丟失等。

2.2 巡檢無人機研究現(xiàn)狀

2.2.1 巡檢無人機發(fā)展現(xiàn)狀

通過CiteSpace搜索關(guān)鍵詞“巡檢無人機”，抓取國內(nèi)巡檢無人機的相關(guān)學術(shù)成果，得出表1。

現(xiàn)階段，無人機巡檢僅作為備用手段以彌補人工巡檢的不足，但在未來可完全替代人工巡檢。無人機可克服地形障礙，實時采集各類數(shù)據(jù)、預警安全隱患，同時通過AI對比分析主動掌握周邊地理信息［2］。

2.2.2 巡檢無人機發(fā)展趨勢

（1）智能化。機器視覺、人工智能和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應用賦能無人機行業(yè)，提升了智能化水平、產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品工作效率。在這些技術(shù)的加持下，無人機的適用范圍擴大，可以在各個行業(yè)應用，更好地為用戶提供解決方案。

（2）去飛手化。隨著4G/5G通信網(wǎng)絡的不斷發(fā)展和信息化技術(shù)的大量應用，無人機可以通過紅外傳感器對環(huán)境進行分析感知，通過遠程進行控制和擁有無人機芯片AI自主學習功能。無人機的智能化水平將繼續(xù)提高，為未來的應用提供更多可能性，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、救援、軍事等領域。

（3）平臺/體系化。隨著相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，無人機采集的圖像從二維圖像發(fā)展至三維圖像，實現(xiàn)了在空中進行高效的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。現(xiàn)在，無人機系統(tǒng)已經(jīng)形成了一個非常完整且有閉環(huán)的作業(yè)平臺、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡互聯(lián)和后臺應用管理系統(tǒng)，以配合工作人員指揮和信息化需求。

2.3 無人機造型設計研究現(xiàn)狀

隨著各個時期動力、材料等科技的發(fā)展，無人機的造型經(jīng)歷了三個主要階段。第一個階段是功能主義導向期，這一時期的無人機設計重點在于功能性，強調(diào)實用性與性能，忽略了外形美感。第二個階段是空氣動力學發(fā)展期，隨著對空氣動力學的深入研究，進一步優(yōu)化了造型，提高了空氣動力學效率［3］。第三個階段是工業(yè)設計融入期，這一時期工業(yè)設計與航空科學、創(chuàng)意與工程技術(shù)交叉融合，實現(xiàn)了無人機從概念數(shù)字模型到實體的一體化。這些趨勢使無人機不僅在性能方面不斷提升，而且在造型設計上有了更多的選擇和可能性［4］。

2.4 市場產(chǎn)品案例分析

3 研究內(nèi)容和創(chuàng)新點

3.1 研究目的

由于巡檢工作內(nèi)容不同，所以每次巡檢任務所需配置的功能也不相同，在執(zhí)行任務之前要按任務需求定制安裝。選裝設備的不適配性以及無人機機身的復雜性，使非專業(yè)飛手在裝配或檢修無人機時，不能順利地解決問題或達成目的，間接影響巡檢作業(yè)效率［5］。

針對這些問題，本文開展兩方面的設計研究：一是巡檢無人機造型外觀設計研究，二是巡檢無人機模塊化設計研究。

3.2 研究內(nèi)容

3.2.1 管線巡檢無人機造型設計研究

為優(yōu)化工業(yè)無人機造型，同時減少加配設備對無人機作業(yè)效率的影響，重新設計巡檢無人機造型。通過產(chǎn)品語義學研究無人機造型趨勢，根據(jù)民眾對無人機的造型認知，降低民眾在不了解無人機作業(yè)時的戒備心和防范心，確保無人機在作業(yè)時的社會安全性［6］。

3.2.2 管線巡檢無人機功能模塊化設計研究

目前并沒有專為巡檢任務而設計的專業(yè)無人機，負責巡檢任務的無人機均為采購的商業(yè)無人機，再針對不同巡檢任務進行二次改裝、加配設備。因此，本文對巡檢無人機所需模塊進行總結(jié)分析，將其設計成通用的設備模塊（見圖3），使工作人員在拆卸或安裝無人機時更加容易，同時減少維修成本［7］。

4 研究方法與技術(shù)路徑

4.1 產(chǎn)品語義學

產(chǎn)品語義學起源于1983年，由德國的布特教授和美國的克里彭多夫教授共同提出。該領域研究如何根據(jù)不同的使用情景，將工業(yè)設計融入產(chǎn)品的象征意義。產(chǎn)品語義學主要有四個原則。

邏輯性原則要求設計師考慮使用者的邏輯思維，使產(chǎn)品表達的形式在用戶可認知的范圍內(nèi)。

適用性原則要求設計師不僅要提升對產(chǎn)品的認知，還要隨著技術(shù)的革新和人類審美的變化不斷更新設計理念。

傳承性原則要求在新產(chǎn)品開發(fā)中，不僅考慮到產(chǎn)品的更新和創(chuàng)新，還考慮到老產(chǎn)品的各種特征形態(tài)，從而更好地展現(xiàn)品牌價值以及品牌產(chǎn)品的更新迭代過程。

遵循造型美原則，有利于展現(xiàn)產(chǎn)品的實際用途。設計師要在滿足產(chǎn)品功能需求的基礎上，注重產(chǎn)品造型的美學設計，使產(chǎn)品具備更強的美感和視覺沖擊力［8］。

4.2 模塊化設計理論

模塊化設計是指按照功能或結(jié)構(gòu)劃分產(chǎn)品的生產(chǎn)要素，并形成通用模塊和專用模塊兩個部分，通過組合劃分來設計具有多種不同功能的全新產(chǎn)品，以滿足用戶和市場需求。這一設計理念在推動科學技術(shù)進步的同時，在一定程度上促進了人類進化和社會發(fā)展。

科學的模塊劃分是無人機設計中的重要環(huán)節(jié)。模塊化設計使無人機的組裝更為靈活和高效，還降低了生產(chǎn)成本。同時，標準化的設計和生產(chǎn)過程有助于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。通過對模塊的優(yōu)化和標準化，制造商可以更容易地進行批量生產(chǎn)，減少生產(chǎn)過程中的錯誤和浪費。因此，科學的模塊劃分不僅可以優(yōu)化無人機的性能和外觀，還可以實現(xiàn)高效生產(chǎn)和降低成本。

5 結(jié)語

巡檢無人機模塊化設計解決方案集中在無人機功能方面，依據(jù)層次分析法對無人機功能進行排序，將各個功能模塊設計為可替換、通用性強、安裝拆卸簡單的獨立模組。造型設計解決方案主要為市場調(diào)研與實地尋訪，要滿足無人機適航標準、行業(yè)要求，也要考慮到民眾對無人機造型的認知習慣。依據(jù)這些設計方法所設計的輸油管線巡檢無人機，能夠滿足產(chǎn)品社會安全性、產(chǎn)品便攜性、功能模塊簡潔易拆卸維修等要求。

參考文獻：

［1］ 陳永燦. 2020—2021年中國無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究年度報告［J］.機器人產(chǎn)業(yè)，2021（5）：74-85.

［2］ 杜懷林.無人機技術(shù)在油氣長輸管道巡檢中的應用研究［J］.科學技術(shù)創(chuàng)新，2021（7）：55-56.

［3］ 李誠龍.多旋翼無人機高空飛行穩(wěn)定控制問題研究［D］.杭州：浙江大學，2016.

［4］ 賀興柱.多涵道無人機總體設計及氣動特性分析［D］.長春：吉林大學，2014.

［5］ 劉貴.山西油氣管道政府管理保護研究［D］.太原：山西大學，2018.

［6］ 郝維東.仿生視角下軍用運輸無人機造型優(yōu)化設計［D］.西安：西安工業(yè)大學，2021.

［7］ 張攀娜.基于產(chǎn)品語義學的機械產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設計研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2014.

［8］ 王瑋劍.基于感性意象的城市警用無人機設計研究［D］.武漢：湖北工業(yè)大學，2018.

作者簡介：朱力（1998—），男，上海人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品造型藝術(shù)與應用實踐。

徐江華（1977—），男，湖北荊州人，博士，教授，研究方向：航空裝備設計、大飛機客艙舒適性設計。