無人機系統在石油石化企業中的巡檢應用研究

徐家新

關鍵詞：無人機；石油石化企業；巡檢；信息系統；應用

一、無人機介紹及應用形式

無人機（Unmanned Aerial Vehicle），簡稱“UAV”。是利用無線遙控或程序控制來執行特定航空任務，不搭載操作人員的一種動力空中飛行器。按照不同平臺構型來分類的話，無人機可分為三類：固定翼無人機、單旋翼無人機、多旋翼無人機。不同構型的無人機具有不同的優勢和劣勢。

近年來隨著數碼相機、計算機與無線通信、GPS、IMU 及無人機技術的發展和成熟，無人機的應用不僅在軍事，也廣泛應用于民用和科學研究領域。目前應用無人機的領域已多達40 多個，例如搶險救災、影視航拍、農業植保、電力巡線等。“無人機+ 行業應用”，已經成為無人機的真正剛需，具有廣闊的市場前景。

二、無人機系統在石油石化企業的需求分析

作為傳統的石油石化企業，經常與?；反蚪坏?，且廠區或設施一般都處于地理位置偏僻的區域，一旦發生事故，后果都是極其嚴重的。因此，必須進行高效的巡檢工作來保障企業的生產安全。傳統的巡檢方式往往以人工為主，存在以下幾個問題：

①易受復雜地理條件及天氣環境因素影響，無法持續作業；

②手工錄入失誤率高；

③人力、交通成本高；

④人身安全性無法保障。

相對于人工巡檢來說，無人機巡檢則完全不受地理條件限制，并且速度快，效率高，響應和反饋都非常及時，最重要的是作業人員安全得到保障，這些都更加符合石油石化企業的實際要求。

雖然如此，但要真正做好巡檢工作，還是需要針對項目的實際情況設計相應的無人機系統解決方案，這樣才能發揮無人機的實際作用，達到預期的巡檢目的。

目前作為巡檢應用的無人機系統主要包括三個部分：

①巡檢無人機平臺；

②機載設備及圖傳系統；

③地面信息處理系統，即地面站+ 后臺處理系統。

如圖1 所示為無人機系統的拓撲圖。

僅從無人機平臺角度來說，一般的電力巡檢采用多旋翼無人機就可以應付自如，而對于石油石化企業來說，動輒幾十甚至上百公里的油氣管線，多旋翼的續航已經不能滿足需求，因此必須考慮采用固定翼或者復合翼機型；再者石油石化企業的很多生產場景都有防爆要求，這需要對無人機的材料、涂層、電池甚至零部件都提出苛刻的要求，而這樣的要求在其他領域是完全不需要的；又或者在海上平臺的場景中，要求無人機至少要具備抵抗6-7 級風的能力，且動力和負載上也提供更多的冗余，甚至還需要做機體的水上漂浮裝置。這些條件都是根據石油石化企業的實際需求而來的，是無人機系統為了完成其巡檢任務而必須具備的一些條件。

即便是針對無人機的巡檢作業，如電力巡檢等，仍然需要操作人員對地面站進行實時的觀察以發現異常。但在石油石化企業的長輸管道巡檢中，長時間的巡檢畫面已經不再適合單純依靠人的觀察來實現。因此地面信息處理系統的需要就被提出，它可以通過接收無人機的數據，經過相應的算法進行處理分析，最終直接生成告警信息或者結論報告，提醒人員處理異常點，輔助人工進行巡檢作業，提高巡檢精度和效率。

其實對于能源企業來說，特別是石油石化企業，無人機不再是遙不可及的“高科技”。目前，中石油、中石化及中海油等行業領軍企業，都已各自開始布局無人機應用項目，無人機也得到了更多的運用和推廣。

三、應用實例介紹

（一）某煤層氣公司無人機生產數據一體化解決方案

某煤層氣有限責任公司是從事煤層氣資源勘探、開發、輸送、銷售和利用的專業公司。擁有煤層氣井2000多口，區塊有31 個，面積1.8 萬平方公里，主要集中在山西沁水盆地（7 個區塊）。

煤層氣井現場的信息化基礎差，大部分數據采集都需要人工完成。由于地形復雜，1 人每天最多巡檢10 口井。1 年中往往有1-2 個月因惡劣天氣無法巡檢。除此之外，數據的錯誤、錄入失誤等都會極大影響數據采集的效率。

針對偏遠山區等地形復雜區域的油氣井生產數據采集工作一直以來都是一個難題，相關企業也曾嘗試過如：無線網絡覆蓋集群、衛星接收以及使用移動網絡信號傳輸等方式，但投入和產出往往不成正比。這是因為缺乏一種針對特殊現場情況的數據采集傳輸解決方法。

因此，采用無人機系統去解決現場實際問題的概念被提出來。

多旋翼無人機操作簡單，具有機動靈活，能夠快速垂直起降，無視復雜地形等特性；其飛行控制系統具備自主航行、低電返回、超視距飛行等功能能有效應對任務需要；機體和材質按照工業標準設計，使其能夠在嚴苛的復雜環境中大顯身手。

僅有飛行平臺還不夠，還需要明確各氣井目前的地面數據采集設備的現狀。對于數字儀表要知道它們實現的功能以及采集數據的格式和大小，而對于機械儀表則進行必要的數字化改造。有了這些基礎后，再將全部設備的數據信息整合到數據采集設備中，做成一個地面數據集成終端。

系統最關鍵的還是地面數據采集設備與無人機飛行平臺之間的通信問題，為了解決這個問題研發人員花費了大量的時間，不斷調試接口與數據類型之間的匹配，并開發了專門的配套軟件，終于實現了數據在地面與天空之間傳輸的功能，如圖2 所示。

通過生產管理和分析優化系統的作用，將現場生產數據加以匯總、處理、分析，最后以圖表的形式直觀地呈現給用戶，完成數據應用的最后一步。在系統的實際應用中，效果非常理想。數據傳輸速率大致在3～5M/s的范圍內，對于標準單井單日3-5M 的數據量，1s 左右就能完成，效率極高！通過系統采集的數據與現場人工抄錄數據的對比，證明了無人機采集數據的精準無誤且連續性強。平日人工巡檢2 小時左右的工作量無人機僅用11 分鐘就完成了，無人機系統的降本增效效果顯著。

（二）某化工企業無人機巡檢應用解決方案

某化工股份有限公司位于渤海萊州灣南岸，是集科、工、貿等為一體的現代化特大型企業?，F有原鹽、純堿、溴素、氯化鈣、硫酸鉀、氯化鎂等主導產品10 余種，是全國最大的海洋化工生產和出口創匯基地。

該企業擁有兩座渣場，其中老渣場建設時間長已接近飽和，有潰壩的風險。渣場的巡檢工作由人工完成，總長約10km，但巡檢一圈往往需時3 小時以上，且存在掉落池中的風險。

同時擁有排渣管道，總長5.2km。管道中通過增壓方式，輸送高溫混合堿液（45℃）。由于環境造成的內外侵蝕等原因，管道容易發生破損，一旦泄露會嚴重影響企業生產，巡檢需求迫切。

雖然這是一個典型的無人機系統巡檢項目，但現場的客觀條件還是對項目造成了一定的影響，比如大風力、續航等問題。這些條件都需要對無人機系統的各方面作一些針對性的設計和改進。

機型方面，在抗風性上，研發人員對飛機上的電機進行改進，從原來直徑8cm 增大至18cm，使其能夠提供更大的動力冗余，適合北方氣象條件作業。同時在續航上，推出雙電池倉，維持動力與供電系統的平衡，使飛機的續航能力能夠滿足任務的要求，如圖3 所示。

機載設備是完成巡檢任務的重要組成，根據需求研發人員提供了——高清變焦相機和紅外熱成像儀兩款較成熟的機載設備。但為保證現場人員使用上的方便，在云臺與設備的接口處還設計了標準化的快接接口，使設備的更換縮短至3s 左右，提高了效率。

圖像傳輸系統是以無線電技術為基礎，搭載特有的通訊傳輸解決方案，能夠實現無人機到地面站之間在無干擾無遮擋的理想環境下，傳輸實時圖像的直線距離達到10km，速率達2～3m/s，視頻圖像質量為1080p。

地面站系統不僅是圖傳系統的顯示設備，也是無人機的控制核心。作業人員會根據任務要求，并結合現場環境特點，合理規劃并形成最終的任務航線。通過內置的編輯器，規劃好飛機在飛行中的航速、高度、懸停等任務后，將航線和規劃上傳至無人機飛控系統中，從而使無人機能夠自主地完成全部巡檢作業并返航，全程無需人員進行干預和操作。目前項目已通過現場檢驗和系統運行，無人機系統的實用及時效性也得到了用戶的認可。經測算，應用無人機系統后，該項工作的巡檢效率提升了89%，而巡檢成本卻降低了67%。而且還開辟了現場基于熱力圖的夜間巡檢新模式，實現了區域24 小時動態監控的目的，人員的安全也得到了有效的保障。

四、結束語

可以看到，在石油石化企業這種特殊的環境形勢下，無人機系統特別是在巡檢領域，發揮了不可忽視的作用，實現人工巡檢遠遠達不到的效率和效果。無人機巡檢可以說是在科技創新下產生的一種，更高效更安全的巡檢新模式。但不可否認，無人機還存在一些問題制約其應用的發展，如：受惡劣天氣影響大；成本偏高，壽命短；續航時間短，負重能力差；空域申請條件仍比較高等。

因此，對于無人機的應用，我們必須要認清現實，不能忽視了客觀條件而盲目地采用無人機作業，這樣很可能起到相反的效果。

預測未來無人機系統發展的幾個可能性：

①無人機集群化應用；

②基于圖像學習的智能巡檢；

③與云平臺的結合的遠程控制。

通過現代科技的支持，無人機的水平將不斷進步，其優越的性能、較強的適應環境的能力，將打造出更富生命力的新興產業。