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        輸油管線巡檢無人機(jī)造型設(shè)計研究

        2023-07-06 15:06:13朱力徐江華
        藝術(shù)科技 2023年13期
        關(guān)鍵詞:模塊化設(shè)計造型設(shè)計無人機(jī)

        朱力 徐江華

        摘要:輸油管線巡檢無人機(jī)屬于工業(yè)無人機(jī),用于智能化巡檢,取代人工巡檢,目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各大油氣公司。文章研究輸油管線巡檢無人機(jī)的造型設(shè)計,具有以下三方面重要意義:一是有利于從造型方面優(yōu)化我國無人機(jī),促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)增值;二是從工業(yè)設(shè)計的角度研究無人機(jī)造型,填補(bǔ)我國相關(guān)研究的空白;三是有利于為我國輸油管線巡檢無人機(jī)造型設(shè)計提供新思路。利用無人機(jī)進(jìn)行智能化巡檢后,雖然大大提高了巡檢效率,但目前并沒有專為巡檢任務(wù)設(shè)計的無人機(jī),利用現(xiàn)有工業(yè)無人機(jī)改裝后的巡檢無人機(jī),不論是在造型還是在工作效率上都遠(yuǎn)不及成熟產(chǎn)品;同時由于設(shè)備之間不適配,因此人機(jī)之間存在安全隱患?;诖耍恼虏捎卯a(chǎn)品造型語義學(xué)以及模塊化設(shè)計理論,針對目前輸油管線巡檢無人機(jī)存在的問題進(jìn)行設(shè)計改良,根據(jù)模塊化設(shè)計理論,綜合考量巡檢無人機(jī)在不同作業(yè)任務(wù)中的功能選擇,將功能模塊均設(shè)計成可任意組合的功能模組,便于針對不同任務(wù)進(jìn)行裝配。文章梳理研究巡檢無人機(jī)相關(guān)文獻(xiàn),并通過對比實際市場產(chǎn)品,得出巡檢無人機(jī)未來設(shè)計趨勢,歸納出相關(guān)設(shè)計方法。

        關(guān)鍵詞:無人機(jī);造型設(shè)計;模塊化設(shè)計;產(chǎn)品語義學(xué)

        中圖分類號:V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004-9436(2023)13-0-03

        1 研究背景及意義

        1.1 研究背景

        1.1.1 國家戰(zhàn)略

        無人機(jī)產(chǎn)業(yè)是衡量國家高端制造業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。2017年12月頒布的《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范民用無人機(jī)制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提到,到2025年,民用無人機(jī)行業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1800億元,年均增速在25%以上,產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、企業(yè)實力持續(xù)保持國際領(lǐng)先勢頭。2022年1月印發(fā)的《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中提到,我國將大力引導(dǎo)無人機(jī)創(chuàng)新發(fā)展,鼓勵建設(shè)一批創(chuàng)新平臺,支持以無人機(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈為重點(diǎn)的低空經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)建設(shè)。

        1.1.2 社會發(fā)展

        油氣管道是國家能源的重要組成部分,安全性至關(guān)重要,需要投入較高成本進(jìn)行巡檢和維護(hù)。現(xiàn)代化巡檢和維護(hù)的目標(biāo)是提高油氣管道運(yùn)營的安全性,同時降低成本。然而,傳統(tǒng)手段在油氣管道巡檢中難以同時降低成本和提升安全性。我國油氣管道建設(shè)年代跨度大、分布廣、穿越地形復(fù)雜,傳統(tǒng)的巡檢方法已經(jīng)無法滿足要求。因此,無人機(jī)智能化巡檢已成為未來輸油管線巡檢的趨勢。

        1.2 研究意義

        目前,國家管網(wǎng)集團(tuán)在役油氣長輸管道總長度約94 000千米,這些管道跨度大、分布范圍廣、穿越地形復(fù)雜,存在諸多安全隱患。傳統(tǒng)的人工巡檢方式成本高、效率低,對復(fù)雜環(huán)境和突發(fā)情況下的巡檢存在很大的局限性。

        由于不同管線線路和巡檢任務(wù)的不同,所以無人機(jī)所需配置的功能也不盡相同。目前市面上并沒有專為輸油管線巡檢而設(shè)計的工業(yè)級巡檢無人機(jī),無人機(jī)的整體造型、重量和尺寸都存在不足。

        2 文獻(xiàn)綜述

        本文參考的文獻(xiàn)主要分為三個方面:無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀、巡檢無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀以及無人機(jī)造型設(shè)計現(xiàn)狀。

        2.1 無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

        2.1.1 無人機(jī)發(fā)展規(guī)模

        根據(jù)動力來源和支撐方式的不同,無人機(jī)可以分為旋翼和固定翼兩種類型。此外,根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,可以分為民用無人機(jī)和工業(yè)無人機(jī)兩類。在國家政策的支持和行業(yè)發(fā)展的推動下,我國商用、民用以及軍用無人機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展,目前在全球已達(dá)到領(lǐng)先水準(zhǔn)[1]。

        2.1.2 無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

        第一,交通領(lǐng)域。2018年公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基于無人機(jī)駕駛航空器的道路交通巡邏系統(tǒng)通用技術(shù)條件》的實施,使利用無人機(jī)進(jìn)行違法行為取證、交通流量監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤及聲光提示擁有了可能。

        第二,建筑領(lǐng)域。無人機(jī)拍攝視角的變化,可以產(chǎn)出不同于人拍攝出的視覺效果,再利用三位三維模型建模,得到更清晰的地形特征,優(yōu)化視覺效果。

        第三,巡檢領(lǐng)域。無人機(jī)巡檢可提升管線巡查的工作效率,如查看管線周邊綠化情況、管線通順情況、設(shè)施是否破損或標(biāo)志牌是否丟失等。

        2.2 巡檢無人機(jī)研究現(xiàn)狀

        2.2.1 巡檢無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

        通過CiteSpace搜索關(guān)鍵詞“巡檢無人機(jī)”,抓取國內(nèi)巡檢無人機(jī)的相關(guān)學(xué)術(shù)成果,得出表1。

        現(xiàn)階段,無人機(jī)巡檢僅作為備用手段以彌補(bǔ)人工巡檢的不足,但在未來可完全替代人工巡檢。無人機(jī)可克服地形障礙,實時采集各類數(shù)據(jù)、預(yù)警安全隱患,同時通過AI對比分析主動掌握周邊地理信息[2]。

        2.2.2 巡檢無人機(jī)發(fā)展趨勢

        (1)智能化。機(jī)器視覺、人工智能和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用賦能無人機(jī)行業(yè),提升了智能化水平、產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品工作效率。在這些技術(shù)的加持下,無人機(jī)的適用范圍擴(kuò)大,可以在各個行業(yè)應(yīng)用,更好地為用戶提供解決方案。

        (2)去飛手化。隨著4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和信息化技術(shù)的大量應(yīng)用,無人機(jī)可以通過紅外傳感器對環(huán)境進(jìn)行分析感知,通過遠(yuǎn)程進(jìn)行控制和擁有無人機(jī)芯片AI自主學(xué)習(xí)功能。無人機(jī)的智能化水平將繼續(xù)提高,為未來的應(yīng)用提供更多可能性,包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、救援、軍事等領(lǐng)域。

        (3)平臺/體系化。隨著相關(guān)技術(shù)的開發(fā),無人機(jī)采集的圖像從二維圖像發(fā)展至三維圖像,實現(xiàn)了在空中進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控?,F(xiàn)在,無人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)形成了一個非常完整且有閉環(huán)的作業(yè)平臺、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和后臺應(yīng)用管理系統(tǒng),以配合工作人員指揮和信息化需求。

        2.3 無人機(jī)造型設(shè)計研究現(xiàn)狀

        隨著各個時期動力、材料等科技的發(fā)展,無人機(jī)的造型經(jīng)歷了三個主要階段。第一個階段是功能主義導(dǎo)向期,這一時期的無人機(jī)設(shè)計重點(diǎn)在于功能性,強(qiáng)調(diào)實用性與性能,忽略了外形美感。第二個階段是空氣動力學(xué)發(fā)展期,隨著對空氣動力學(xué)的深入研究,進(jìn)一步優(yōu)化了造型,提高了空氣動力學(xué)效率[3]。第三個階段是工業(yè)設(shè)計融入期,這一時期工業(yè)設(shè)計與航空科學(xué)、創(chuàng)意與工程技術(shù)交叉融合,實現(xiàn)了無人機(jī)從概念數(shù)字模型到實體的一體化。這些趨勢使無人機(jī)不僅在性能方面不斷提升,而且在造型設(shè)計上有了更多的選擇和可能性[4]。

        2.4 市場產(chǎn)品案例分析

        3 研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)

        3.1 研究目的

        由于巡檢工作內(nèi)容不同,所以每次巡檢任務(wù)所需配置的功能也不相同,在執(zhí)行任務(wù)之前要按任務(wù)需求定制安裝。選裝設(shè)備的不適配性以及無人機(jī)機(jī)身的復(fù)雜性,使非專業(yè)飛手在裝配或檢修無人機(jī)時,不能順利地解決問題或達(dá)成目的,間接影響巡檢作業(yè)效率[5]。

        針對這些問題,本文開展兩方面的設(shè)計研究:一是巡檢無人機(jī)造型外觀設(shè)計研究,二是巡檢無人機(jī)模塊化設(shè)計研究。

        3.2 研究內(nèi)容

        3.2.1 管線巡檢無人機(jī)造型設(shè)計研究

        為優(yōu)化工業(yè)無人機(jī)造型,同時減少加配設(shè)備對無人機(jī)作業(yè)效率的影響,重新設(shè)計巡檢無人機(jī)造型。通過產(chǎn)品語義學(xué)研究無人機(jī)造型趨勢,根據(jù)民眾對無人機(jī)的造型認(rèn)知,降低民眾在不了解無人機(jī)作業(yè)時的戒備心和防范心,確保無人機(jī)在作業(yè)時的社會安全性[6]。

        3.2.2 管線巡檢無人機(jī)功能模塊化設(shè)計研究

        目前并沒有專為巡檢任務(wù)而設(shè)計的專業(yè)無人機(jī),負(fù)責(zé)巡檢任務(wù)的無人機(jī)均為采購的商業(yè)無人機(jī),再針對不同巡檢任務(wù)進(jìn)行二次改裝、加配設(shè)備。因此,本文對巡檢無人機(jī)所需模塊進(jìn)行總結(jié)分析,將其設(shè)計成通用的設(shè)備模塊(見圖3),使工作人員在拆卸或安裝無人機(jī)時更加容易,同時減少維修成本[7]。

        4 研究方法與技術(shù)路徑

        4.1 產(chǎn)品語義學(xué)

        產(chǎn)品語義學(xué)起源于1983年,由德國的布特教授和美國的克里彭多夫教授共同提出。該領(lǐng)域研究如何根據(jù)不同的使用情景,將工業(yè)設(shè)計融入產(chǎn)品的象征意義。產(chǎn)品語義學(xué)主要有四個原則。

        邏輯性原則要求設(shè)計師考慮使用者的邏輯思維,使產(chǎn)品表達(dá)的形式在用戶可認(rèn)知的范圍內(nèi)。

        適用性原則要求設(shè)計師不僅要提升對產(chǎn)品的認(rèn)知,還要隨著技術(shù)的革新和人類審美的變化不斷更新設(shè)計理念。

        傳承性原則要求在新產(chǎn)品開發(fā)中,不僅考慮到產(chǎn)品的更新和創(chuàng)新,還考慮到老產(chǎn)品的各種特征形態(tài),從而更好地展現(xiàn)品牌價值以及品牌產(chǎn)品的更新迭代過程。

        遵循造型美原則,有利于展現(xiàn)產(chǎn)品的實際用途。設(shè)計師要在滿足產(chǎn)品功能需求的基礎(chǔ)上,注重產(chǎn)品造型的美學(xué)設(shè)計,使產(chǎn)品具備更強(qiáng)的美感和視覺沖擊力[8]。

        4.2 模塊化設(shè)計理論

        模塊化設(shè)計是指按照功能或結(jié)構(gòu)劃分產(chǎn)品的生產(chǎn)要素,并形成通用模塊和專用模塊兩個部分,通過組合劃分來設(shè)計具有多種不同功能的全新產(chǎn)品,以滿足用戶和市場需求。這一設(shè)計理念在推動科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的同時,在一定程度上促進(jìn)了人類進(jìn)化和社會發(fā)展。

        科學(xué)的模塊劃分是無人機(jī)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。模塊化設(shè)計使無人機(jī)的組裝更為靈活和高效,還降低了生產(chǎn)成本。同時,標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計和生產(chǎn)過程有助于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。通過對模塊的優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化,制造商可以更容易地進(jìn)行批量生產(chǎn),減少生產(chǎn)過程中的錯誤和浪費(fèi)。因此,科學(xué)的模塊劃分不僅可以優(yōu)化無人機(jī)的性能和外觀,還可以實現(xiàn)高效生產(chǎn)和降低成本。

        5 結(jié)語

        巡檢無人機(jī)模塊化設(shè)計解決方案集中在無人機(jī)功能方面,依據(jù)層次分析法對無人機(jī)功能進(jìn)行排序,將各個功能模塊設(shè)計為可替換、通用性強(qiáng)、安裝拆卸簡單的獨(dú)立模組。造型設(shè)計解決方案主要為市場調(diào)研與實地尋訪,要滿足無人機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)要求,也要考慮到民眾對無人機(jī)造型的認(rèn)知習(xí)慣。依據(jù)這些設(shè)計方法所設(shè)計的輸油管線巡檢無人機(jī),能夠滿足產(chǎn)品社會安全性、產(chǎn)品便攜性、功能模塊簡潔易拆卸維修等要求。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 陳永燦. 2020—2021年中國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究年度報告[J].機(jī)器人產(chǎn)業(yè),2021(5):74-85.

        [2] 杜懷林.無人機(jī)技術(shù)在油氣長輸管道巡檢中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2021(7):55-56.

        [3] 李誠龍.多旋翼無人機(jī)高空飛行穩(wěn)定控制問題研究[D].杭州:浙江大學(xué),2016.

        [4] 賀興柱.多涵道無人機(jī)總體設(shè)計及氣動特性分析[D].長春:吉林大學(xué),2014.

        [5] 劉貴.山西油氣管道政府管理保護(hù)研究[D].太原:山西大學(xué),2018.

        [6] 郝維東.仿生視角下軍用運(yùn)輸無人機(jī)造型優(yōu)化設(shè)計[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2021.

        [7] 張攀娜.基于產(chǎn)品語義學(xué)的機(jī)械產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2014.

        [8] 王瑋劍.基于感性意象的城市警用無人機(jī)設(shè)計研究[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2018.

        作者簡介:朱力(1998—),男,上海人,碩士在讀,研究方向:產(chǎn)品造型藝術(shù)與應(yīng)用實踐。

        徐江華(1977—),男,湖北荊州人,博士,教授,研究方向:航空裝備設(shè)計、大飛機(jī)客艙舒適性設(shè)計。

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