田明亮，劉洋，趙俊丞，吳杰

（國家管網(wǎng)集團浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國管道數(shù)量也在快速增加，截至2022 年底，油氣管網(wǎng)總里程達到15.5×104km，預計到2025 年，這一數(shù)值將會超過24.0×104km[1]。在管道建設過程中，不可避免地會穿越地勢崎嶇、遍布湖泊的地區(qū)，給管道巡檢工作帶來了很大的困難。

由于無人機具有體積小巧、操作難度低、巡檢速度快等一系列優(yōu)點，國內(nèi)一些管道公司逐漸開始使用無人機開展管道巡檢作業(yè)。目前，油氣行業(yè)使用的無人機主要分為三種，分別為固定翼無人機、無人直升機以及旋翼無人機。一些學者也開展了無人機巡檢系統(tǒng)相關領域的研究工作，取得了一定的成果。劉凱[2]提出了一種用于四旋翼無人機路徑規(guī)劃的改進RRT 路徑搜索算法，并開展了現(xiàn)場實地飛行測試，結果表明該算法在路徑、時間、穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢；王國棟等[3]開展了無人機在農(nóng)村燃氣管道泄漏中的應用研究，進行了多組試驗，并據(jù)此提出一些合理建議；盧軍等[4]研究了無人機在管道檢測中的應用情況，并制定了檢測作業(yè)流程；劉奎榮等[5]研究了無人機傾斜攝影技術在管道建設過程中的應用情況，并據(jù)此提出了一種管道測量方法；宋婷婷等[6]提出了一種油氣管道無人機巡檢平臺，并詳細介紹了該平臺的框架和功能；梁平等[7]使用FTA 模型分析了造成無人機墜機事故的原因，認為無人機維護不當以及信號差是導致無人機墜機的主要原因，并提出了相應的建議。

以上可以看出，學者對無人機巡檢系統(tǒng)的研究主要集中在路徑規(guī)劃和具體的應用上，對無人機巡檢系統(tǒng)的整體功能設計和應用維護少有文獻涉及。因此，本文結合管道公司使用無人機巡檢系統(tǒng)的經(jīng)驗，結合現(xiàn)實業(yè)務需求，詳細列舉了無人機巡檢系統(tǒng)的應用情況，并給出一些建議，研究成果可以為管道公司大規(guī)模開展無人機巡檢作業(yè)提供參考。

1 無人機巡檢系統(tǒng)構成

1.1 巡檢系統(tǒng)硬件構成

無人機巡檢系統(tǒng)硬件主要由四部分構成，分別為無人機、起降臺、服務器以及顯示平臺，如圖1 所示。

圖1 巡檢系統(tǒng)構成

（1）無人機

根據(jù)巡檢功能需要，無人機可以搭載多種多樣的設備，如攝像機、通訊器、泄漏檢測器、內(nèi)存卡等。在執(zhí)行巡檢任務過程中，無人機會與服務器保持正常通訊，并將拍攝、檢測到的信息實時傳回服務器，再根據(jù)指令做出相應的動作。

（2）起降臺

起降臺通常設置在兩個相鄰的站場（閥室）內(nèi)，其作用是為無人機提供?？勘Ｗo場所，同時在無人機?？科陂g，為無人機充電。

（3）服務器

服務器是無人機與操作人員間溝通的 “紐帶” ，其主要功能是給無人機下達指令，并獲取無人機傳回的信息，包括無人機本體信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、航拍資料等，將這些信息分類處理后傳送至顯示平臺。

（4）顯示平臺

顯示平臺的作用是將無人機獲取的信息直觀地呈現(xiàn)給操作人員，方便操作人員了解無人機的狀態(tài)以及管道周邊信息。

1.2 巡檢系統(tǒng)功能

目前在管道公司，無人機主要有兩種使用方式：一是沿著管道飛行，對整條管道開展巡檢作業(yè)，檢查管道周邊是否存在違規(guī)施工、地質(zhì)災害等威脅管道安全的情況，這種方式為日常巡檢；二是為無人機指定巡檢坐標，巡檢坐標既可以由光纖等預警系統(tǒng)提供，也可以人為指定，無人機徑直飛往指定位置開展核查作業(yè)，稱為定點核查。在這兩種使用方式的基礎上，通過加裝不同的設備，無人機巡檢系統(tǒng)可被賦予不同的功能。

1.2.1 泄漏檢測

當管道開展維搶修作業(yè)時，需要檢測施工區(qū)域附近是否存在天然氣泄漏情況。傳統(tǒng)的檢測方式是操作人員手持泄漏檢測儀，沿著施工區(qū)域及周邊緩慢移動，若施工區(qū)域存在超過閾值的天然氣，泄漏檢測儀就會報警，但這種方式存在一定的監(jiān)測盲區(qū)，因此一些公司嘗試采用無人機開展管道施工區(qū)域的泄漏檢測作業(yè)。利用無人機搭載TDLAS（可調(diào)諧激光吸收譜技術）泄漏檢測設備懸停在施工區(qū)域上方對整個施工區(qū)域進行檢測，若天然氣泄漏，由于天然氣密度比空氣小，會迅速向周圍空間、上方運動，容易被懸停在上空的無人機檢測，從而進行報警。

1.2.2 測量

這種應用方式是定點核查應用的補充，在對滑坡規(guī)模及第三方堆載的測量方面應用尤其廣泛，其原理是利用無人機搭載多鏡目攝像頭對測量物進行拍照，獲取目標圖像信息后，利用專業(yè)軟件對這些信息進行分析、處理，從而得到該物體的尺寸、規(guī)模。

2 無人機巡檢系統(tǒng)的改進建議

2.1 建立無人機作業(yè)規(guī)程

目前在使用無人機的過程中，由于天氣、信號、機械故障、操作失誤等方面的原因，無人機時常出現(xiàn)各種各樣的問題，造成墜機及其他事故。建立無人機操作規(guī)程，制定無人機及相關設備起飛、巡檢、維護及故障處理等方面的操作步驟、注意事項，可以有效減少無人機巡檢作業(yè)事故，提高巡檢成功率。操作規(guī)程主要包括以下方面：

（1）日常維護

將無人機及配套設備放置在安全區(qū)域，指派專人開展維護工作，定期檢查設備的完好情況、放置的周圍環(huán)境對其產(chǎn)生的影響，并做好記錄工作。

（2）作業(yè)規(guī)程

將無人機作業(yè)分為試驗作業(yè)和巡檢作業(yè)，巡檢作業(yè)又分為自動巡檢和手動巡檢，根據(jù)各個作業(yè)的特點、安全事項、作業(yè)階段等相關內(nèi)容分別制定作業(yè)規(guī)程，并嚴格落實。

（3）應急預案

對無人機巡檢作業(yè)開展風險評價，分析巡檢過程中的常見風險及其原因，針對這些風險分別制定應急預案。

2.2 培養(yǎng)無人機作業(yè)專業(yè)團隊

當前在很多管道公司內(nèi)，無人機只是人工巡檢的一個補充手段，因此沒有組建專業(yè)的無人機作業(yè)團隊。當無人機或者相關設備出現(xiàn)故障時，最常見的解決方式是返廠維修或邀請廠家到現(xiàn)場開展維修服務，這種方式會耗費大量時間，影響管道巡檢。隨著無人機巡檢系統(tǒng)的普及，在一線巡檢人員數(shù)量減少的同時，無人機及配套設備的數(shù)量急劇增加，組建專業(yè)的無人機團隊已經(jīng)迫在眉睫。建議從一線員工中選拔具有無人機操作經(jīng)驗的人員組建無人機作業(yè)團隊，邀請廠家為其開展培訓，包括操作培訓、維修培訓、保養(yǎng)培訓，并定期開展技能比賽，提高無人機團隊的作業(yè)水平。

2.3 加強與新技術的關聯(lián)

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術的快速發(fā)展，一些新的技術已被應用在油氣行業(yè)中，數(shù)字孿生技術是一個典型代表。該技術以數(shù)據(jù)作為驅(qū)動要素，通過建立與實體高度一致的虛擬模型來開展各類作業(yè)。通過數(shù)字孿生技術，建立無人機及配套設備的虛擬模型，可以更好地使用無人機巡檢系統(tǒng)。以無人機起降臺維搶修過程為例，說明數(shù)字孿生技術的應用，如圖2 所示。

圖2 基于數(shù)字孿生技術的無人機庫維搶修過程

整個應用過程可以分為以下步驟：（1）建立無人機起降臺維修指導庫，包括技術手冊、維修視頻等；（2）建立無人機起降臺的維修數(shù)據(jù)庫，收集故障信息以及維修記錄；（3）對發(fā)生故障的設備開展診斷工作，確定發(fā)生故障的類型以及原因；（4） 在維修數(shù)據(jù)庫中尋找相應的故障信息，形成維修方案，包括維修方法、作業(yè)人員、需要設備及庫存等；（5）利用空間坐標和設備特征點構建虛實結合的作業(yè)場景，場景坐標隨著作業(yè)的進行不斷變化；（6）作業(yè)人員根據(jù)交互面板的信息開展維修作業(yè)；（7）維修作業(yè)完成后，自動將其納入維修數(shù)據(jù)庫，同時將有價值的維修工作視頻加入維修指導庫。

此外，數(shù)字孿生技術還可以用于無人機飛行培訓、無人機運行狀態(tài)監(jiān)測等方面。

3 結論

本文以管道公司的巡檢無人機作為研究對象，詳細介紹了無人機巡檢系統(tǒng)的組成、功能，并且結合無人機巡檢系統(tǒng)的現(xiàn)實需求、應用前景，得出以下結論：

（1）無人機巡檢系統(tǒng)主要由無人機、起降臺、服務器以及顯示平臺四部分組成，通過使用無人機搭載不同的設備，可以實現(xiàn)不同的功能；

（2）無人機在管道公司的應用會越來越普遍，為了適應這種需要，管道公司應制定嚴格的無人機操作規(guī)程，培養(yǎng)專業(yè)的無人機操作及維修團隊，加強無人機巡檢系統(tǒng)和新技術的關聯(lián)，提高無人機作業(yè)的規(guī)范性和創(chuàng)新性。