陳利瓊，杜博文，吳東容

(1. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500;2.中國石油天然氣股份有限公司 西南管道分公司，四川 成都 610000)

0 引言

油氣管道作為油氣運輸過程中的關鍵環(huán)節(jié)，已成為連接東西、南北、海外的國家骨干網(wǎng)絡[1]。由于我國河流山川眾多，跨越河流管道逐漸成為1種重要的輸油管道搭建方式[2]。山區(qū)跨越河流管道發(fā)生的泄漏事故一般很難被河岸陸地人工巡線及時發(fā)現(xiàn)，由于山區(qū)復雜的地理環(huán)境，當此類管道發(fā)生泄漏事故后，其后果往往比普通埋地管道嚴重[3]，跨越河流輸油管道的溢油事故可能會引發(fā)火災爆炸事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的生態(tài)破壞[4]，而對于水域管道來講，更會隨著河水的流動使污染范圍擴大，若河流溢油事故發(fā)生在跨國河流，還會造成惡劣的政治影響[5]。

為避免溢油污染以及潛在的危害，需要對泄漏油品進行回收，目前國內(nèi)外對溢油回收的研究大多是對溢油回收階段的技術(shù)研究以及溢油事故發(fā)生后的應急響應流程研究，且研究情景基本都是基于海上、海灣以及水庫等流動較緩慢的泄漏情景。目前，對于長距離河流溢油事故溢油尋找方面較少研究。對于山區(qū)長距離河流，由于河岸陸地人工巡線可能無法及時監(jiān)測到跨越河流輸油管道的溢油事故，且山區(qū)管道所處地區(qū)地理環(huán)境復雜，并非所有的河流兩岸公路都能直接看到河面，故當溢油事故被發(fā)現(xiàn)時，已經(jīng)泄漏的油品可能隨著河流已漂移到很遠的位置，而且在現(xiàn)有的技術(shù)條件下很難觀測尋找到溢油的實際位置，這2種因素增加了溢油回收的難度[6]。

溢油油頭是距離泄漏點位置最遠的泄漏油品。因此，對溢油油頭的尋蹤是增加溢油回收效率的重要手段。原油泄漏至水面之后，受水流和風的影響，會迅速擴散成一層油膜[7]，對于長距離河流而言，往往通過數(shù)值模擬的方法來確定溢油可能到達的區(qū)域。原油溢油事故發(fā)生后，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果確定溢油可能漂移到的區(qū)域，在此區(qū)域只要觀測到油膜，則可根據(jù)油膜性質(zhì)推斷油品在水面的分布情況，從而確定溢油油頭的確切位置。

由于山區(qū)管道所處地區(qū)地理環(huán)境復雜，依靠人工巡線并不能保證找到油頭，因此需要借助先進的技術(shù)手段來盡快找到溢油油頭的位置，利用航空技術(shù)則是比較可行的方法之一。理論上說，直升飛機是尋找溢油最快速準確的方法，但我國管道公司尚未配備專門的巡線直升機，租借直升機手續(xù)繁雜[8]，時間必然會因此延誤，且其起飛和降落條件要求高，并非所有的情況下都能正常飛行，而用小型無人機替代直升飛機巡航河流溢油則可以避免這些不良條件的制約。

1 基于無人機油頭尋蹤的山區(qū)管道原油溢油應急響應流程

1.1 無人機尋油的可能性

無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)是1種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、依靠空氣提供升力、可重復使用航空器的簡稱[9]。從20世紀20年代到21世紀初期，無人機先后經(jīng)過了無人靶機、控制無人偵察機和電子無人機、指令遙控無人偵察機和復合控制多用途無人機的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。20 世紀末，以美國全球鷹為代表的長航時高空無人偵察機的實際使用發(fā)起了無人機研究的熱潮[10]，進入21世紀以后，無人機逐步進入民用領域并形成產(chǎn)業(yè)[11-12]。中國無人機的產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步晚，在技術(shù)水平等各個方面跟發(fā)達國家相比有明顯差距，但發(fā)展迅速。20世紀90年代，中國測繪科學研究院開始民用無人機的研制，較早應用于測繪領域[13]。自“十一五”計劃實施以來，基于中國無人機遙感的技術(shù)突破，中國的無人機工業(yè)才進入了飛速發(fā)展的階段[14]。其產(chǎn)業(yè)在我國軍事應用、國土安全上實現(xiàn)重大突破，在國防、地理與海洋監(jiān)測、國土測繪與海洋島礁測繪上引發(fā)巨大應用效益。在民生安全、社會發(fā)展上也帶來技術(shù)變革，在地質(zhì)災害監(jiān)測、應急救援及各行業(yè)普及層面具備不可替代的作用[15]。

由此可見，目前的無人機技術(shù)已具備為河流原油溢油事故提供理論數(shù)據(jù)的可能性，利用無人機對跨越河流輸油管道原油溢油事故進行溢油尋蹤是提高收油工作效率，降低溢油危害的重要途徑。

1.2 無人機路徑設計方案

無人機的使用讓山區(qū)輸油管道溢油事故回收工作的效率得到極大提升，但是對于長距離河流，由于巡線無法及時檢測到溢油事故的發(fā)生，故當溢油事故被發(fā)現(xiàn)時，已經(jīng)泄漏的油品可能隨著河流已漂移到很遠的位置，無人機由于自身續(xù)航能力限制無法對整條河流進行尋蹤。故對于山區(qū)管道溢油事故，采取“軟件模擬 + 無人機尋蹤”并行的模式，首先通過軟件模擬出長距離河流溢油事故發(fā)生后溢油可能到達的區(qū)域范圍，再派遣無人機尋蹤隊，在預測的范圍內(nèi)進行油頭尋蹤。

河岸陸地巡線發(fā)現(xiàn)山區(qū)管道發(fā)生溢油事故后報告控制指揮中心，派出無人機先遣隊前往經(jīng)軟件模擬的溢油可能到達的區(qū)域范圍，根據(jù)油頭到達情況進行無人機放飛，通過無人機上搭載的高清攝像頭對溢油區(qū)域進行識別拍攝，進行溢油量計算。最后根據(jù)溢油量對溢油事故情況進行判斷，并且對回收物資機具進行準備，最后進行攔截收油。圖1為基于無人機油頭尋蹤的山區(qū)管道溢油應急響應流程。

圖1 基于無人機油頭尋蹤的山區(qū)管道溢油應急響應流程Fig.1 Flow chart of emergency response for oil spill accident of pipeline in mountain area based on UVA for oil head pursuit

2 無人機溢油油頭“影跡”尋蹤

無人機溢油油頭“影跡”尋蹤法是利用無人機上裝載的高清晰攝像頭拍攝到的河面視頻或圖片，根據(jù)圖片上浮油的形態(tài)和痕跡分析溢油在河面的分布情況。

受河道變化的影響，溢油隨河水流動一定時間后，在河面的分布就不均勻了。如果假定在發(fā)現(xiàn)漏油前的泄漏是持續(xù)的，則理論上講，越靠近泄漏點處厚度越大，而距離越遠則厚度越薄。因此，油頭的油膜厚度是比較薄的，較大的油膜厚度處一定不是油頭。如果無人機發(fā)現(xiàn)了油頭厚度較薄處，則其順著溢油流動方向的下游不遠處應該就是油頭了。

因此，油頭位置判據(jù)為：其上游方向厚度較大，而下游方向基本無油漬的油膜厚度稀薄處，即為油頭。另一方面，還可以根據(jù)這些關系分析油品特征，劃分溢油區(qū)域，據(jù)此計算油區(qū)面積和漏油量。

2.1 無人機路徑設計方案

跨越河流管道溢油事故發(fā)生后，搶險人員攜帶無人機到達油頭觀測點。到達觀測點后，如果不能憑肉眼發(fā)現(xiàn)油頭，則需要采用無人機進行油頭尋蹤。

根據(jù)油頭是否到達觀測點，可能會遇到以下2種情況：

1)到達預測油頭位置處(觀測點)，未發(fā)現(xiàn)油頭或油膜。在持續(xù)泄漏的情況下，首先向上游方向在5 km范圍內(nèi)放飛無人機(一般無人機的續(xù)航里程為10 km)，若發(fā)現(xiàn)油頭則返回，同時根據(jù)無人機識別到的溢油圖像計算溢油量，根據(jù)溢油量和溢油情況進行收油裝置設備的準備。如果沒發(fā)現(xiàn)油頭，則說明油頭還在上游5 km開外，應趕往上游另一預測油頭位置重新進行搜索，如圖2所示。

圖2 未發(fā)現(xiàn)油頭時無人機尋蹤路線Fig.2 Pursuit path of UAV when oil head was not found

2)到達預測油頭位置處(觀測點)，若發(fā)現(xiàn)油膜或油漬，則不管什么情況下，都只需向下游方向放飛無人機。首先向下游方向，在5 km范圍內(nèi)放飛無人機，若發(fā)現(xiàn)油頭則返回，同時根據(jù)無人機識別到的溢油圖像計算溢油量，根據(jù)溢油量和溢油情況進行收油裝置的準備；如果沒有發(fā)現(xiàn)油頭，則到離預測位置下游10 km附近合適位置，如果在該位置沒發(fā)現(xiàn)油頭，則可以向上游5 km范圍內(nèi)放飛無人機(類似第1種情況)，同時在該處附近合適位置設置攔油(布設攔油設施時間和油流5～10 km時間都在0.5～1 h)；如果在該位置發(fā)現(xiàn)油漬或油膜，則再次向下游在5 km范圍內(nèi)放飛無人機，以此類推，通過多次搜索，直到發(fā)現(xiàn)油頭，如圖3所示。

圖3 發(fā)現(xiàn)油頭時無人機尋蹤路線Fig.3 Pursuit path of UAV when oil head was found

綜合以上2種情況，當跨越河流管道發(fā)生溢油事故后，觀測人員在合適的觀測攔截點對無人機進行放飛，通過無人機上的高清攝像頭對溢油油頭進行追蹤，并對溢油油頭區(qū)域進行圖像識別，從而提高下一步收油工作的效率。

2.2 無人機的路徑規(guī)劃算法

定義管道下游為正方向，無人機第1次搜索距離為L?？刂茻o人機路徑的代碼如下所示：

double L, move, i ;

bool flag ;

do

{

i = 1;

L = 1000;

move = 0;

move += L// 無人機移動命令

WriteLine("plz input ur flag(1 or 0)");//1：發(fā)現(xiàn)漏油；0：為發(fā)現(xiàn)漏油

if (flag = false)

L *= 2;

move -= L;

++i;

L *= i;

}

while (flag = true );

WriteLine($"the place of oil is{move}")//gps為無人機的坐標。

3 無人機溢油圖像識別

3.1 圖像識別

由于油品在水面并非均勻分布，因此，可以根據(jù)油的種類和油膜顏色大致推斷油品的分布情況。實驗表明，一般來講，油品在水面的顏色與厚度有如圖4與表1所示的關系。

圖4 不同性質(zhì)油膜的反射光效果Fig.4 Reflected light effect of oil films with different properties

油的類型顏色油膜厚度/mm五彩油銀色光澤0.0001～0.0002五彩油彩虹色0.0003～0.01原油和燃料油黑色/深棕色0.1～0.2乳化油棕色/橙色>1

無人機上的高清攝像頭在拍照時，可以紀錄當時的GPS坐標，還有飛行高度，焦距以及圖片分辨率。根據(jù)這些參數(shù)，建立模型計算漏油區(qū)域的大小，便于設置攔油方案。其中，圖5為無人機對溢油區(qū)域圖像的識別流程，圖6為無人機航拍下的溢油區(qū)域示例。

圖5 無人機圖像識別流程Fig.5 Flow chart of UAV image recognition

圖6 無人機航拍下的溢油區(qū)域Fig.6 Oil spill area based on aerial photography of UAV

3.2 溢油范圍以及泄漏量計算

對低空無人機航攝系統(tǒng)而言，如果影像傳感器( 即數(shù)碼相機) 一定，選用的攝影鏡頭一定，則影像地面分辨率與航高的關系為：當航高較高時，影像的地面分辨率較低； 反之，當航高較低時，影像的地面分辨率相對較高。其關系為[16]：

式中：H為攝影航高， m；f為攝影鏡頭焦距， mm；GSD為地面分辨率， m；a為像元尺寸， mm。

計算出攝影高度后，則可以根據(jù)相應的比例尺和幾何關系，計算出油層的邊界尺寸，從而計算出溢油面積；再結(jié)合油膜厚度，計算出溢油量，判斷溢油情況，從而確定溢油攔截方案，圖7為溢油量計算流程。

圖7 基于無人機圖像識別的溢油量計算流程Fig.7 Flow chart of calculation on amount of spilled oil based on image recognition of UAV

4 應用實例

某跨越河流管道發(fā)生溢油事故，由于陸地人工巡線未能及時發(fā)現(xiàn)該情況，溢油已隨著河流漂移到河流下游，圖8為河流地形圖與根據(jù)長距離河流溢油數(shù)值模擬的預設攔截點位置。此時啟動河流溢油事故應急預案，在油頭可能到達的位置進行無人機放飛。

圖8 事件中河流地形圖與預設攔截點位置Fig.8 Topographic map of rivers and preset interception points in the event

當無人機觀測隊到第1預設攔截位置處，未發(fā)現(xiàn)油頭或油膜。向上游方向在5 km范圍內(nèi)放飛無人機(一般無人機的續(xù)航里程為10 km)，途中無人機觀測到了溢油油頭，并對溢油部分進行圖像識別，如圖9所示。

圖9 事件中無人機識別的溢油區(qū)域Fig.9 Oil spill area recognized by UAV in event

通過圖像識別，看出溢油油膜的顏色為黑色，其厚度最厚為0.2 mm。將攝像頭參數(shù)以及分辨率數(shù)值帶入航高公式，計算出無人機航高H為187.5 m。通過攝像航高的計算，利用三角形的邊角關系，如圖10所示，其中A-A′面為水面溢油長度，θ為攝像頭鳥瞰狀態(tài)下的拍攝角度(半角)，本次運用的攝像頭θ取22°，由幾何關系可計算出溢油邊界尺寸為長150 m，同理可得寬100 m。

圖10 溢油長度和航高的三角關系Fig.10 Triangular relationship between oil spill length and flight altitude

最后則進行溢油量計算，計算出溢油油頭體積約為3.02 m3，可以在第1攔截點準備好適合于回收該體積溢油的回收方法以及回收機具設備，以等待溢油的到來從而對溢油進行回收處理工作。

5 結(jié)論

1)利用無人機溢油油頭“影跡”尋蹤法，通過無人機上裝載的高清晰攝像頭拍攝到的河面溢油區(qū)域圖片，分析溢油油頭位置，對溢油量進行大致計算并了解溢油情況。

2)為即將到來的溢油回收環(huán)節(jié)提供溢油量等理論數(shù)據(jù)，無人機識別的圖像能夠?qū)σ缬颓闆r有一個大致了解。溢油情況的獲知能夠讓溢油回收隊更好地對回收機具和設備進行準備，提高收油效率。