齊健龍 徐蔥蔥 劉少柱 畢 博 薛焰文 滕延平

1. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司, 河北 廊坊 065000;2. 中國(guó)石油管道局工程有限公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

油氣長(zhǎng)輸管道具有線路長(zhǎng)、途經(jīng)環(huán)境區(qū)域復(fù)雜的特點(diǎn),一旦管道本體發(fā)生失效會(huì)造成輸送介質(zhì)泄漏或管線燃爆等嚴(yán)重事故,給社會(huì)公眾安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來(lái)巨大損失。油氣管道應(yīng)急處置是恢復(fù)管道生產(chǎn)運(yùn)行、降低事故影響的必要手段。管道事故發(fā)生后,應(yīng)急處置的準(zhǔn)確性、時(shí)效性是關(guān)鍵,因此,需要及時(shí)了解事故現(xiàn)場(chǎng)情況,掌握周邊環(huán)境信息,實(shí)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)與應(yīng)急指揮中心的信息傳遞等,為做出應(yīng)急決策及編制切實(shí)可行的處置方案提供依據(jù)。但油氣管道事故現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜、環(huán)境多變,尤其是發(fā)生因洪水等自然災(zāi)害導(dǎo)致的管道失效事故時(shí),人員車輛難以進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng),無(wú)法及時(shí)獲取周邊情況等,直接影響管道的應(yīng)急處置。

無(wú)人機(jī)具有高視角、便于攜帶、易組建、可遠(yuǎn)傳等特點(diǎn),目前在各領(lǐng)域得到了廣泛使用,如在四川木里、西昌火災(zāi)中,無(wú)人機(jī)獲取熱紅外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),持續(xù)為火災(zāi)撲救提供測(cè)繪應(yīng)急保障;在油氣管道線路巡檢中，利用無(wú)人機(jī)作為載體,搭載感知設(shè)備,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)智能巡檢等[1-4]。鑒于以上,為進(jìn)一步提高油氣管道應(yīng)急處置能力,圍繞應(yīng)急場(chǎng)景需求,結(jié)合無(wú)人機(jī)特點(diǎn),有必要探索無(wú)人機(jī)在油氣管道應(yīng)急場(chǎng)景中的應(yīng)用,為油氣管道突發(fā)事件應(yīng)對(duì)提供參考[5-6]。

1 無(wú)人機(jī)技術(shù)概況

無(wú)人機(jī)是一種由遙控設(shè)備控制或是按照程序飛行的飛行器,無(wú)人機(jī)與微型遙感等技術(shù)的結(jié)合更是擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。按照用途,無(wú)人機(jī)可分為軍用無(wú)人機(jī)和民用無(wú)人機(jī),目前民用無(wú)人機(jī)擔(dān)負(fù)起地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、救援指揮、勘探測(cè)繪以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等重任。按照機(jī)型,無(wú)人機(jī)可分為多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇、傘翼無(wú)人機(jī)和撲翼式無(wú)人機(jī)等[7-9]。多旋翼無(wú)人機(jī)具有機(jī)械簡(jiǎn)單、能垂直起降的優(yōu)點(diǎn),但其續(xù)航時(shí)間短,載荷小;固定翼無(wú)人機(jī)起降需要助跑或滑行,但續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),載荷大;無(wú)人飛艇類似于熱氣球,具有推進(jìn)和控制裝置,是一種理想的空中平臺(tái),但其體積較大;傘翼無(wú)人機(jī)利用迎面氣流產(chǎn)生升力起升且需要跑道;撲翼式無(wú)人機(jī)技術(shù)研究還未成熟,材料要求高,不適用于應(yīng)急場(chǎng)景[10-12]。目前應(yīng)用于管道管理的無(wú)人機(jī)機(jī)型主要有多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī),從機(jī)動(dòng)性和靈活性上考慮,最適宜于應(yīng)急場(chǎng)景的無(wú)人機(jī)為電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī),常見(jiàn)為六旋翼無(wú)人機(jī)或四旋翼無(wú)人機(jī),能夠適應(yīng)復(fù)雜飛行場(chǎng)景[13-15]。

目前國(guó)內(nèi)外積極開(kāi)展無(wú)人機(jī)在油氣管道領(lǐng)域的探索應(yīng)用,部分已配備專業(yè)隊(duì)伍,建立無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng),但在應(yīng)急場(chǎng)景中使用較少。與管道巡檢相比,應(yīng)急場(chǎng)景中要求無(wú)人機(jī)具有時(shí)效性、安全穩(wěn)定性,第一時(shí)間建立圖傳通道,提供現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面,必要時(shí)采用掛載功能輔助現(xiàn)場(chǎng)搶修,為指導(dǎo)搶修作業(yè),制定搶修方案提供輔助。

2 行業(yè)應(yīng)用分析

BP公司自2006年起開(kāi)展無(wú)人機(jī)在油氣管道行業(yè)應(yīng)用的研究,并于2014年在美國(guó)阿拉斯加管道上進(jìn)行了試驗(yàn)性的無(wú)人機(jī)巡線,通過(guò)使用搭載高清晰度攝像頭及熱力傳感器等,對(duì)復(fù)雜自然環(huán)境中的管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)與安全監(jiān)控。小松于2015年開(kāi)展智能施工(Smart Construction)項(xiàng)目應(yīng)用,將智能化技術(shù)應(yīng)用于挖掘機(jī)、推土機(jī)等產(chǎn)品,目前已在1 000多個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。智能施工技術(shù)將無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、3D畫(huà)面分析、施工方案制定等進(jìn)行融合,充分體現(xiàn)了小松無(wú)人化機(jī)械設(shè)備的概念。相比傳統(tǒng)測(cè)繪方式，施工前采用無(wú)人機(jī)智能測(cè)繪,不僅可以大幅縮減人力物力，縮短工期,還可以獲得高精度三維現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),從而制定更加準(zhǔn)確詳實(shí)的施工方案,然后將測(cè)繪數(shù)據(jù)上傳到小松云,對(duì)施工數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),實(shí)現(xiàn)施工土方量計(jì)算,編制施工進(jìn)展圖。Gazprom天然氣管道公司在2018年使用ZALA AERO公司開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行管道線路巡檢,該無(wú)人機(jī)配置了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字遙測(cè)系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng),可以攜帶各種無(wú)線成像儀、導(dǎo)航燈、測(cè)距儀以及若干類型的傳感器。

近年來(lái),中國(guó)開(kāi)始將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于管道行業(yè),如山區(qū)管道巡檢、近海油氣管道監(jiān)視、災(zāi)后次生災(zāi)害評(píng)價(jià),漏油和盜油點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)定位等[16-17]。現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)在管道巡檢領(lǐng)域應(yīng)用較多,主要配置包括紅外成像和熱成像儀,用于拍照和攝像,識(shí)別管道威脅事件,以及管道周邊植被狀態(tài)和土壤侵蝕程度;差分吸收激光器和紅外攝像機(jī)可用于天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)等。隨著無(wú)人機(jī)與其他技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合,無(wú)人機(jī)在油氣管道行業(yè)其他領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用。

3 應(yīng)急場(chǎng)景功能實(shí)現(xiàn)

3.1 圖傳輔助決策

在油氣長(zhǎng)輸管道應(yīng)急場(chǎng)景中,地面操作人員遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空、低度飛行,通過(guò)攝像機(jī)等實(shí)時(shí)采集傳輸高清晰攝像畫(huà)面,能夠清晰觀察到管道周邊情況,從而為管道突發(fā)事件定性、制定應(yīng)急措施、現(xiàn)場(chǎng)搶修、后續(xù)理賠等提供重要依據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)功能如下。

1)尋找搶修路由。在村莊、山區(qū)、水網(wǎng)地區(qū),尤其是汛后水淹路段、封村封路地段、限高限寬路段,可利用無(wú)人機(jī)及時(shí)查找搶修進(jìn)場(chǎng)路由,協(xié)助搶修車輛人員進(jìn)場(chǎng),開(kāi)展搶修作業(yè)。

2)探知周邊風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)人口密集地、水源地、穿越特殊地段高后果區(qū)以及險(xiǎn)工險(xiǎn)段,通過(guò)無(wú)人機(jī)可及時(shí)掌握周邊環(huán)境狀況,協(xié)助判定風(fēng)險(xiǎn),制定消減措施。

3)監(jiān)控溢油形勢(shì)。在輸油管道發(fā)生泄漏時(shí),無(wú)人機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控油品泄漏情況,如溢油進(jìn)入水域可及時(shí)跟蹤油流情況,并對(duì)沿線水域情況、進(jìn)場(chǎng)道路情況、圍油欄布控點(diǎn)設(shè)置等進(jìn)行確認(rèn),及時(shí)在下游端采取措施,控制油品擴(kuò)散范圍,從而減小油品對(duì)土壤、水體的污染。

4)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程指揮。啟動(dòng)公司應(yīng)急響應(yīng)后,可通過(guò)無(wú)人機(jī)建立傳輸通道,遠(yuǎn)傳現(xiàn)場(chǎng)視頻,更加全面、形象地展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景,為現(xiàn)場(chǎng)指揮以及遠(yuǎn)程指揮提供決策依據(jù)。

5)輔助現(xiàn)場(chǎng)理賠。搶修處置前,需要修筑搶修道路,開(kāi)挖作業(yè)坑,往往涉及林地、農(nóng)田、魚(yú)塘等,為節(jié)約搶修時(shí)間,搶修作業(yè)基本都是先搶修后賠償。在搶修前,使用無(wú)人機(jī)航拍,可留存原地貌特征,為后續(xù)農(nóng)作物損失、占地等賠償工作提供影像依據(jù),減少企地糾紛。

3.2 外攜輔助現(xiàn)場(chǎng)處置

通過(guò)無(wú)人機(jī)吊艙掛載功能,可疊加可燃?xì)怏w檢測(cè)儀、紅外夜視攝像頭、紅外熱成像攝像頭、喊話器、照明燈等,實(shí)現(xiàn)多種功能,輔助現(xiàn)場(chǎng)搶修處置。

1)物資投放。在應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí),無(wú)人機(jī)可攜帶小重量的應(yīng)急物資快速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并投放。如針對(duì)穿越河流段等管道,可以采用無(wú)人機(jī)將輕質(zhì)繩索運(yùn)至對(duì)岸,通過(guò)繩索拖拽將光纜等送至對(duì)岸,實(shí)現(xiàn)洪水沖斷光纜的搶修作業(yè)。

2)現(xiàn)場(chǎng)照明支持。可攜帶照明設(shè)施為地面提供照明,夜間一架無(wú)人機(jī)在30 m高空中懸停的燈光有效地面照射面積可達(dá)80 m2。

3)喊話疏散。在人口密集高后果區(qū),可以利用喊話器在第一時(shí)間對(duì)人員進(jìn)行引導(dǎo)疏散。喊話器工作時(shí)最大音量為90 dB,通訊距離為4 km。

3.3 外接平臺(tái)集成功能

通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、采集儀器,再通過(guò)外部平臺(tái)、軟件實(shí)現(xiàn)功能集成。

1)基礎(chǔ)測(cè)繪測(cè)量功能。通過(guò)設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行航線,對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪,通過(guò)將航拍成果數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理可以更為準(zhǔn)確地核定災(zāi)害損失。

2)快速三維建模功能。無(wú)人機(jī)懸掛多鏡頭數(shù)據(jù)采集儀,在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),系統(tǒng)內(nèi)置快速合成軟件及單機(jī)版應(yīng)用系統(tǒng),實(shí)時(shí)自動(dòng)合成現(xiàn)場(chǎng)三維實(shí)景模型,省去數(shù)據(jù)回傳的時(shí)間,可在較短時(shí)間內(nèi)生成三維圖像,并進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用,如計(jì)算施工土方量等。

4 無(wú)人機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)踐

4.1 遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)構(gòu)建

無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)、攝像頭(普通、紅外夜視或紅外熱成像攝像頭)、地面接收站、CPE無(wú)線路由器、無(wú)線通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、指揮終端等,具體系統(tǒng)構(gòu)建見(jiàn)圖1。無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載各種航拍攝像頭,可實(shí)現(xiàn)全天候攝像采集,航拍畫(huà)面通過(guò)無(wú)線傳輸方式傳輸?shù)降孛娼邮照?經(jīng)CPE無(wú)線路由器轉(zhuǎn)化,以4G/5G移動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器,最終到達(dá)指揮終端,實(shí)現(xiàn)在應(yīng)急指揮大廳等的實(shí)時(shí)播放。另外,通過(guò)開(kāi)發(fā)手機(jī)APP,可實(shí)現(xiàn)手機(jī)端遠(yuǎn)傳呈現(xiàn),提高移動(dòng)應(yīng)急能力建設(shè)水平。

圖1 遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)構(gòu)建圖

4.2 圖像合成系統(tǒng)構(gòu)建

目前無(wú)人機(jī)拍攝的單張航拍圖像所展示信息有限,無(wú)法展現(xiàn)管道周邊全部的環(huán)境特征。為了獲取更大范圍的圖像信息,開(kāi)展圖像合成系統(tǒng)的構(gòu)建,采用在無(wú)人機(jī)上搭載Altizure自動(dòng)航拍軟件獲取基礎(chǔ)圖像數(shù)據(jù),使用Pix4 Dmapper計(jì)算軟件進(jìn)行圖像合成。

4.2.1 基礎(chǔ)圖像采集

無(wú)人機(jī)可在設(shè)定路徑上飛行并進(jìn)行定時(shí)拍攝圖像,基于Altizure軟件的自動(dòng)航拍功能,通過(guò)選擇不同的航拍角度,可以拍攝與地面不同角度的圖像,用于生成正射圖和斜射圖。執(zhí)行航拍任務(wù)前，首先在地圖上選定一個(gè)區(qū)域設(shè)置長(zhǎng)寬,限制無(wú)人機(jī)僅在該區(qū)域內(nèi)飛行,設(shè)置航向重疊率和旁向重疊率,確保拍攝的每張照片存在重合區(qū)域。設(shè)置航向重疊率為65%,旁向重疊率為50%,在所選區(qū)域內(nèi)Altizure軟件將會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生5條航線,進(jìn)行圖像采集[18-19],見(jiàn)圖2。

圖2 Altizure軟件航線設(shè)置界面圖

4.2.2 圖像合成

基于Pix4 Dmapper的測(cè)繪測(cè)量功能,可處理無(wú)人機(jī)拍攝的圖像資料,生成高精度的二維地圖或三維模型,根據(jù)需求輸出三維點(diǎn)云、數(shù)字模型、三維模型、正射影像等合成圖像[20]。系統(tǒng)采用無(wú)人機(jī)外接計(jì)算機(jī)處理器中的Pix4 Dmapper實(shí)現(xiàn)航拍基礎(chǔ)圖像的處理,通過(guò)添加圖像、設(shè)置POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)系,進(jìn)行計(jì)算合成。圖像初始化處理后會(huì)生成報(bào)告,可以看到計(jì)算的質(zhì)量信息,包括面積、連接點(diǎn)數(shù)量、相機(jī)畸變參數(shù)等,最終輸出合成圖像。采用正射影像功能,經(jīng)Pix4 Dmapper合成之后,可以展現(xiàn)管道周邊大范圍區(qū)域內(nèi)平面圖像信息,有助于及時(shí)快速掌握管道周邊全部環(huán)境信息,為應(yīng)急決策提供數(shù)據(jù)支持,見(jiàn)圖3。

圖3 合成正射圖像

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

國(guó)家管網(wǎng)某管道公司在所轄多輛應(yīng)急衛(wèi)星通信車上均配備了無(wú)人機(jī),實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)在油氣管道應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮平臺(tái)的應(yīng)用,并在多次應(yīng)急演練、搶險(xiǎn)作業(yè)中得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程手動(dòng)操作無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載攝像設(shè)備進(jìn)行圖像采集、圖像合成、實(shí)時(shí)展示,并通過(guò)4G移動(dòng)信號(hào)將圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)綉?yīng)急指揮大廳,為決策判斷提供信息支持,見(jiàn)圖4。下一步,將通過(guò)搭載智能芯片實(shí)現(xiàn)按照設(shè)計(jì)路線自動(dòng)開(kāi)展巡航等功能。

圖4 無(wú)人機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)圖

5 結(jié)論及建議

無(wú)人機(jī)在油氣管道應(yīng)急搶險(xiǎn)中具有效率高、機(jī)動(dòng)靈活、高視角等優(yōu)點(diǎn),可以承擔(dān)應(yīng)急高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景中的探查、圖像遠(yuǎn)傳、輔助作業(yè)等,可在人員車輛無(wú)法到場(chǎng)的情況下,及時(shí)掌握有效信息,搭建信息傳輸通道,為應(yīng)急決策及處置提供依據(jù),彌補(bǔ)了目前常用應(yīng)急通信車等建立遠(yuǎn)傳通道的不足。此外,無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載外部系統(tǒng)平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測(cè)繪測(cè)量、三維建模等功能,在事故災(zāi)害評(píng)估、應(yīng)急數(shù)據(jù)支持中也發(fā)揮著顯著作用。目前,無(wú)人機(jī)在應(yīng)急場(chǎng)景中的應(yīng)用還處于起步階段,并且受國(guó)家空中管制、需要巡飛資質(zhì)、電池續(xù)航時(shí)間短等因素制約,建議從無(wú)人機(jī)技術(shù)和管理等層面開(kāi)展研究,如采用線束直供電解決續(xù)航時(shí)間問(wèn)題等,促進(jìn)無(wú)人機(jī)在油氣管道應(yīng)急場(chǎng)景中進(jìn)一步發(fā)揮作用。