袁喆

摘要：中國的燃?xì)夤艿谰哂兄植紡V、距離長等特點(diǎn)，因此其險(xiǎn)要地段的巡線、保衛(wèi)一直都是管道管理工作中所面臨的難題。而無人機(jī)遙感技術(shù)的興起和發(fā)展，幫助人們更高效地獲取高精度影像數(shù)據(jù)，為燃?xì)夤艿姥簿€的安全管理提供了技術(shù)支持。本文詳細(xì)介紹了無人機(jī)在燃?xì)夤艿姥簿€方面所使用的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合筆者所在公司的實(shí)際情況對(duì)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；遙感技術(shù)；燃?xì)夤艿姥簿€

中圖分類號(hào)：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）30-0126-03

0引言

燃?xì)夂途用裆钕⑾⑾嚓P(guān)，保證運(yùn)輸燃?xì)獾墓艿腊踩允巧鐣?huì)和企業(yè)一項(xiàng)重要的責(zé)任。燃?xì)夤艿谰哂芯嚯x長、分布廣的特點(diǎn)，多鋪設(shè)于城市地下，沿途經(jīng)過很多河流、溝壑、鐵路、公路，地形復(fù)雜。由于地形與距離等因素的現(xiàn)實(shí)，制約了人工巡線的進(jìn)行，給管道的定期檢查帶來不便，暗藏諸多安全隱患問題。無人機(jī)遙感技術(shù)則利用自動(dòng)導(dǎo)航或者人工控制的方式，可以自動(dòng)高效根據(jù)采集的圖像、視頻等數(shù)據(jù)信息對(duì)管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，節(jié)約大量人力物力。在國外，無人機(jī)遙感技術(shù)被廣泛的用在能源研究領(lǐng)域，山區(qū)管道巡檢、漏油與盜油點(diǎn)定位、災(zāi)后次生災(zāi)害的評(píng)價(jià)等工作都在無人機(jī)的幫助下提高了工作效率與準(zhǔn)確度。

1無人機(jī)燃?xì)夤艿姥簿€技術(shù)原理

1.1線路視覺跟蹤技術(shù)

無人機(jī)在巡線時(shí)的路徑導(dǎo)航主要依靠于對(duì)路標(biāo)、指示物、桿塔等物體的視覺追蹤技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)雖然在理論和試驗(yàn)中獲得了成功，但是在實(shí)際操作過程中還是存在一定量的偏差。由于飛機(jī)在飛行的過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，勢(shì)必影響成像的質(zhì)量，再加上圖像中標(biāo)志物被障礙物遮蔽、標(biāo)志物與背景視覺差異小等原因，對(duì)無人機(jī)的追蹤帶來了一定的困難。目前較為通用和可靠的方法是采用霍夫變換的跟蹤算法，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)三條標(biāo)志物進(jìn)行追蹤，并通過跟蹤算法將無人機(jī)的橫向位移與縱向位移反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)追蹤。

1.2無人機(jī)遙感圖像處理技術(shù)

無人機(jī)遙感技術(shù)是在普通無人機(jī)所具備的無人駕駛飛行器、控制系統(tǒng)、通訊、GPS差分定位等系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加攝像頭及氣味探測(cè)器，并建立專用的數(shù)據(jù)庫用于追蹤管道檢測(cè)的完成進(jìn)度，幫助工作人員識(shí)別高危燃?xì)夤艿溃皶r(shí)采取相應(yīng)的安全措施。其主要由地面系統(tǒng)、空中系統(tǒng)、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖1所示。

目前，較為成熟的天然氣巡線技術(shù)采用的是飛行平臺(tái)搭配攝像頭，沿著輸氣管道飛行的同時(shí)拍攝高清圖片和視頻，并通過數(shù)據(jù)處理生成管道的無人機(jī)校正攝像圖，智能化生成地面環(huán)境的空間遙感信息，并于后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成建模和應(yīng)用分析。

但是這種無人機(jī)在進(jìn)行空中拍攝時(shí)傾斜角度較大，且其變化無規(guī)律，勢(shì)必會(huì)造成成像的幾何變形，因此對(duì)無人機(jī)遙感成像進(jìn)行幾何校正可以使圖片更加清晰。通常來說，較為優(yōu)良的辦法是采用多項(xiàng)式校正法。多項(xiàng)式校正法不考慮成像過程中的空間幾何關(guān)系，而直接對(duì)圖像變形的本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，以達(dá)到校正的目的。它把影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲，以及更高層次基本變形的綜合效果，因而校正前、后影像相應(yīng)點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系，可以用一個(gè)適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式進(jìn)行描述。在多項(xiàng)式校正法中包括一次、二次、三次多項(xiàng)式幾何校正，三次多項(xiàng)式幾何校正雖然計(jì)算復(fù)雜，但是其精度較高，在定位精度要求較高的管道行業(yè)，使用三次多項(xiàng)式幾何校正，能更好地滿足需要。三次多項(xiàng)式幾何校正法的變換方程為：

式中，x，y為某像元的原始圖像坐標(biāo)；X，Y為校正后同名點(diǎn)的地面（或地圖）坐標(biāo)：a，b為多項(xiàng)式系數(shù)。為了求得多項(xiàng)式的系數(shù)，需要使用控制點(diǎn)進(jìn)行求解，一般選擇控制點(diǎn)的最少數(shù)量為：（n+1）（n+2）/2，n為多項(xiàng)式次數(shù)。當(dāng)多項(xiàng)式系數(shù)求出后，就可以根據(jù)公式求解原始圖像任一像元的坐標(biāo)，同時(shí)還需要對(duì)變換后的像素亮度值進(jìn)行重采樣，以實(shí)現(xiàn)2個(gè)空間的灰度轉(zhuǎn)換。

圖2為處理前影像與處理后影像。

1.3無人機(jī)激光遙測(cè)技術(shù)

第三種較為成熟的技術(shù)為采用超高精度激光甲烷遙測(cè)儀搭載特定的飛行平臺(tái)，用于各種復(fù)雜場(chǎng)景下的燃?xì)庑孤┭矙z。這種超高精度的激光遙測(cè)儀能夠在50米以外對(duì)室內(nèi)低濃度甲烷氣體進(jìn)行報(bào)警提醒，在實(shí)際的居住環(huán)境中檢測(cè)線可以達(dá)到5ppm*m。這種技術(shù)的主要工作原理是采用激光束照射廚房玻璃，使激光束穿透待檢測(cè)氣體，并在廚房墻面或其他物體表面的反射之后，被接收器接收。系統(tǒng)通過對(duì)反射光光譜的分析計(jì)算廚房內(nèi)甲烷濃度，從而判斷用戶家中是否發(fā)生了燃?xì)庑孤?/p>

2無人機(jī)燃?xì)夤艿姥簿€的應(yīng)用

燃?xì)夤艿劳ǔ３示€性分布，其管道長度常達(dá)到上百公里，燃?xì)夤艿赖难簿€工作主要是對(duì)管線本身以及管道周邊一公里內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，無人機(jī)燃?xì)夤艿姥矙z應(yīng)用主要有居民室內(nèi)巡檢與戶外場(chǎng)景巡檢兩種。

2.1居民室內(nèi)巡檢應(yīng)用

過去傳統(tǒng)的居民室內(nèi)燃?xì)獍踩矙z主要依靠工作人員入戶排查，并且利用手持遙測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，工作量大、效率低下。除此之外，對(duì)于燃?xì)鈶敉獯α⒐?，手持遙測(cè)儀受地面檢測(cè)角度的限制，無法適用于六層以上的高層建筑，其替代方案空間爬梯檢測(cè)不僅安全風(fēng)險(xiǎn)高，并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而利用搭配高精度激光設(shè)備的無人機(jī)則可以很好解決此問題。此類無人機(jī)為采用超高精度激光甲烷遙測(cè)儀搭載特定的飛行平臺(tái)，用于各種復(fù)雜場(chǎng)景下的燃?xì)庑孤┭矙z。這種超高精度的激光遙測(cè)儀能夠在50米以外對(duì)室內(nèi)低濃度甲烷氣體進(jìn)行報(bào)警提醒，在實(shí)際的居住環(huán)境中檢測(cè)線可以達(dá)到5ppm*m。這種技術(shù)的主要工作原理是采用激光束照射廚房玻璃，使激光束穿透待檢測(cè)氣體，并在廚房墻面或其他物體表面的反射之后，被接收器接收。系統(tǒng)通過對(duì)反射光光譜的分析計(jì)算廚房內(nèi)甲烷濃度，從而判斷用戶家中是否發(fā)生了燃?xì)庑孤?。過去，傳統(tǒng)的天然氣檢測(cè)方式為抄表員入戶檢測(cè)，每人每天最多檢測(cè)40戶。由于無人在家等原因，每年居民燃?xì)庑孤杜挪槿霊袈什坏?0%，安檢率低。新型無人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再需要人工操控，能夠根據(jù)任務(wù)自主飛行，通過程序預(yù)設(shè)及規(guī)劃的線路，單臺(tái)飛機(jī)每次可飛行檢測(cè)120戶，平均每用戶用時(shí)10秒鐘。endprint

2.2戶外巡檢應(yīng)用

過去，戶外場(chǎng)景的巡檢人員只能對(duì)所巡視管道的地表情況及周圍環(huán)境進(jìn)行初步的判斷，面對(duì)水災(zāi)、滑坡等極端戶外情況則需要花費(fèi)大量的人力和物力，巡檢人員也需要背負(fù)特定的巡檢設(shè)備。人工巡檢無法方便地掌握工作人員實(shí)際的巡檢到位情況，也無法對(duì)巡檢結(jié)果進(jìn)行可靠、便捷的存檔記錄。

以筆者公司為例，集輸公司承擔(dān)著濱海新區(qū)30萬居民、工業(yè)及商業(yè)用戶的供氣任務(wù)，年輸氣量約3億至4億立方米。公司的現(xiàn)供氣設(shè)施主要包括建設(shè)高壓球罐6座（其中4座產(chǎn)權(quán)屬濱海電廠），高壓、次高壓配氣區(qū)4座，中壓、調(diào)壓車間一座，外加管線數(shù)十公里及相應(yīng)設(shè)施。在所有的天然氣輸送成本中，由于泄漏帶來的管輸損耗值得令人關(guān)注。老化的管道可能存在泄露問題，目前集輸公司使用中的天然氣管網(wǎng)點(diǎn)多面廣，主干管道已有二十年多的歷史，有的閥門、接頭、法蘭等元部件都存在不同程度的腐蝕或老化的問題，有的連接節(jié)點(diǎn)已經(jīng)泄漏，從而導(dǎo)致的管輸?shù)膿p耗。因此，對(duì)天然氣設(shè)備與管道進(jìn)行巡線就顯得非常有必要。

筆者所在單位為驗(yàn)證無人機(jī)天然氣管道巡檢可行性，對(duì)天津市濱海新區(qū)部分設(shè)備及管線進(jìn)行了無人機(jī)監(jiān)測(cè)飛行。天津?yàn)I海地地貌類型主要為沖擊平原，本次飛行任務(wù)區(qū)域位于濱海新區(qū)中部，四周分布多座高度超過300米的山丘，多條河流從其內(nèi)部穿行而過。并且，濱海地區(qū)距離渤海很緊，任務(wù)期間受季風(fēng)影Ⅱ向地面風(fēng)速基本上都超過4級(jí)，瞬時(shí)風(fēng)速高達(dá)6級(jí)，作業(yè)環(huán)境惡劣。本次任務(wù)是在固定翼無人機(jī)和四旋翼無人機(jī)搭載高清可見光相機(jī)對(duì)天然氣管線和公司最大集輸門站進(jìn)行集中航測(cè)。根據(jù)航測(cè)所獲取的高清遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，據(jù)此得到任務(wù)區(qū)的正射影像。固定翼無人機(jī)航測(cè)面積是10km²，管道巡線長度12km，在航測(cè)飛行中可拍攝645張照片。整個(gè)航測(cè)過程動(dòng)用多旋翼共4架次，航測(cè)面積是0.15km²，共拍攝168張相片。通過無人機(jī)拍攝的影像圖可以了解門站周邊的地形特點(diǎn)，并從中觀測(cè)到威脅門站的危險(xiǎn)因素。另外，可提供空中視角觀察對(duì)站內(nèi)設(shè)備，及時(shí)對(duì)潛在的設(shè)備損毀等問題進(jìn)行預(yù)警。如果事態(tài)緊急，可以先通過無人機(jī)及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，為決策提供一手資料。

3采用無人機(jī)進(jìn)行天然氣管道巡線的優(yōu)點(diǎn)

從總體上看，無人機(jī)在長輸管道巡線選擇上主要有以下優(yōu)勢(shì)：①無人機(jī)遙感可以直接獲得關(guān)于管道管線的宏觀性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。比如在進(jìn)行天然氣運(yùn)輸管道的埋設(shè)時(shí)，地形、地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等資料都可以從遙感圖像中獲得，通過多種方法收集、處理和分析有關(guān)地形的資料，使得遙感圖像具有概括性、宏觀性，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)無人機(jī)拍攝的影像的輔助判斷管線工程的可靠性和安全性。②無人機(jī)遙感巡線處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)。無人機(jī)上搭載的攝像裝備像素可以達(dá)到0.02～0.2m，影像分辨率甚至比一些國內(nèi)外高分辨率衛(wèi)星影像更清晰，并且它每天都能很短的時(shí)間內(nèi)完成近4000平方公里的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。③無人機(jī)遙感巡線為公司節(jié)約大量人力、物力，時(shí)間成本。采用人工巡線的傳統(tǒng)方法，需要大量的人力，花費(fèi)十幾天，甚至幾十天的時(shí)間來完成，在收集數(shù)據(jù)之后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入的分析工作：而由無人機(jī)進(jìn)行巡線，幾天時(shí)間便能完成數(shù)據(jù)獲取和分析的工作，完成巡線任務(wù)。④受環(huán)境制約小。無人機(jī)巡線幾乎不受氣候或地形的影響，機(jī)械性能非常可靠。在受地災(zāi)影Ⅱ向較大的高海拔地帶，技術(shù)員可能無法深入現(xiàn)場(chǎng)例行巡線。通過使用無人機(jī)代替巡線人員進(jìn)行巡線。

4結(jié)論與展望

在燃?xì)夤艿赖难簿€中，無人機(jī)可以利用其所具備的遙感技術(shù)攝像、拍照，也可以搭載探測(cè)氣體對(duì)泄漏濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，補(bǔ)充了傳統(tǒng)人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡線周期長、巡線質(zhì)量難以控制、人員工作條件艱苦的不足，通過便攜、輕量無人機(jī)對(duì)長輸天然氣管道巡線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，消除巡線盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)天然氣巡線工作的智能化和信息化，為管道的安全提供技術(shù)支持。endprint