無人機在管道公司的應用現狀及建議

田明亮，劉洋，趙俊丞，吳杰

（國家管網集團浙江省天然氣管網有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國管道數量也在快速增加，截至2022 年底，油氣管網總里程達到15.5×104km，預計到2025 年，這一數值將會超過24.0×104km[1]。在管道建設過程中，不可避免地會穿越地勢崎嶇、遍布湖泊的地區，給管道巡檢工作帶來了很大的困難。

由于無人機具有體積小巧、操作難度低、巡檢速度快等一系列優點，國內一些管道公司逐漸開始使用無人機開展管道巡檢作業。目前，油氣行業使用的無人機主要分為三種，分別為固定翼無人機、無人直升機以及旋翼無人機。一些學者也開展了無人機巡檢系統相關領域的研究工作，取得了一定的成果。劉凱[2]提出了一種用于四旋翼無人機路徑規劃的改進RRT 路徑搜索算法，并開展了現場實地飛行測試，結果表明該算法在路徑、時間、穩定性方面具有一定優勢；王國棟等[3]開展了無人機在農村燃氣管道泄漏中的應用研究，進行了多組試驗，并據此提出一些合理建議；盧軍等[4]研究了無人機在管道檢測中的應用情況，并制定了檢測作業流程；劉奎榮等[5]研究了無人機傾斜攝影技術在管道建設過程中的應用情況，并據此提出了一種管道測量方法；宋婷婷等[6]提出了一種油氣管道無人機巡檢平臺，并詳細介紹了該平臺的框架和功能；梁平等[7]使用FTA 模型分析了造成無人機墜機事故的原因，認為無人機維護不當以及信號差是導致無人機墜機的主要原因，并提出了相應的建議。

以上可以看出，學者對無人機巡檢系統的研究主要集中在路徑規劃和具體的應用上，對無人機巡檢系統的整體功能設計和應用維護少有文獻涉及。因此，本文結合管道公司使用無人機巡檢系統的經驗，結合現實業務需求，詳細列舉了無人機巡檢系統的應用情況，并給出一些建議，研究成果可以為管道公司大規模開展無人機巡檢作業提供參考。

1 無人機巡檢系統構成

1.1 巡檢系統硬件構成

無人機巡檢系統硬件主要由四部分構成，分別為無人機、起降臺、服務器以及顯示平臺，如圖1 所示。

圖1 巡檢系統構成

（1）無人機

根據巡檢功能需要，無人機可以搭載多種多樣的設備，如攝像機、通訊器、泄漏檢測器、內存卡等。在執行巡檢任務過程中，無人機會與服務器保持正常通訊，并將拍攝、檢測到的信息實時傳回服務器，再根據指令做出相應的動作。

（2）起降臺

起降臺通常設置在兩個相鄰的站場（閥室）內，其作用是為無人機提供?？勘Ｗo場所，同時在無人機?？科陂g，為無人機充電。

（3）服務器

服務器是無人機與操作人員間溝通的 “紐帶” ，其主要功能是給無人機下達指令，并獲取無人機傳回的信息，包括無人機本體信息、環境數據、航拍資料等，將這些信息分類處理后傳送至顯示平臺。

（4）顯示平臺

顯示平臺的作用是將無人機獲取的信息直觀地呈現給操作人員，方便操作人員了解無人機的狀態以及管道周邊信息。

1.2 巡檢系統功能

目前在管道公司，無人機主要有兩種使用方式：一是沿著管道飛行，對整條管道開展巡檢作業，檢查管道周邊是否存在違規施工、地質災害等威脅管道安全的情況，這種方式為日常巡檢；二是為無人機指定巡檢坐標，巡檢坐標既可以由光纖等預警系統提供，也可以人為指定，無人機徑直飛往指定位置開展核查作業，稱為定點核查。在這兩種使用方式的基礎上，通過加裝不同的設備，無人機巡檢系統可被賦予不同的功能。

1.2.1 泄漏檢測

當管道開展維搶修作業時，需要檢測施工區域附近是否存在天然氣泄漏情況。傳統的檢測方式是操作人員手持泄漏檢測儀，沿著施工區域及周邊緩慢移動，若施工區域存在超過閾值的天然氣，泄漏檢測儀就會報警，但這種方式存在一定的監測盲區，因此一些公司嘗試采用無人機開展管道施工區域的泄漏檢測作業。利用無人機搭載TDLAS（可調諧激光吸收譜技術）泄漏檢測設備懸停在施工區域上方對整個施工區域進行檢測，若天然氣泄漏，由于天然氣密度比空氣小，會迅速向周圍空間、上方運動，容易被懸停在上空的無人機檢測，從而進行報警。

1.2.2 測量

這種應用方式是定點核查應用的補充，在對滑坡規模及第三方堆載的測量方面應用尤其廣泛，其原理是利用無人機搭載多鏡目攝像頭對測量物進行拍照，獲取目標圖像信息后，利用專業軟件對這些信息進行分析、處理，從而得到該物體的尺寸、規模。

2 無人機巡檢系統的改進建議

2.1 建立無人機作業規程

目前在使用無人機的過程中，由于天氣、信號、機械故障、操作失誤等方面的原因，無人機時常出現各種各樣的問題，造成墜機及其他事故。建立無人機操作規程，制定無人機及相關設備起飛、巡檢、維護及故障處理等方面的操作步驟、注意事項，可以有效減少無人機巡檢作業事故，提高巡檢成功率。操作規程主要包括以下方面：

（1）日常維護

將無人機及配套設備放置在安全區域，指派專人開展維護工作，定期檢查設備的完好情況、放置的周圍環境對其產生的影響，并做好記錄工作。

（2）作業規程

將無人機作業分為試驗作業和巡檢作業，巡檢作業又分為自動巡檢和手動巡檢，根據各個作業的特點、安全事項、作業階段等相關內容分別制定作業規程，并嚴格落實。

（3）應急預案

對無人機巡檢作業開展風險評價，分析巡檢過程中的常見風險及其原因，針對這些風險分別制定應急預案。

2.2 培養無人機作業專業團隊

當前在很多管道公司內，無人機只是人工巡檢的一個補充手段，因此沒有組建專業的無人機作業團隊。當無人機或者相關設備出現故障時，最常見的解決方式是返廠維修或邀請廠家到現場開展維修服務，這種方式會耗費大量時間，影響管道巡檢。隨著無人機巡檢系統的普及，在一線巡檢人員數量減少的同時，無人機及配套設備的數量急劇增加，組建專業的無人機團隊已經迫在眉睫。建議從一線員工中選拔具有無人機操作經驗的人員組建無人機作業團隊，邀請廠家為其開展培訓，包括操作培訓、維修培訓、保養培訓，并定期開展技能比賽，提高無人機團隊的作業水平。

2.3 加強與新技術的關聯

隨著大數據和人工智能技術的快速發展，一些新的技術已被應用在油氣行業中，數字孿生技術是一個典型代表。該技術以數據作為驅動要素，通過建立與實體高度一致的虛擬模型來開展各類作業。通過數字孿生技術，建立無人機及配套設備的虛擬模型，可以更好地使用無人機巡檢系統。以無人機起降臺維搶修過程為例，說明數字孿生技術的應用，如圖2 所示。

圖2 基于數字孿生技術的無人機庫維搶修過程

整個應用過程可以分為以下步驟：（1）建立無人機起降臺維修指導庫，包括技術手冊、維修視頻等；（2）建立無人機起降臺的維修數據庫，收集故障信息以及維修記錄；（3）對發生故障的設備開展診斷工作，確定發生故障的類型以及原因；（4） 在維修數據庫中尋找相應的故障信息，形成維修方案，包括維修方法、作業人員、需要設備及庫存等；（5）利用空間坐標和設備特征點構建虛實結合的作業場景，場景坐標隨著作業的進行不斷變化；（6）作業人員根據交互面板的信息開展維修作業；（7）維修作業完成后，自動將其納入維修數據庫，同時將有價值的維修工作視頻加入維修指導庫。

此外，數字孿生技術還可以用于無人機飛行培訓、無人機運行狀態監測等方面。

3 結論

本文以管道公司的巡檢無人機作為研究對象，詳細介紹了無人機巡檢系統的組成、功能，并且結合無人機巡檢系統的現實需求、應用前景，得出以下結論：

（1）無人機巡檢系統主要由無人機、起降臺、服務器以及顯示平臺四部分組成，通過使用無人機搭載不同的設備，可以實現不同的功能；

（2）無人機在管道公司的應用會越來越普遍，為了適應這種需要，管道公司應制定嚴格的無人機操作規程，培養專業的無人機操作及維修團隊，加強無人機巡檢系統和新技術的關聯，提高無人機作業的規范性和創新性。