無人機(jī)在城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿姥簿€中的應(yīng)用

魯培松 文陳鼎 黃錦華 李參軍 彭貴文

（1. 佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司，廣東 佛山 528000；2.中山市中潤能源有限公司，廣東中山 528400 ；3. 深圳前海佛燃能源有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司位于廣東省佛山市。目前在運(yùn)城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿溃ㄒ韵潞喎Q“管道”）200余公里，為佛山市的大型電廠、工商業(yè)用戶、居民用戶等提供清潔能源。轄區(qū)范圍內(nèi)河網(wǎng)密布、溝壑山坡等等地貌多樣變化，該管道的敷設(shè)施工以開挖直埋為主，在管道穿越公路、河流、山體、水塘等地段時(shí)，采用非開挖定向鉆或頂管的方式鋪設(shè)管道。

為了保障管道的安全健康運(yùn)行，必須定期進(jìn)行管道巡查維護(hù)。對于管道巡線來說，尤其距離較長的管道巡查維護(hù)，完成工作的特點(diǎn)是強(qiáng)要求、高質(zhì)量、短周期、重任務(wù)。因?yàn)楣艿乐苓叿秶鷥?nèi)地勢地貌比較復(fù)雜多變，管道穿越河流、魚塘、山嶺、樹林等，人員徒步巡查難以到達(dá)，機(jī)動(dòng)車巡查往往需要遠(yuǎn)距離繞道行駛且難以全覆蓋，因此，無人機(jī)對于特殊地段的管道巡查維護(hù)無死角帶來了可能。

1 高壓燃?xì)夤艿垃F(xiàn)狀特點(diǎn)

1.1 管道敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜多樣

管道埋設(shè)方式主要分為開挖直埋和非開挖定向鉆或頂管幾種。當(dāng)有管道直埋敷設(shè)施工時(shí)，管道的覆土深度需要達(dá)到1.2m才能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，如果常年累月因泥土塌方沉降、水土流失，易造成管道懸空、裸露等，造成安全隱患。因此對巡線員徒步在管道上方巡查依賴度高。

1.2 管道安全管理任務(wù)復(fù)雜

管道敷設(shè)因?yàn)榈乩憝h(huán)境問題復(fù)雜多變，巡查過程中巡線員需要駕駛車輛繞行或者攜帶工具越溝、翻山、跨河、跨公路等障礙。管道沿線存在較多第三方施工，第三方施工的種類有機(jī)械開挖、定向鉆、鉆探、打樁等等，這些都需要巡線員進(jìn)行監(jiān)護(hù)施工和巡查管理[1]。

1.3 高壓燃?xì)夤艿姥鼐€遮擋物較多

管道周邊范圍地區(qū)等級普遍較高，管道的地區(qū)等級經(jīng)過高后果區(qū)識(shí)別，既有一級地區(qū)也有四級地區(qū)。管道跨地域和地理環(huán)境變化較大，既有經(jīng)過山嶺丘陵、樹林密布的郊區(qū)，也有建構(gòu)筑物較多、交通密集的中心市區(qū)。當(dāng)管道周邊樹木、建構(gòu)筑物產(chǎn)生遮蔽時(shí)，第三方施工會(huì)較為隱蔽，對此巡查發(fā)現(xiàn)難度大大增加。且隨著城市不斷發(fā)展建設(shè)，管道沿線地區(qū)等級有著逐年上升的趨勢。

1.4 高后果識(shí)別等級較高

高壓燃?xì)夤艿绤^(qū)域高后果區(qū)公共設(shè)施多，存在城市服務(wù)設(shè)施如：學(xué)校、醫(yī)院、加油站等。如果第三方施工破壞管道，一旦有泄漏甚至爆炸事故發(fā)生，造成的影響范圍廣，后果會(huì)十分嚴(yán)重。相對于中低壓管道和長輸油氣管道，城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)等級較高。在管道附近的高后果區(qū)域，需要補(bǔ)充和加強(qiáng)巡查力度、巡查頻次。

1.5 管道傳統(tǒng)巡檢方式覆蓋面不足

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿酪耸褂谩叭粘Ｍ讲窖矙z”“日常車輛巡檢”與“管道智慧巡檢系統(tǒng)”、“管道視頻監(jiān)控系統(tǒng)”等信息化手段結(jié)合的方式。 高壓管網(wǎng)公司管道巡檢團(tuán)隊(duì)是專業(yè)巡線隊(duì)伍，人員素質(zhì)較高、巡查工效高。但是枝狀管網(wǎng)，管道跨度大、壓力等級高對巡查頻次和周期要求高，在施工較多的情況下工作強(qiáng)度很大、任務(wù)重，難以保質(zhì)保量完成巡護(hù)任務(wù)。

2 目前高壓管網(wǎng)巡線工作難點(diǎn)分析

佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司主要采用傳統(tǒng)人工巡檢方式，工作中存在以下難點(diǎn)。

2.1 巡線工作量大

巡線頻次為一日兩巡，按照當(dāng)前巡查模式耗費(fèi)大量的人力，巡線工作量大。

2.2 枝狀管網(wǎng)，管道跨度較大，距離較遠(yuǎn)

200余公里管道遍布佛山市五區(qū)，管道跨度較大，新舊管道分布錯(cuò)綜復(fù)雜、單線巡查里程長，人工巡檢耗時(shí)長，距離遠(yuǎn)。

2.3 特殊地形人工巡線危險(xiǎn)性高

管道經(jīng)過較多特殊地形，如水溝、河涌、陡峭山坡等危險(xiǎn)地形，人員容易產(chǎn)生跌落風(fēng)險(xiǎn)。管道經(jīng)過樹林、蘆葦叢等，徒步巡線過程中有蟲蟻、毒蛇等出沒，危害巡線人員的人身安全。

2.4 復(fù)雜地形巡線效率較低

管道跨公路、橋梁、河流、施工圍擋等地形復(fù)雜，對巡線區(qū)域地緣隔絕范圍很大，人工巡線往往需要繞行較遠(yuǎn)路途，造成巡線效率較低。

2.5 管道巡線密度要求高

城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿缹ρ膊轭l次、密度、控制范圍和監(jiān)控過程有較高要求，傳統(tǒng)人工巡查在控制成本情況下難以滿足。

3 無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及巡檢應(yīng)用

無人機(jī)是一種較為先進(jìn)的無人駕駛飛行器，它作為新型的巡檢設(shè)備，不但集成了復(fù)雜的圖像識(shí)別、信息處理、地理信息（GIS）、航空、通信于一體的系統(tǒng)，還涉及到快速對焦攝像技術(shù)、現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈通訊技術(shù)、飛行控制技術(shù)以及故障診斷等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。相較于載人機(jī)而言，無人機(jī)低空攝影測量成本較為低廉，實(shí)施起來便利，運(yùn)輸維護(hù)的作業(yè)成本較低。不僅可開展管道監(jiān)測與日常維護(hù)巡檢工作，還可完成城鎮(zhèn)燃?xì)狻㈤L輸管道可行性研究、初設(shè)、施工圖各階段測量工作，極大地提高工作效率，是管道管理、巡檢的最有效的手段之一。

隨著城市和社會(huì)的發(fā)展、科技的不斷進(jìn)步，無人機(jī)在城市燃?xì)夤艿姥矙z方面的應(yīng)用也越來越廣泛。在日本，千葉大學(xué)與關(guān)西電力公司使用無人機(jī)來巡檢電力系統(tǒng)，無人機(jī)在高空能清晰記錄電力線路下方的GPS坐標(biāo)和三維圖像，而且相較傳統(tǒng)模式成本節(jié)約將近50%[2]。中國石油西氣東輸管道公司在2012年11月利用無人機(jī)在管道之間進(jìn)行巡檢試驗(yàn)，在巡查過程中可以同時(shí)拍攝管道附屬設(shè)施及管道沿線的地質(zhì)情況等[3,4]。2016年，無人機(jī)巡檢技術(shù)被中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦引入，該技術(shù)對多條油氣田管道進(jìn)行無人機(jī)正射巡檢和視頻巡檢，巡檢結(jié)果表明人工巡檢的不足能夠在無人機(jī)巡檢技術(shù)中得到很好的彌補(bǔ)，更好的保障燃?xì)夤艿赖陌踩玔5]。2018年某研究團(tuán)隊(duì)開展航拍試驗(yàn)，在四川盆地東北部進(jìn)行為期一個(gè)月測試，完成了整條管道的無人機(jī)巡查并得到清晰圖像，與人工巡查相比，效率提高了8倍[6]。2020年，天津市的某公司用無人機(jī)對其管理區(qū)域內(nèi)第三方施工情況進(jìn)行監(jiān)測，無人機(jī)巡檢報(bào)告自動(dòng)生成檢測時(shí)間、地點(diǎn)以及管道周圍圖像等[7]。

目前應(yīng)用最廣的主要是固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)兩種類型，需要根據(jù)工作環(huán)境及工作情況選擇最合適的無人機(jī)類型，兩種無人機(jī)各有各自優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 固定翼無人機(jī)管道巡檢

固定翼無人機(jī)主要是由下面幾部分構(gòu)成：控制系統(tǒng)、機(jī)體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、GPS等系統(tǒng)組成，具體構(gòu)成如圖1所示。為了獲得固定翼無人機(jī)在三種高度下拍攝的管道上方施工機(jī)械以及地貌變化照片，我們分別從65m 、70m、120m的離地航行高度完成管道巡檢，以此研究固定翼無人機(jī)對管道的巡檢效果。通過巡檢發(fā)現(xiàn)在這3種高度下，我們通過固定翼無人機(jī)都能有效獲取管道上方燃?xì)庹{(diào)壓站、建構(gòu)筑物、施工機(jī)械、道路、圍欄等目標(biāo)。在獲取照片的同時(shí)也同步得到了每張照片在拍攝時(shí)間無人機(jī)對應(yīng)的GPS坐標(biāo)點(diǎn)以及此時(shí)無人機(jī)所處的飛行高度，這些數(shù)據(jù)均可支持后期圖像拼接[8]。

圖1 固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)[9]

3.2 多旋翼無人機(jī)管道巡檢

多旋翼無人機(jī)主要由以下幾部分構(gòu)成：機(jī)身、葉片和遙控系統(tǒng)，具體如圖2所示。多旋翼無人機(jī)主要采用四軸多旋翼無人機(jī)，管道巡檢主要分為可見光和紅外成像兩種方式。可見光巡檢過程主要分為：自動(dòng)航線和手動(dòng)操控。其中自動(dòng)航線模式需要提前設(shè)置無人機(jī)飛行高度為30m，手動(dòng)操控模式設(shè)置無人機(jī)的飛行高度約為20m。可以基于可見光的多旋翼巡檢來有效獲取管道上方環(huán)境精細(xì)化的照片。紅外成像主要應(yīng)用于夜間管道上方施工機(jī)械和調(diào)壓站監(jiān)控巡查。多旋翼無人機(jī)可同時(shí)搭載甲烷泄露檢測設(shè)備等來檢測管道范圍內(nèi)的甲烷分子[7]。

圖2 多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)

管道和燃?xì)鈭稣旧戏降乩憝h(huán)境在溫度、地貌等方面有著較大差異。通過紅外成像，無人機(jī)能有效獲取管道及調(diào)壓站的溫度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。基于紅外可見光成像系統(tǒng)，多旋翼無人機(jī)完全適合在戶外管道巡檢工作。在完成管道巡檢任務(wù)的同時(shí)可清晰拍攝燃?xì)鈭稣菊掌瑥膱D3、圖4可以看出，無人機(jī)在近100m高空可清晰拍攝燃?xì)鈭稣具\(yùn)行情況，夜間也能清晰地傳送畫面，為燃?xì)鈭稣具\(yùn)行管理提供方便。

圖3 佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司明城門站航拍圖

圖4 佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司南莊門站航拍圖

4 無人機(jī)的管道巡檢論證

作為一種融合了多個(gè)專業(yè)的高新技術(shù)，無人機(jī)可快速獲取地貌的空間遙感信息，具有低成本、機(jī)動(dòng)靈活、體積小、維護(hù)簡單等特點(diǎn)[10]。無人機(jī)可應(yīng)用于多種工作場景：地貌勘察、優(yōu)化選線、管道巡檢、管道泄漏點(diǎn)定位、燃?xì)鈭稣竟芾怼?zāi)害監(jiān)測等方面，為城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)行保駕護(hù)航。無人機(jī)巡線具有以下幾大優(yōu)勢。

4.1 高工作效率

在巡航過程中實(shí)時(shí)獲得高清視頻及圖片；極大減輕了巡線員的巡線負(fù)擔(dān)。后期通過圖像的處理分析進(jìn)行判斷操作，以此提高巡線工作的效率。

4.2 受氣溫、晝夜、地形等因素影響較小

多旋翼無人機(jī)體積小、飛行速度快、檢測精度高，可安全高效的穿過峽谷、河流、山脈等人車很難，甚至無法逾越的地形，高效的完成長距離管道巡線工作。

4.3 高巡視質(zhì)量

無人機(jī)準(zhǔn)確勘查燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)行情況。可精確編輯無人機(jī)的飛行路徑，使得巡查無死角、無盲區(qū)。

4.4 高安全性能

無人機(jī)適合在特殊地形特殊氣候條件代替人工巡線，如高海拔、復(fù)雜山地等人員徒步難以到達(dá)的地區(qū)，以及雨后、雪后、高溫高寒等氣候狀況，以減少事故發(fā)生的概率和人員損傷的風(fēng)險(xiǎn)。這不僅提高了工作效率又保障管道巡線員的人身安全。

歷時(shí)兩個(gè)多月的無人機(jī)巡線論證，通過選用多種無人機(jī)機(jī)型，采用自主航線和人工飛行結(jié)合的方式，針對可視和非可視范圍進(jìn)行可見光和紅外熱成像等模式進(jìn)行分別測試。在巡線測試過程中，天氣多變，曾出現(xiàn)多風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)天氣，同時(shí)伴有強(qiáng)降雨。在試驗(yàn)過程中，無人機(jī)的抗風(fēng)性能得到實(shí)用論證，同時(shí)無人機(jī)起飛條件不受時(shí)間限制，可隨時(shí)隨地安排飛行任務(wù)。所有回傳畫面可以隨時(shí)通過變焦獲取需要的局部畫面，同時(shí)回傳視頻畫面穩(wěn)定，無明顯抖動(dòng)現(xiàn)象，完全符合城鎮(zhèn)燃?xì)獾膶?shí)際工作需要。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對比固定翼、多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間及各方面性能，并與佛山市高壓燃?xì)夤艿郎a(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，采用多旋翼無人機(jī)巡線會(huì)取得更好效果。多旋翼無人機(jī)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)身小巧靈活，操作簡便，可以精確地測量取證管道周邊的安全環(huán)境，并且可在發(fā)生管道隱患點(diǎn)附近的空中懸停，將畫面實(shí)時(shí)傳至應(yīng)急指揮中心，方便用于巡邏及相關(guān)應(yīng)急指揮。固定翼無人機(jī)特點(diǎn)是能較好解決續(xù)航時(shí)間的問題，可以考慮用于長輸油氣管道巡線，且其速度相對較高，有效載荷較大，可攜帶較重設(shè)備用于檢測或救援。

相比傳統(tǒng)的人工巡檢方式而言，無人機(jī)巡線可以更好地提高巡檢的效率和精度，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)巡線的不足和漏洞，但目前這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用還存在著許多技術(shù)難點(diǎn)，其重點(diǎn)研究方面為：

（1）控制成本的同時(shí)，研發(fā)大載荷、續(xù)航能力強(qiáng)的小型無人機(jī)；

（2）優(yōu)化無人機(jī)平臺(tái)和自主導(dǎo)航飛行控制系統(tǒng)，開發(fā)配套的高穩(wěn)定性自動(dòng)導(dǎo)航飛控技術(shù)及遙感信息無線網(wǎng)絡(luò)快速傳輸技術(shù)；

（3）研究開發(fā)面向小型無人機(jī)平臺(tái)的輸氣管道泄漏信息獲取的傳感器、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及遙感數(shù)據(jù)算法模型等，為管道維護(hù)提供實(shí)時(shí)精確的決策依據(jù)；

（4）研究巡線數(shù)據(jù)的后期處理方法，包括數(shù)據(jù)的校正算法、泄漏識(shí)別及管道信息的快速提取、管道管理快速?zèng)Q策、支持算法等，開發(fā)出具有較高實(shí)時(shí)性、更智能的燃?xì)夤艿罒o人機(jī)巡航管理系統(tǒng)。