岳 彬 汪瀟雨 郭冬磊

〔北京航空工程技術(shù)研究中心 北京 100076〕

輸油管道巡線工作是管道日常維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，尤其在油料輸轉(zhuǎn)時(shí)，工作人員必須隨時(shí)巡查管線，保證整個(gè)管線的安全、暢通。我國輸油管線巡護(hù)以傳統(tǒng)人工巡查為主，受人為和地理區(qū)域因素的影響，如復(fù)雜地理環(huán)境下的管線以及人力無法達(dá)到區(qū)域的場(chǎng)所巡線困難；同時(shí)，由于我國輸油管道線路長(zhǎng)，人工巡檢投入人力大，而編制人員少，巡檢時(shí)效性和效率成為油料管理使用部門進(jìn)一步提升管理水平的瓶頸[1]。

無人機(jī)具有成本低廉、方便運(yùn)輸、操作簡(jiǎn)便以及維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，使得無人機(jī)很適合輸油管道的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，對(duì)輸油管道安全管理中安全巡檢、隱患排除、應(yīng)急救援等工作都具有較高的應(yīng)用價(jià)值。通過無人機(jī)技術(shù)，深度學(xué)習(xí)圖像自動(dòng)處理技術(shù)和圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)在輸油管線巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用，首先無人機(jī)按設(shè)定航線自動(dòng)飛行采集管線環(huán)境圖像及位置信息，然后由圖傳數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)回到地面監(jiān)控處理端，最后在地面端完成對(duì)管線安全性和完整性有威脅的目標(biāo)和因素識(shí)別和定位，并自動(dòng)生成管線巡護(hù)報(bào)告指引巡護(hù)人員精確排故[2]。輸油管線無人機(jī)自動(dòng)巡護(hù)極大地提高了管線巡檢的效率和管線管理的自動(dòng)化、智能化水平，同時(shí)節(jié)省了人力。

1 無人機(jī)輸油管線巡檢關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)輸油管線巡檢是將無人機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、無線通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)整合應(yīng)用于管道巡護(hù)工作中，通過無人機(jī)系統(tǒng)和相關(guān)巡檢數(shù)據(jù)處理軟件代替“人工”對(duì)輸油管線做頻次更高、效率更高、更全面和成本更低的自動(dòng)化巡檢。無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載相機(jī)或吊艙，采集管線周邊影像數(shù)據(jù)，通過人工智能數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)圖像中威脅管線安全的因素或目標(biāo)完成自動(dòng)識(shí)別和定位，自動(dòng)輸出巡檢報(bào)告供工作人員精準(zhǔn)排故。該巡檢方式可極大提高巡檢效率，整體提升巡檢行業(yè)信息化、智能化水平。

1.1 無人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)

輸油管線無人機(jī)常態(tài)化巡檢，在無人機(jī)飛行的高頻次、穩(wěn)定性和可操作性等幾個(gè)維度相比其他使用場(chǎng)景度有較大區(qū)別，輸油管線巡檢對(duì)飛行平臺(tái)的自動(dòng)化程度、可靠性、保障性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性提出更高的要求，考慮該飛行平臺(tái)的實(shí)際使用環(huán)境和要求，對(duì)飛行器平臺(tái)和飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，通過感知傳感器多冗余設(shè)計(jì)、避障設(shè)計(jì)和決策管理職能化設(shè)計(jì)，總體提升飛行平臺(tái)的自動(dòng)化程度和魯棒性，使飛行平臺(tái)與巡檢業(yè)務(wù)深度融合[3-4]。

1.2 圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

隨著無人機(jī)在輸油管線巡檢領(lǐng)域的試驗(yàn)和應(yīng)用，用戶對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)效性和保密性的要求逐步加強(qiáng)，市場(chǎng)上成熟的超遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備價(jià)格昂貴，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)件成本影響非常大，直接導(dǎo)致行業(yè)應(yīng)用和應(yīng)用場(chǎng)景受限，基于本需求，可搭建圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)中繼傳輸系統(tǒng)來滿足使用要求。

系統(tǒng)基于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5-6]，無需網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，各節(jié)點(diǎn)無中心、自動(dòng)組網(wǎng)、動(dòng)態(tài)拓?fù)渥詣?dòng)調(diào)節(jié)，具有很強(qiáng)的抗毀性，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)視頻、語音和數(shù)據(jù)的點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。利用系統(tǒng)自組網(wǎng)的多跳接力特性，可以擴(kuò)展通訊距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈狀長(zhǎng)線區(qū)域的全覆蓋。無人機(jī)實(shí)時(shí)傳輸示意圖見圖1。

圖1 無人機(jī)實(shí)時(shí)傳輸示意圖

1.3 圖像智能識(shí)別檢測(cè)技術(shù)

通過基于深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)輸油管線異常點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。對(duì)于圖像結(jié)構(gòu)化特征比較明顯的目標(biāo)，可通過圖像數(shù)據(jù)智能檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)識(shí)別第三方施工破壞、外漏積油等威脅管線安全的高時(shí)效性目標(biāo)。通過高分辨率照片數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別施工車輛、施工板房、漏油、水坑、裂縫等威脅管線安全的隱患目標(biāo)[7-9]。

研究基于端對(duì)端的CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以圖像分類、圖像目標(biāo)位置共同訓(xùn)練的方式，按照約束類別、位置、大小的損失函數(shù)來達(dá)到解決結(jié)構(gòu)化特征目標(biāo)識(shí)別目的；再利用圖像處理的手段將非結(jié)構(gòu)特征的物體進(jìn)行專家經(jīng)驗(yàn)特征過濾，結(jié)合CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)的方式共同實(shí)現(xiàn)[10-13]。采用深度學(xué)習(xí)自動(dòng)編碼特征和層級(jí)特征組合機(jī)制來描述結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)考慮利用提取目標(biāo)專有特征的方式來描述非結(jié)構(gòu)化特征，達(dá)到精確異常檢測(cè)的目的。

1.4 圖像快速拼接技術(shù)

圖像拼接技術(shù)主要針對(duì)油氣管道巡線以及其他多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，使用無人機(jī)航拍圖像及對(duì)應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)，快速生成用戶可定義分辨率的、帶地理坐標(biāo)和紋理信息的正射圖和高程圖。

拼圖算法利用SfM方法得到場(chǎng)景稀疏點(diǎn)云以及相機(jī)位姿、點(diǎn)云文件切分、循環(huán)進(jìn)行網(wǎng)格重建以及紋理貼圖，再將小圖通過GDAL進(jìn)行合并，并最終輸出合并的二維正射圖和數(shù)字高程圖。

1.5 圖像異常目標(biāo)快速定位技術(shù)

無人機(jī)巡檢類項(xiàng)目中，坐標(biāo)定位是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①當(dāng)視頻圖像中檢測(cè)到異常目標(biāo)(違規(guī)施工、工程車輛、管道裸露等)時(shí)，需要及時(shí)準(zhǔn)確地定位到異常目標(biāo)的地理位置，以提供給施工人員應(yīng)急處理；②在異常目標(biāo)檢測(cè)的過程中，如果對(duì)視頻中每一幀圖像的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行處理，超高的計(jì)算量會(huì)影響檢測(cè)的速率。通過定位功能可以將已知的坐標(biāo)(管線、油井、集氣站等)在圖像中標(biāo)記出來，從而縮小檢測(cè)范圍，提高檢測(cè)速率[14]。

針對(duì)檢測(cè)出來的異常目標(biāo)，需要給出故障精準(zhǔn)的位置坐標(biāo)，方便處置人員到達(dá)并處理問題?；谟跋裉崛〕霎惓Ｄ繕?biāo)后，需要針對(duì)視頻流或者影像圖片基于視覺導(dǎo)航的方式進(jìn)行位置定位，考慮到實(shí)時(shí)性要求和三維地形場(chǎng)景中的精確定位。采用SLAM的前端視覺里程計(jì)快速估算相機(jī)位姿和場(chǎng)景點(diǎn)云[15-16]，再根據(jù)建立的2D圖像特征點(diǎn)和3D地理坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過小范圍的單位矩陣求解得到準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)異常目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

1.6 GIS多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

GIS多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)可在電子地圖中疊加多個(gè)圖層，使各種數(shù)據(jù)直觀呈現(xiàn)在二維三維融合的場(chǎng)景中，保證空間信息統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)管線管理的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、可視化[17-19]。

2 無人機(jī)在輸油管線巡檢中的應(yīng)用

2.1 無人機(jī)在輸油管線巡檢的優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)在輸油管線巡檢的優(yōu)勢(shì)有：①反饋信息及時(shí)，發(fā)現(xiàn)問題第一時(shí)間采取措施，減少經(jīng)濟(jì)損失；②減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作壞境；③降低了成本，提高了工作效率；④可以遠(yuǎn)距離傳輸，不受工作地點(diǎn)限制；⑤可到達(dá)人員無法到達(dá)的地方，減少巡視人員的安全風(fēng)險(xiǎn)；⑥全地形巡視且視野范圍大，精準(zhǔn)定位(厘米級(jí))；⑦異常目標(biāo)智能識(shí)別檢測(cè)；⑧構(gòu)建管線GIS地圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。

2.2 無人機(jī)輸油管線巡檢的應(yīng)用場(chǎng)景

2.2.1 日常巡檢

識(shí)別發(fā)現(xiàn)管道中心線兩側(cè)各200 m地形地貌變化，識(shí)別滑坡、泥石流、露管、漂管等災(zāi)害跡象以及管道周邊第三方施工風(fēng)險(xiǎn)。通過機(jī)載設(shè)備自動(dòng)辨識(shí)威脅，并將目標(biāo)圖像、目標(biāo)周邊測(cè)試樁序號(hào)及行政位置(坐標(biāo))自動(dòng)推送至巡線人員手持終端APP。

2.2.2 應(yīng)急、特殊時(shí)期巡檢

應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)無人機(jī)實(shí)時(shí)傳回現(xiàn)場(chǎng)畫面，掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，必要時(shí)可搭載高音喇叭，進(jìn)行高空預(yù)警，為應(yīng)急搶險(xiǎn)提供支持，同時(shí)無人機(jī)具備懸停功能，能夠從不同角度通過調(diào)焦看清現(xiàn)場(chǎng)情況，以便后方指揮人員更好地指導(dǎo)搶險(xiǎn)工作。

對(duì)于重大節(jié)日、重要反恐時(shí)期和易發(fā)生打孔盜油地段，可使用無人機(jī)搭載高空喊話喇叭進(jìn)行巡線宣傳，同時(shí)無人機(jī)也可以搭載高強(qiáng)度射燈或者紅外相機(jī)進(jìn)行不定期夜間飛行巡護(hù)，以震懾打孔盜油不法分子，保證管道安全運(yùn)行。

2.2.3 泄漏檢測(cè)

無人機(jī)搭載甲烷氣體激光遙感探測(cè)儀全線普查，對(duì)識(shí)別的泄漏點(diǎn)信息自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，列出泄漏點(diǎn)數(shù)目、位置及泄漏點(diǎn)經(jīng)緯度等信息并實(shí)時(shí)回傳至地面接收端，實(shí)時(shí)報(bào)告。

2.2.4 周邊環(huán)境調(diào)查

無人機(jī)搭載高清攝像機(jī)拍攝管道左右200 m范圍內(nèi)的地形地貌、建構(gòu)筑物、社會(huì)環(huán)境情況形成影像資料，影像資料中標(biāo)注出管道準(zhǔn)確位置，分析報(bào)告管道周邊環(huán)境變化情況。

2.2.5 完成管理區(qū)域三維建模與數(shù)據(jù)化建設(shè)

三維GIS系統(tǒng)可生成、管理、調(diào)用、測(cè)算整個(gè)站區(qū)的電子地理信息，具備三維空間信息功能。同時(shí)支持不同地區(qū)不同站點(diǎn)的地理信息的匯總管理，對(duì)同一站點(diǎn)同一地區(qū)在不同時(shí)間拍攝獲取的地理信息，可以進(jìn)行覆蓋及信息變化檢測(cè)(如地形發(fā)生變化、人工建設(shè)或破壞、自然災(zāi)害等)。

2.3 無人機(jī)及傳感器選型

管道行業(yè)常用無人機(jī)主要有固定翼、多旋翼、固定翼-傾轉(zhuǎn)旋翼(復(fù)合翼)無人機(jī)3類。針對(duì)不同的巡檢需求，嚴(yán)選優(yōu)質(zhì)機(jī)型，合理優(yōu)化配置。不同巡檢對(duì)象無人機(jī)選型如表1所示。

表1 不同巡檢對(duì)象無人機(jī)選型

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同的傳感器類型，如表2所示。

表2 不同應(yīng)用場(chǎng)景傳感器選型

2.4 無人機(jī)巡檢作業(yè)流程

無人機(jī)巡檢方式為自動(dòng)巡檢，規(guī)劃航線后無人機(jī)自動(dòng)起飛，空中采集影像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路回傳巡檢管理平臺(tái)，再將處理完的數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心及現(xiàn)場(chǎng)人員，巡檢人員進(jìn)行異常排查確認(rèn)后上報(bào)管理中心。整個(gè)無人機(jī)管道巡檢流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)管道巡檢流程示意圖

(1)前期準(zhǔn)備工作。作業(yè)人員將無人機(jī)、地面站等設(shè)備運(yùn)至作業(yè)點(diǎn)附近開闊地，完成前期準(zhǔn)備工作，包括通信設(shè)備架設(shè)、無人機(jī)起飛前的調(diào)試檢驗(yàn)工作、在地面站軟件規(guī)劃無人機(jī)飛行線路等。通過無人機(jī)搭載的照相機(jī)可與地面站實(shí)時(shí)圖像傳輸，作業(yè)人員可觀察傳輸畫面質(zhì)量，調(diào)整無人機(jī)和相機(jī)使畫面滿足實(shí)際需求。

(2)準(zhǔn)備工作完成后，無人機(jī)可以起飛，無人機(jī)按照提前規(guī)劃好的線路自動(dòng)執(zhí)行巡檢任務(wù)，巡檢作業(yè)結(jié)束后自動(dòng)降落到指定地點(diǎn)。在這一過程中飛手實(shí)時(shí)觀察圖像傳輸情況和無人機(jī)飛行狀態(tài)。若出現(xiàn)突發(fā)意外情況，通過遙控器將飛機(jī)切換到純手動(dòng)模式，人為控制無人機(jī)降落到安全區(qū)域，然后工作人員排查并解決突發(fā)問題。

(3)巡檢結(jié)束后將無人機(jī)拍攝到的圖像或視頻傳輸?shù)诫娔X上，利用智能檢測(cè)軟件對(duì)圖像或視頻進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別分析，發(fā)現(xiàn)管線周邊的異常目標(biāo)，并自動(dòng)輸出檢測(cè)報(bào)告，便于了解統(tǒng)計(jì)管道周邊情況。

(4)異常目標(biāo)處理。智能檢測(cè)軟件將巡檢到的異常目標(biāo)數(shù)據(jù)推送至巡檢App，巡檢管理員首先接收到異常任務(wù)信息，并對(duì)異常目標(biāo)處置進(jìn)行任務(wù)分派，巡護(hù)人員移動(dòng)平臺(tái)接收到異常目標(biāo)任務(wù)信息，通過巡檢App導(dǎo)航到異常目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行異常處置，并上傳現(xiàn)場(chǎng)處理結(jié)果到管理中心，完成管線巡檢閉環(huán)管理。

2.5 無人機(jī)巡檢應(yīng)用案例

(1)應(yīng)用案例一。某企業(yè)對(duì)陜京管道山西某輸氣管道開展無人機(jī)巡護(hù)，每周一次陜京某段25 km長(zhǎng)度管道無人機(jī)巡查、巡護(hù)，每年兩次對(duì)陜京四線內(nèi)蒙古自治區(qū)某段709 km長(zhǎng)度管道無人機(jī)巡查、巡護(hù)。在國家重大活動(dòng)、特別重要時(shí)期、暴雨、地震等自然災(zāi)害后對(duì)指定管段和閥室進(jìn)行受災(zāi)情況巡查、巡護(hù)，并采集數(shù)據(jù)錄入油氣管線智能巡檢系統(tǒng)，做自動(dòng)化分析與處理，達(dá)到實(shí)況監(jiān)視的目的。

(2)應(yīng)用案例二。某企業(yè)2017年對(duì)延長(zhǎng)某油田石油管線開展無人機(jī)巡護(hù)，利用固定翼無人機(jī)搭配旋翼無人機(jī)的巡檢方式，累計(jì)巡護(hù)里程170 km，發(fā)現(xiàn)管線周邊違章建筑、水流腐蝕、坑洞等各類隱患共計(jì)98處(見表3)，將識(shí)別的安全隱患自動(dòng)生成報(bào)表，及時(shí)告知管道相關(guān)部門予以排查和處理。通過無人機(jī)巡檢的方式不僅降低了人員成本，同時(shí)提高了高風(fēng)險(xiǎn)管段和人力巡檢盲區(qū)巡檢質(zhì)量。

表3 無人機(jī)巡檢問題統(tǒng)計(jì)

2.6 無人機(jī)巡檢技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

目前，無人機(jī)在輸油管線巡檢領(lǐng)域取得了一些成績(jī)，但仍存在以下幾方面不足：①續(xù)航能力需要提升。目前多旋翼無人機(jī)電池極限時(shí)間約50 min，極限航線飛行里程約9 km，不利于提高單日飛行里程，若突破電池續(xù)航能力，有望實(shí)現(xiàn)“一站放飛、一站接收”，可更大地提高工作效率。②智能預(yù)警能力需要提升。目前圖像檢測(cè)大多停留在事后處理，這使得管道巡檢存在一定的滯后性，需要前端識(shí)別反饋感知結(jié)果更加智能及時(shí)，以及實(shí)時(shí)傳輸圖像、后臺(tái)同步識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)反饋預(yù)警及時(shí)，進(jìn)而提高管道巡檢的時(shí)效性。③任務(wù)載荷需要多樣化。對(duì)于管道輸送介質(zhì)發(fā)生的細(xì)微滲漏，地面巡檢人員可通過看、聽、聞、觸的方式察覺。無人機(jī)探測(cè)管道泄漏情況效果不盡人意，需通過紅外、可見光和高光譜等多種相機(jī)數(shù)據(jù)融合處理，不斷提升巡檢的價(jià)值。

3 結(jié)束語

無人機(jī)在輸油管線日常巡護(hù)、高后果區(qū)巡查、應(yīng)急搶險(xiǎn)等方面有很高的應(yīng)用價(jià)值，具有經(jīng)濟(jì)、高效、準(zhǔn)確和可視化等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)利用無人機(jī)完成輸油管線的巡護(hù)任務(wù)已經(jīng)在中石油、中石化、中海油和延長(zhǎng)石油相關(guān)油田和輸油管線運(yùn)維方進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，并取得了良好的收益。無人機(jī)在輸油管線巡檢領(lǐng)域應(yīng)用的深化和拓展，還需要進(jìn)一步在以下幾方面提升和加強(qiáng)：提高無人機(jī)續(xù)航能力，有效載荷多樣化、小型化，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和有效距離，提升數(shù)據(jù)處理智能化自動(dòng)化水平，輸油管線風(fēng)險(xiǎn)及安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)化等。