油气长输管道巡检中无人机技术的应用

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了油气长输管道巡检中无人机技术的应用范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

摘要：根据《中长期油气管网规划》，到2025年，全国油气管网规模将达24万公里。我国油气管道建设年代跨度大、分布广、穿越地形复杂，管道安全巡护管理形式严峻，常规巡检方法无法满足要求，需采用更先进的技术手段。针对当下蓬勃发展的无人机巡检技术，分析了油气长输管道无人机巡检需求，对飞行平台及任务载荷选型、巡检数据管理平台进行深入研究，并通过巡检应用试验进行效果验证。

关键词:无人机;油气长输管道；巡检

1概述

目前，国家管网集团在役油气长输管道约94000km，管道距离长、分布范围广、穿越地形复杂、非法侵占及周边第三方施工频繁，安全隐患问题日益突出。传统的人工巡检成本高、效率低，尤其对山区、河流、峡谷等地理环境以及暴雨、地震、滑坡等突发情况下的巡检存在很大局限性。随着无人机技术的迅猛发展，使用无人机进行油气长输管道巡检已经表现出了巨大的优势。

2油气长输管道无人机巡检需求分析

通过组织业内多家油气管道公司深入开展长输管道无人机巡检需求调研，整理分析得到油气长输管道无人机巡检需求如下：（1）具备日常巡检、恶劣天气后巡检、特殊地区巡检、施工监管、应急抢险巡检、替代山区/水网巡检功能。（2）具备高后果区变化信息收集功能。（3）具备地质滑坡预警功能。（4）具备重点隐患不定期监控功能。（5）具备违章占压取证功能。（6）具备异常目标识别和报警功能。（7）具备管道迁改、路线勘查，在设计、建造、运行阶段，可定期更新功能。（8）具备隐患地段坐标点记录功能。（9）具备数字化管道底图补充功能。（10）具备数据实时传输功能。

3飞行平台及任务载荷选型研究

3.1飞行平台选型研究

目前，无人机类型的划分没有统一的标准。按照用途分为国家无人机和民用无人机，根据运行风险大小，民用无人机分为微型、轻型、小型、中型、大型，按飞行平台构型分为无人直升机、固定翼无人机、多旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。油气长输管道巡检要求无人机具有高速度、大航程、空中悬停、贴地或超低空飞行、快速爬升、较高的载荷能力，综合各类无人机的结构特点、飞行能力、操控难度、灵活性，筛选出固定翼无人机和多旋翼无人机两款机型，搭配使用，用于油气长输管道巡检。固定翼无人机发射和回收方式众多，常见分类见表1所示。油气长输管道巡检无人机对起降场地要求低，具有一定的载荷能力，意外坠机不导致二次灾害，电动垂直起降固定翼无人机是最佳选择。多旋翼无人机按轴数分有三轴、四轴、六轴、八轴等，轴数越多，动力越足，动力冗余越强，可靠性也越高。但随着轴数增多，无人机效率降低，航时变小，尺寸变大，系统维护难度增加。相同指标下，综合续航、稳定性、安全等因素，电动六轴多旋翼无人机适合用于油气管道巡检。系留无人机是多旋翼无人机的一种特殊形式，通过系留线缆传输的地面电源作为动力来源，可长时间滞空悬停，完美解决了无人机的续航问题。特别适宜用于应急通讯、应急指挥、管道抢险、施工监管等场合。电动垂直起降固定翼无人机、电动六轴多旋翼无人机、系留无人机配合使用，可满足油气长输管道长距离快速巡检、定点精细巡检、定点不间断巡护等多种不同应用场景。

3.2任务载荷选型研究

无人机装载的实现、无人机飞行要完成的特定任务的仪器、设备和分系统，统称为无人机的任务载荷。经研究筛选，油气长输管道无人机巡检适用的任务载荷有双光吊舱、航拍相机、激光雷达、气体检漏仪、喊话器、探照灯等。双光吊舱集成可见光摄像机和红外热像仪，可以实现高清可见光拍摄、红外热像仪拍摄、目标跟踪、目标锁定等附加功能，适宜长输管道日间和夜间巡检使用。航拍相机拍摄高清正射影像，用于拼接管道周边正射影像图和目标智能识别。激光雷达在管道巡检中主要用于三维地形重建和地表微变形检测，通过对比分析，实现滑坡等地质危害事件预警。气体检漏仪利用激光探测、光谱分析技术实现远距离天然气管道泄漏检测，作业高度一般小于100米。喊话器和探照灯用于威慑、制止巡检中发现的管线破坏和盗油行为。以上任务载荷可根据不同任务需求独立或组合使用。

4油气管线无人机巡检管理系统

无人机巡检采集的航拍影像数据靠人工判读和分析，存在工作量大、效率低、实时性差、误判漏判多等缺点，严重制约无人机在油气管道巡检领域中的应用。目前，油气行业无人机巡检数据管理系统的研发处于起步阶段，功能不完善，智能识别率低，误报漏报率高是普遍现象。因此，非常有必要开展管道航拍影像数据的相关技术研究。基于现状，研发了一套集数据管理、图像分析、图片拼接、数字地球和用户管理于一体的高精度、多功能油气管线无人机巡检管理系统，核心模块为图像拼接系统和图像分析系统。图像拼接系统通过不断优化和改进的SFM建模算法，以采集到的数字影像数据及对应的地理坐标信息作为输入，快速构建航拍场景的数字正射影像（DOM）和数字地表模型（DSM）,拼图速度大幅提升。经验证46km管段数据，1195张航片，图像重叠度65%，拼接完成时间71分钟，极大限度的提升了用户作业效率。拼接效果如图1所示。图像分析系统包含目标检测及对比检测。目标检测基于深度神经网络的智能识别技术，实现航拍图像数据智能分析，自动识别出异常目标，并将其精确位置标注出来，如图2所示。对比检测通过对比两次飞行时序的图像在大致相同位置上发生的变化，检测出没有固定形态的大范围异常目标，如山体滑坡，土壤翻动等，检测完毕后生成分析报告。经实测，目标检测查全率和查准率可达95%以上。

5无人机巡检应用试验

为验证研究效果，采用无人机系统对海西天然气管网秀屿至福州段管线进行了巡检应用试验。该段管线地理情况复杂，囊括了山区、平地、林地、水网、居民区、道路、农田等，地形地貌较为典型。结合巡检需求，本次试验制定了由任务类型、飞行平台、任务载荷组成的搭配矩阵，如表2所示，规划飞行20架次。经验证：（1）多旋翼无人机搭载不同载荷适合用于对航程和航时无严格要求的周边环境调查、日常巡检、违章占压、地质灾害巡检、专项巡检和应急抢险等场合，可以提高巡检效率，取得良好的应用效果。图3所示为多旋翼无人机搭载双光吊舱识别到的山区管道裸露。（2）系留无人机适合用于长时间持续作业场合，与多旋翼无人机配合使用，可达到比较理想的应用效果。（3）垂直起降固定翼无人机适合于中长距离管线巡检。搭载双光吊舱和航拍相机可在周边环境调查、日常巡检、专项巡检等场合进行应用，取得了较好的应用效果。（4）油气管线无人机巡检管理系统可大幅提高航片拼接效率和智能辅助识别率，提升管理人员监视和响应效率，提升危害事件的预警和处理效率。本次应用试验，也凸显了一些无人机应用面临的问题，需重点研究解决：（1）无人机空域申请难度大，申请渠道不明确，限制要求多。（2）地方法规及重大活动影响无人机飞行。例如:《福建省高速铁路安全管理规定》指出，高速铁路电力线路导线两侧各500米范围内禁飞无人机。（3）无人机系统相关标准体系不健全，油气管道无人机巡检无技术规范可循。（4）无人机续航能力、防护等级不足，任务载荷多功能集成度较低。（5）目标智能识别需要大量样本的积累和训练，样本量不足导致可识别目标种类欠缺。另外，还无法做到基于视频流的实时目标检测。

6结论

无人机在电力线路巡检中获得了广泛应用，在油气长输管道巡检中的应用还处于普及阶段，尚未实现大规模商用。相信随着无人机及配套技术的快速发展，市场体系的成熟和我国低空空域的进一步放开，无人机必将在油气管道巡检领域发挥愈发关键的作用，成为巡检人员的有力“帮手”和油气管道“守护者”。

参考文献

[1]国家发展改革委,国家能源局.中长期油气管网规划[EB/OL].(2017-5-19)[2021-01-02].

[2]武海彬.无人机系统在油气管道巡检中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量,2014,34(9):105-106.

[3]曹浩楠,黄建峰,安城辉,等.固定翼无人机发射与回收技术发展综述[J].科技创新导报,2017,14(31):20-22.

[4]喻言家,雍歧卫.无人机油气管道巡线系统发展现状及建议[J].天然气与石油,2017,35(2):22-25.

[5]福建省人民政府.福建省高速铁路安全管理规定[EB/OL].(2018-8-9)[2021-01-08].

作者：杜怀林 单位：国家管网集团（福建）应急维修有限责任公司