吳杰，劉洋，田明亮，易欣，劉翔，楊璟辰，賴帝丞

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

隨著工業(yè)化水平逐年提高，天然氣作為一種清潔能源，其在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的占比也在逐年增加。根據(jù)《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025 年，我國(guó)油氣管網(wǎng)里程將達(dá)到24×104km[1]。管道里程數(shù)的快速增加，使得管道面臨的風(fēng)險(xiǎn)也在日益增多，如第三方破壞、泥石流、落石、滑坡等，這些事故不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞管道本體安全，還會(huì)嚴(yán)重威脅管道周?chē)用裆?cái)產(chǎn)安全。

無(wú)人機(jī)作為一種新興的探測(cè)設(shè)備，由于其具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)，在管道安全領(lǐng)域使用越來(lái)越廣泛。目前，油氣行業(yè)使用的無(wú)人機(jī)主要有三種，分別是固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)以及旋翼無(wú)人機(jī)。固定翼無(wú)人機(jī)一般用于長(zhǎng)輸管線日常巡檢及定點(diǎn)核查；無(wú)人直升機(jī)一般用于環(huán)境(天氣、地質(zhì))惡劣時(shí)的巡檢任務(wù)；旋翼無(wú)人機(jī)一般用于小范圍內(nèi)開(kāi)展巡檢工作。

眾多學(xué)者也針對(duì)無(wú)人機(jī)開(kāi)展了應(yīng)用研究。陳兆龍等[2]提出一種無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將無(wú)人機(jī)采集的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并識(shí)別出危險(xiǎn)因素，然后將危險(xiǎn)因素的信息和位置發(fā)送至后臺(tái)。張秀璋[3]設(shè)計(jì)了使用無(wú)人機(jī)搭載高清攝像頭和激光甲烷遙測(cè)設(shè)備開(kāi)展城市燃?xì)夤芫€巡檢的方案，認(rèn)為該方案比人工巡檢方式更為有效。田明亮[4]使用無(wú)人機(jī)開(kāi)展山區(qū)天然氣管道巡檢，可以有效識(shí)別管道周?chē)ｋU(xiǎn)因素，保證管道安全、平穩(wěn)運(yùn)行。畢娜等[5]用無(wú)人機(jī)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害勘測(cè)，詳細(xì)介紹了勘測(cè)系統(tǒng)的組成及應(yīng)用效果，取得了較好的成果。

可以看出，目前無(wú)人機(jī)主要用于開(kāi)展管道巡檢作業(yè)，對(duì)管道保護(hù)中的其他業(yè)務(wù)如維搶修作業(yè)等，描述的文獻(xiàn)較少。本文基于企業(yè)管道業(yè)務(wù)需求，針對(duì)無(wú)人機(jī)可以高空懸停的特點(diǎn)，提出一種無(wú)人機(jī)在管道應(yīng)急搶險(xiǎn)中的應(yīng)用方案，可以為管道維搶修作業(yè)提供便利。

2 無(wú)人機(jī)功能及相關(guān)技術(shù)

2.1 無(wú)人機(jī)功能設(shè)計(jì)

以某管道公司為例，該公司所轄管道途經(jīng)地段環(huán)境變化較大，既有陡峭崎嶇的山地，也有遍地泥濘的水域，還有人類(lèi)活動(dòng)頻繁的郊區(qū)。同時(shí)由于地處沿海省份的原因，每年7—9 月都會(huì)經(jīng)受臺(tái)風(fēng)的洗禮，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，給管道安全造成嚴(yán)重威脅。每次臺(tái)風(fēng)過(guò)后，該公司都會(huì)安排專(zhuān)人開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)巡檢作業(yè)，一旦發(fā)現(xiàn)管道處于裸露、懸空等不安全狀態(tài)，便會(huì)立即開(kāi)展應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)。

根據(jù)管道應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)需求，無(wú)人機(jī)的功能應(yīng)包括空中懸停、照明、定點(diǎn)核查、泄漏檢測(cè)、土方測(cè)量、行為識(shí)別、實(shí)時(shí)視頻等。

2.2 相關(guān)技術(shù)

2.2.1 泄漏檢測(cè)技術(shù)

激光檢測(cè)器是利用可調(diào)諧激光吸收譜技術(shù)(TDLAS)開(kāi)發(fā)的一款天然氣泄漏檢測(cè)裝置，其原理是不同種類(lèi)、濃度的氣體對(duì)激光的吸收能力存在差異，該設(shè)備主要包含三個(gè)部分，即激光發(fā)生器、探測(cè)器、透鏡。激光發(fā)生器向被檢測(cè)區(qū)域發(fā)射一束激光，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)存在天然氣時(shí)，該激光會(huì)被天然氣的主要成分(甲烷)吸收，降低了探測(cè)器檢測(cè)到的激光強(qiáng)度。由于氣體對(duì)激光的吸收能力受到濃度的影響，因此可以根據(jù)激光強(qiáng)度的減弱程度得到該區(qū)域內(nèi)的天然氣濃度，濃度值達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)探測(cè)器就會(huì)發(fā)出報(bào)警。

2.2.2 視覺(jué)行為識(shí)別技術(shù)

近幾年，視覺(jué)行為識(shí)別技術(shù)在管道行業(yè)逐漸興起，它是通過(guò)將拍攝到的外部影像信息與樣本庫(kù)中各個(gè)事件、行為的特征進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)因素的技術(shù)。

識(shí)別流程共分為4 個(gè)步驟：(1)建立管道周?chē)ｋU(xiǎn)因素、事件、物體的特征庫(kù)，如挖掘機(jī)、塌方、落石、不規(guī)范作業(yè)等，分析它們?cè)诤脚慕嵌认碌膱D像特征；(2)讀取無(wú)人機(jī)攝像頭拍攝的視頻資料，并將這些視頻材料轉(zhuǎn)化為圖片；(3)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式提取圖片中的實(shí)體特征；(4)將圖片與樣本庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，若出現(xiàn)相似特征，則判斷管道周?chē)嬖诋惓?，并將結(jié)果推送至電腦或手機(jī)客戶端，通知作業(yè)人員前往核查。

2.2.3 傾斜攝影技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是指一種測(cè)量技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)搭載多鏡目攝像頭從不同方向拍攝某一物體的影像，經(jīng)軟件處理分析，得到所需測(cè)量物體的尺寸、面積等參數(shù)。

傾斜攝影技術(shù)包括以下步驟：(1)規(guī)劃飛行線路。根據(jù)攝影目標(biāo)和目的設(shè)置飛行路線以及采集角度。(2)數(shù)據(jù)采集。無(wú)人機(jī)飛到待測(cè)量物體上方后，開(kāi)啟攝像頭，從不同角度拍攝該物體的影像。(3)數(shù)據(jù)處理。處理得到的影像數(shù)據(jù)，包括圖像匹配、三維重建以及制圖等，生成高精度的地理信息數(shù)據(jù)，利用專(zhuān)業(yè)軟件生成該物體的三維模型。(4)數(shù)據(jù)應(yīng)用。根據(jù)需要，開(kāi)展數(shù)據(jù)分析應(yīng)用工作，包括尺寸測(cè)量、變形分析等。

2.2.4 信息傳輸技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息傳輸技術(shù)逐漸應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)方面，油氣行業(yè)也在不斷挖掘它的價(jià)值，該技術(shù)的特征是利用數(shù)字化方式將各個(gè)設(shè)備(傳感器、硬件)和物理世界聯(lián)系起來(lái)，然后通過(guò)一定的協(xié)議接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊和控制。本文中無(wú)人機(jī)攜帶的通訊器就是通過(guò)MQTT協(xié)議與后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2.5 視頻直播技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)均布置在固定的場(chǎng)所，且需要專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)才能進(jìn)行監(jiān)控，這一缺點(diǎn)極大限制了監(jiān)控系統(tǒng)的使用范圍[6]。與之相比，采用無(wú)人機(jī)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展監(jiān)控就能避免這個(gè)缺陷。

3 無(wú)人機(jī)應(yīng)用分析

3.1 無(wú)人機(jī)應(yīng)急搶險(xiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 組成

為了完成這些功能，無(wú)人機(jī)需要搭載多種設(shè)備，基于無(wú)人機(jī)的應(yīng)急搶險(xiǎn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

3.1.2 功能

基于無(wú)人機(jī)的應(yīng)急搶險(xiǎn)主要由三個(gè)部分組成：(1)無(wú)人機(jī)本體及搭載的設(shè)備；(2)用于連接無(wú)人機(jī)和后臺(tái)終端的基站和服務(wù)器；(3)后臺(tái)終端，包括手機(jī)終端和電腦終端，作業(yè)人員通過(guò)終端來(lái)檢查無(wú)人機(jī)提供的信息，也通過(guò)終端給無(wú)人機(jī)發(fā)送操作指令。

圖1中各個(gè)設(shè)備的功能如表1 所示。

表1 無(wú)人機(jī)搭載設(shè)備及功能

3.2 照明及泄漏檢測(cè)

無(wú)人機(jī)應(yīng)用于應(yīng)急搶險(xiǎn)照明、泄漏檢測(cè)工作時(shí)，往往需要在地面放置一個(gè)大容量電池，無(wú)人機(jī)攜帶大功率照明燈、激光檢測(cè)器懸停在應(yīng)急搶險(xiǎn)區(qū)域上空，用照明燈為施工人員提供照明。同時(shí)，無(wú)人機(jī)搭載的激光檢測(cè)器可以從空中大范圍地檢測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)附近的天然氣濃度，一旦發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域附近天然氣濃度超過(guò)設(shè)定閾值，就會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒施工人員可能存在管道泄漏的情況。

3.3 第三方施工核查

無(wú)人機(jī)用于開(kāi)展第三方施工核查時(shí)，往往會(huì)與沿管道敷設(shè)的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配合使用。當(dāng)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感受到管道周?chē)嬖诋惓Ｊ┕せ顒?dòng)時(shí)，便會(huì)將異常坐標(biāo)位置發(fā)送給后臺(tái)，后臺(tái)將該信息發(fā)送給距離最近的一個(gè)無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)攜帶攝像頭、喇叭根據(jù)提供的坐標(biāo)信息自動(dòng)前往異常區(qū)域開(kāi)展檢查、取證。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛臨指定位置上空時(shí)，打開(kāi)攜帶的攝像頭，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)影像傳遞至后臺(tái)的作業(yè)人員，一旦發(fā)現(xiàn)管道周?chē)_實(shí)存在違規(guī)施工活動(dòng)，便可以通過(guò)喇叭對(duì)其進(jìn)行喊話，阻止該活動(dòng)。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害核查

無(wú)人機(jī)用于地質(zhì)災(zāi)害核查可以分為兩種情況：一種是在大范圍強(qiáng)降雨、地震等自然災(zāi)害后，利用無(wú)人機(jī)沿管道飛行，檢查管道周?chē)欠翊嬖诘刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生，這種情況與無(wú)人機(jī)日常巡檢任務(wù)目標(biāo)一致；另一種是對(duì)管道周?chē)l(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模進(jìn)行勘察，為制定持續(xù)監(jiān)測(cè)方案或應(yīng)急搶險(xiǎn)措施提供寶貴的現(xiàn)場(chǎng)材料。在這種情況下，無(wú)人機(jī)需要攜帶多鏡目攝像頭，從多個(gè)不同的角度對(duì)管道周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行拍照、錄像，當(dāng)飛行任務(wù)結(jié)束后，將這些數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)終端。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)在應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)中的應(yīng)用情況開(kāi)展研究，詳細(xì)分析了應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)時(shí)無(wú)人機(jī)的功能需求，并介紹了相關(guān)的前沿技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)人機(jī)的應(yīng)急搶險(xiǎn)系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的組成和功能，主要得出以下結(jié)論：

(1)無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，通過(guò)搭載不同的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)，管道企業(yè)在使用無(wú)人機(jī)時(shí)，可以根據(jù)自己的需求來(lái)開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)的功能。

(2)無(wú)人機(jī)搭載照明燈以及激光檢測(cè)器可以為應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)提供照明，并檢測(cè)天然氣管道是否發(fā)生泄漏。

(3)無(wú)人機(jī)與光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)可以有效檢查管道周?chē)氖┕せ顒?dòng)，減少響應(yīng)時(shí)間。

(4)使用無(wú)人機(jī)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害測(cè)量可以為制定管道保護(hù)措施提供一手資料。