韓林元 魏勇 葛玉寶 姜慧春

1.國家管網(wǎng)集團貴州省管網(wǎng)有限公司 貴州 貴陽 550025；2.西南管道貴陽輸油氣分公司 貴州 貴陽 550025

引言

根據(jù)《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》[1]，到2020年全國長輸油氣管網(wǎng)規(guī)模將達到 16.9×104km；到2025年，管網(wǎng)規(guī)模將達到24×104km，屆時全國省市區(qū)成品油、天然氣干線管網(wǎng)全部連通，100萬人口以上的城市成品油管道基本接入，50萬人以上的城市天然氣管道基本接入，國內(nèi)將迎來新的管道大發(fā)展時期。隨著蘭成渝管道、西部管道、中緬管道等大型山地管道以及配套省級支線管網(wǎng)建成運行，山地管道的里程快速擴大并不斷向縣級以下地區(qū)輻射，服務(wù)能力不斷增強，已成為支撐山地地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、保民生密不可分的一部分。因此，保證管道安全運行是一項艱巨任務(wù)，而山地管道周邊地質(zhì)環(huán)境、人員活動較其他地區(qū)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在時間和空間上的局限。通過引入5G技術(shù)，借助人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等工具，破解管道保護難題，提升油氣管道保護管理水平。

1 山地管道管理的難點

管道安全監(jiān)測包括三方面：一是管道自身失效；二是第三方破壞；三是地質(zhì)災(zāi)害。而山地管道途經(jīng)崇山峻嶺，溝壑縱橫，雨水充沛，環(huán)境氣候條件復(fù)雜。地質(zhì)沉降、山體滑坡、暴雨沖刷、塌方等嚴重威脅管道安全。再者山地油氣管道沿線高差較大，例如中緬油氣管道，高程差大于1000m的管段近10段，最大高程差1800m，沿線陡坡管段近100處[2]，給管道巡護帶來挑戰(zhàn)。人工巡檢又存在局限性，長期以來，由于受技術(shù)條件的制約，管道外部安全監(jiān)測主要靠人工巡檢。山地不比平原，讓工人長年累月不分春夏秋冬跋山涉水，非常危險。一旦管道發(fā)生事故，必將巡檢人員置于危險之中，而且人工巡檢不能實現(xiàn)時間與空間維度上的無盲區(qū)巡檢。

2 5G通信技術(shù)特點

5G技術(shù)有如下特點[3]：①高速度。在實際應(yīng)用中5G 移動通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的速率是4G 網(wǎng)絡(luò)10倍以上。②低時延。相對于2G的時延為600ms（0.6秒）、3G的時延200ms、4G的時延最好的結(jié)果98ms，5G的最好時延能達到1ms，這對汽車的自動駕駛、醫(yī)療的遠程手術(shù)、運行高鐵、網(wǎng)聯(lián)無人機的信號覆蓋卻意義非凡。③大容量。5G移動通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，配合其他技術(shù)，空間將在數(shù)據(jù)意義上劇烈壓縮，很有可能出現(xiàn)一套萬物互聯(lián)的全新景象。④低功耗。5G要支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，就必須要有功耗的要求，而5G就能把功耗降下來，讓大部分物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一周充一次電，或一個月充一次電，就能大大改善用戶體驗，促進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的快速普。此外，5G無線通信還有擴展性特點，5G并沒有脫離于3G、4G，而是將這些通信技術(shù)的優(yōu)勢有效地結(jié)合在一起，能夠為用戶提供更加豐富的使用體驗與服務(wù)。

3 5G在管道保護智能化上的應(yīng)用

3.1 基于5G的智能陰極保護

長輸油氣管道需要對管道陰極保護數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，由于普通測試樁只能采集數(shù)據(jù)，而不能遠程傳輸數(shù)據(jù)，只能依靠人工巡檢定期獲取數(shù)據(jù)，這種方式效率較低、費時費力，山區(qū)管道測量點現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致陰保數(shù)據(jù)采集不及時甚至缺失，恒電位儀布置分散，依靠人工調(diào)節(jié)不僅容易錯誤操作而且難以做到集中統(tǒng)一管理，也不利于陰保數(shù)據(jù)的動態(tài)管理。為順應(yīng)當今油氣管道管理數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢，需建設(shè)陰極保護智能采集監(jiān)控管理系統(tǒng)。

目前陰極保護智能化已有許多有益的探索，典型做法就是在山地管道上安裝管線陰極保護/雜散電流智能監(jiān)控終端，作為系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)采集支撐，實現(xiàn)管道陰極保護狀態(tài)監(jiān)測、陰極保護設(shè)備遠程控制、管道雜散電流監(jiān)測、管道安全預(yù)警等功能，實現(xiàn)對管道陰極保護狀況的評價與評估，為管道的陰極保護綜合評價和風(fēng)險管控提供基于大數(shù)據(jù)的智能調(diào)節(jié)和決策支持[4]。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖和衛(wèi)星通信方式進行傳送，光纖通信有遭第三方施工破壞和地災(zāi)損毀斷纜造成通信中斷的風(fēng)險。衛(wèi)星通信有資費高、頻率受限、傳輸效率低缺點，不適合作為智能陰極保護系統(tǒng)的通信。通過將油氣管道陰極保護智能監(jiān)控終端改造為具有5G通信功能的陰極保護智能監(jiān)控終端，實現(xiàn)監(jiān)控終端與中心的高速、低延時通信，達到對山地油氣管道陰保數(shù)據(jù)全天候動態(tài)監(jiān)測和控制。同時，在5G智能陰極保護智能監(jiān)控終端在加裝太陽能電池，實現(xiàn)油氣管道陰極保護智能保護終端的節(jié)能環(huán)保。

3.2 基于5G網(wǎng)聯(lián)無人機的山地管道智能巡護

傳統(tǒng)的山地管道巡護主要依靠人工徒步巡檢，效率低，而且人員置于山地環(huán)境風(fēng)險較大，通過引入5G網(wǎng)聯(lián)無人機代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，實現(xiàn)山地管道無盲點巡檢。目前國家管網(wǎng)集團貴州省管網(wǎng)公司在無人機管道智能巡護上做了一些探究（以清鎮(zhèn)支線為例），通過對清鎮(zhèn)支線全線進行坐標測量、無人機采集模型數(shù)據(jù)、拍攝全景照片，然后進行三維建模、VR全景合成、添加熱點等數(shù)據(jù)處理，最后在將三維模型、VR全景、視頻、正射影像拼接等可視化數(shù)據(jù)進行整合、搭建平臺，錄入相關(guān)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、可視化，如圖1所示。

圖1 管道數(shù)據(jù)建模

圖2 無人機巡檢界面

后期通過無人機定時對油氣管道精細巡檢，利用可視化數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)三維建模技術(shù)高精度還原管線模型，進行可視化的細節(jié)查勘、測量與變量評估；VR-全景虛擬現(xiàn)實技術(shù)真實還原管道周邊環(huán)境，添加熱點錄入相關(guān)信息，足不出戶總攬全局，進行可視化管理；人工智能識別技術(shù)實時監(jiān)測，快速識別目標物并上報問題點，同時為可視化數(shù)據(jù)提供更新依據(jù)，為管理者提供危險報警和決策支持，如圖2所示。

但是無人機一般通過遙控系統(tǒng)進行控制，民用無人機與遙控器之間的數(shù)據(jù)傳輸，通常采用低功耗藍牙或 Wi-Fi 技術(shù)，受發(fā)射功率限制，只能在不超過500米的視距范圍進行數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸圖像最大分辨率不能超過 1080p[5]，極大地限制了無人機在山地油氣管道巡航的應(yīng)用，長距離的，因此無法一次完成整條長輸油氣管道巡護，且智能油氣管道需要實時傳輸高清視頻、VR全景虛擬現(xiàn)實、控制信號等海量數(shù)據(jù)，機載藍牙、Wi-Fi、4G已無法滿足無人機管道智能巡檢高速率、低延時、大容量的應(yīng)用需求。5G 提供的大帶寬、高可靠、低時延通信更好地契合了無人機管道智能巡檢的要求，通過引入5G無線通信，搭建5G網(wǎng)聯(lián)無人機智能管道巡檢平臺，突破以往通信手段的限制，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)算法，通過給山地管道設(shè)置巡檢路由，讓無人機按照設(shè)定軌跡自動巡檢，利用遠程終端對智能山地管道巡檢系統(tǒng)進行智能監(jiān)控，達到山地管道無盲點管理，如圖3所示。

圖3 5G網(wǎng)聯(lián)無人機巡護技術(shù)架構(gòu)[6]

3.3 基于5G的智能視頻監(jiān)控

目前山地管道管理中常用固定式監(jiān)控探頭、移動式監(jiān)控探頭，固定式監(jiān)控探頭主要用于高后果區(qū)監(jiān)控，移動式監(jiān)控探頭主要用于第三方施工管理?，F(xiàn)行主要的做法是在高后果區(qū)管段安裝固定高桿式太陽能監(jiān)控終端、在第三方施工現(xiàn)場安裝移動式太陽能監(jiān)控終端，利用是4G網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心。由于4G網(wǎng)絡(luò)受帶寬的限制，無法高清實時的傳輸，延遲卡頓，采集數(shù)據(jù)有效性和一致性不佳，無法對現(xiàn)場變量進行精細管控。5G技術(shù)的引入可以依托其更快的傳輸速度和更低的延時，結(jié)合人工智能，可以對高后果區(qū)、第三方施工現(xiàn)場進行高清智能監(jiān)控，實時對高后果區(qū)進行動態(tài)評估，對第三施工中的危險動作進行識別報警。

3.4 基于5G的智能山地管道應(yīng)急搶險

山地管道地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險較平原地區(qū)大，經(jīng)常出現(xiàn)管道露管、漂管、斷纜、防腐層破損等事故，因此建立山地管道應(yīng)急搶險平臺，對保障油氣管道的安全平穩(wěn)運行時完全有必要的。通過引入5G技術(shù)借助其優(yōu)勢，結(jié)合網(wǎng)聯(lián)無人機對事故管段的周邊環(huán)境進行三維全景建模，AR增強現(xiàn)實，利用5G網(wǎng)絡(luò)上傳至應(yīng)急平臺中心，借助人工智能算法、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能選擇最優(yōu)搶險路徑、調(diào)配最佳的搶險機具、合理分配搶險人員，為搶險決策者提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語

隨著5G技術(shù)的日趨成熟和大規(guī)模推廣使用，借助其高速率、大容量、低延時的優(yōu)勢，深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過將山地油氣管道保護全面數(shù)字化、智能化，破解山地管道管理癥結(jié)。未來的山地管道保護平臺將具備態(tài)勢全面感知、智能決策、智能控制、自主學(xué)習(xí)功能，也會是低風(fēng)險和高效率的。