史寧崗1 袁勛1 黃盛華2 石燕茹3

1.中石油北京天然氣管道有限公司；

2.中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部；

3.德州智遙航空科技有限公司

摘 要： 在智慧管道建設(shè)各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取中，無人機(jī)相關(guān)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。介紹了無人機(jī)航測(cè)技術(shù)、遙感系統(tǒng)等技術(shù)特點(diǎn)以及在管道設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)各階段的應(yīng)用。分析了傾斜攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、視頻識(shí)別系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。并提出了無人機(jī)合規(guī)化管理問題。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī)；管道巡檢；三維建模；中繼通信；跟蹤云臺(tái)；無人機(jī)監(jiān)管

石油天然氣是全球能源支柱。截至2016年底，僅中國(guó)石油在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的油氣管道總里程就達(dá)到了81 191公里。隨著管道業(yè)務(wù)的“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、信息化”水平不斷提高，在管道設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過程中，逐漸引入了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，提供了對(duì)智能管道智慧管網(wǎng)建設(shè)中的數(shù)據(jù)支持。在各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取中，無人機(jī)相關(guān)技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。

1 無人機(jī)航測(cè)和遙感系統(tǒng)

無人機(jī)航測(cè)體現(xiàn)了無人機(jī)與測(cè)繪的緊密結(jié)合，同時(shí)也提供了更高效的測(cè)繪方式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)完全可以達(dá)到國(guó)家航空攝影測(cè)量規(guī)范的要求。相比野外實(shí)測(cè)，無人機(jī)航測(cè)回避了飛行員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，操作員的培養(yǎng)周期相對(duì)較短；具有周期短、效率高、成本低等特點(diǎn)。

無人機(jī)遙感系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）無人機(jī)可以超低空飛行，可在云下飛行航攝，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。

（2）由于低空接近目標(biāo)，因此能以比衛(wèi)星遙感和普通航攝低得多的代價(jià)得到更高分辨率的影像。

（3）能實(shí)現(xiàn)適應(yīng)地形和地物的導(dǎo)航與攝像控制，從而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持構(gòu)建城市三維景觀模型，而不局限于衛(wèi)星遙感與普通航攝的正射影像常規(guī)產(chǎn)品。將無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行工程化、實(shí)用化開發(fā)，借助其機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，在陰天、輕霧天也能獲取合格的彩色影像，從而將大量的野外工作轉(zhuǎn)入室內(nèi)作業(yè)，既能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，又能提高作業(yè)的技術(shù)水平和精度。

2 無人機(jī)應(yīng)用

2.1 管道踏勘設(shè)計(jì)階段

在管道勘察設(shè)計(jì)階段，需要廣泛搜集沿途各種資料，以確保施工方案的可操作性，并對(duì)施工過程中潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)的管道線路選擇采用手工方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低下。使用無人機(jī)通過傾斜攝影技術(shù)、正射影像技術(shù)，可以全面快速地了解地形地貌、植被、水文等信息，從而為管道選線提供依據(jù)[1]。

2.2 管道建設(shè)階段

在施工建設(shè)前期，利用無人機(jī)了解施工現(xiàn)場(chǎng)的地形、道路、周圍環(huán)境等情況，便于施工人員及設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，盡快開展施工。在施工進(jìn)行階段，可以利用無人機(jī)拍攝現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度、物料使用情況、機(jī)具布置情況、管道走向等，及時(shí)調(diào)整人員和設(shè)備，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。

2.3 管道運(yùn)行階段

管道運(yùn)行管理中，將逐漸建成2D、 3D引擎，ArcGIS引擎，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維矢量圖層、影像、 GIS地圖、三維模型等統(tǒng)一生成和數(shù)據(jù)疊加，通過大屏、 PC端、移動(dòng)終端等方式展示。無人機(jī)在巡檢過程中所獲取的各種影像數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于管道及場(chǎng)站實(shí)體可視化應(yīng)用及綜合建模展示，也可應(yīng)用于管網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化展示。能夠提供管網(wǎng)分布、走向及完整性數(shù)據(jù)二維展示及三維場(chǎng)景，查看場(chǎng)站內(nèi)各區(qū)域分布及運(yùn)行數(shù)據(jù)建模支持。

通過無人機(jī)航測(cè)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備設(shè)施三維展示，可建立與現(xiàn)實(shí)情況高度一致的設(shè)施設(shè)備模型，站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備能按零部件拆解實(shí)現(xiàn)三維可視化，有效支持基層員工檢維修作業(yè)[2]。

在高后果區(qū)、防汛重點(diǎn)地段、第三方施工等關(guān)鍵部位采用無人機(jī)航測(cè)巡檢，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視，補(bǔ)充運(yùn)行期間周邊道路橋架、電力線路、建構(gòu)筑物、地下隱蔽設(shè)施信息，實(shí)現(xiàn)周邊環(huán)境數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用[3]。

在管道周邊突發(fā)事件的應(yīng)急搶險(xiǎn)中，通過無人機(jī)圖傳系統(tǒng)可將現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)傳給應(yīng)急指揮通信車，車載視頻以流媒體形式通過衛(wèi)星遠(yuǎn)傳至應(yīng)急指揮中心，實(shí)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心應(yīng)急數(shù)據(jù)快速錄入、發(fā)布和推送，以及圖像、語(yǔ)音、視頻等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的交互提供。

借助人工智能中的圖像處理技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)拍攝影像的實(shí)時(shí)比對(duì)分析，加強(qiáng)對(duì)管道周邊環(huán)境變化的對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)人員、房屋、車輛等對(duì)象的自動(dòng)識(shí)別，深入挖掘人員行為特征和環(huán)境突發(fā)情況特征，實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的智能化。

3 相關(guān)技術(shù)研究

3.1 傾斜攝影系統(tǒng)

傾斜攝影技術(shù)發(fā)展的前期，各家從業(yè)公司采取的辦法均是將單相機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單集成，且多是外向式設(shè)計(jì)原理；后期，考慮到減重，續(xù)航，穩(wěn)定性等，部分廠家對(duì)單相機(jī)進(jìn)行深度拆解和定制，在相機(jī)重量，焦距鏡頭，控制上均下了很大功夫，且均采用內(nèi)向式布局。硬件方面，多旋翼掛載五鏡頭和固定翼掛載多鏡頭是兩個(gè)不同的研發(fā)方向。

根據(jù)油氣管線特點(diǎn)，航拍作業(yè)面呈帶狀分布，故選擇固定翼機(jī)型最為合適。傾斜攝影模型

凸顯了以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）時(shí)效性：在某些管道沿線，地質(zhì)自然災(zāi)害發(fā)生頻繁，管道應(yīng)急搶險(xiǎn)是重中之重。無人機(jī)傾斜攝影可以及時(shí)傳遞災(zāi)害地的具體信息，為后續(xù)的應(yīng)對(duì)決策提供支持[4]。

（2）機(jī)動(dòng)靈活性：通常發(fā)生山體滑坡或泥石流災(zāi)害地區(qū)，其地形氣候都相對(duì)復(fù)雜，信息收集靠人力無法實(shí)現(xiàn)。而無人機(jī)能夠在復(fù)雜地形環(huán)境下完成高質(zhì)量的信息采集。

（3）信息高質(zhì)量：衛(wèi)星拍攝和普通的航空飛行空間信息采集由于飛行高度限制，因云層的氣象因素使收集的成像信息產(chǎn)生一定的誤差。而無人機(jī)的低空特性使分辨率得到了質(zhì)的提 高，并且多角度拍攝形成的紋理影像也避免了遮擋的問題 [5]。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

無人機(jī)作業(yè)過程中，信息數(shù)據(jù)的傳輸是制約固定翼無人機(jī)飛行距離的主要原因。管道建設(shè)初期，管道沿線都會(huì)鋪設(shè)光纜作為閥室及站場(chǎng)的數(shù)據(jù)通信鏈路。無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸可借用伴行光纜安裝中繼通信設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

此外，可以結(jié)合閥室視頻監(jiān)控系統(tǒng)云臺(tái)攝像機(jī)增加定向天線自動(dòng)控制功能，使其在平時(shí)作為普通云臺(tái)攝像機(jī)使用，無人機(jī)作業(yè)時(shí)可切換到天線跟蹤模式。天線自動(dòng)控制系統(tǒng)是通過GPS采集定向天線的經(jīng)緯度和高度等位置信息，通過數(shù)字羅盤采集定向天線的方位角和俯仰角等姿態(tài)信息，結(jié)合無人機(jī)位置、高度等飛行數(shù)據(jù)，經(jīng)微處理器計(jì)算出定向天線對(duì)準(zhǔn)無人機(jī)接收天線所需的方位角、俯仰角，然后通過驅(qū)動(dòng)云臺(tái)伺服電機(jī)使天線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，以此方法提高無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�率及距離。

3.3 視頻識(shí)別系統(tǒng)

通過分析無人機(jī)拍攝的大量圖片、視頻信息，可有效地監(jiān)控管道沿線的第三方作業(yè)、高后果區(qū)狀態(tài)。基于視頻和圖像處理的自動(dòng)車型識(shí)別、人員識(shí)別、物體識(shí)別、狀態(tài)識(shí)別等方法，給現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)改變發(fā)出預(yù)警信息。

結(jié)合智慧管道智能管網(wǎng)建設(shè)要求，借助人工智能中的圖像處理技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)拍攝影像的實(shí)時(shí)比對(duì)分析，加強(qiáng)對(duì)管道周邊環(huán)境變化的對(duì)比分析，深入挖掘人員行為特征和環(huán)境突發(fā)情況特征，實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的智能化。

4 無人機(jī)合規(guī)化管理

無人機(jī)技術(shù)使用中需高度重視飛行空域、飛行監(jiān)管、作業(yè)規(guī)范等相關(guān)法律法規(guī)的適用性問題。民航局飛行標(biāo)準(zhǔn)司批準(zhǔn)的《U-Cloud（優(yōu)云）系統(tǒng)》《U-Care無人機(jī)綜合監(jiān)管云系統(tǒng)》是目前國(guó)內(nèi)僅有的兩套無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)。應(yīng)借鑒該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)石油行業(yè)無人機(jī)多級(jí)監(jiān)管系統(tǒng)，以期達(dá)到監(jiān)管部門與管道公司各級(jí)部門間的協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)多終端云同步、飛行計(jì)劃快速報(bào)批、飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)、飛行數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、支持多種數(shù)據(jù)鏈路接入等。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張侃.多旋翼無人機(jī)在輸電線路巡檢中的運(yùn)用及發(fā)展[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化， 2013(16):72-73.

[4]武海彬 .無人機(jī)系統(tǒng)在油氣管道巡檢中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2014，(09):105-106.

[5]李能國(guó)，無人機(jī)傾斜攝影模型在應(yīng)急救災(zāi)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品， 2017， (14):138-139.

作者：史寧崗，男， 1974年生，畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)，中石油北京天然氣管道有限公司，工程師，從事無人機(jī)應(yīng)用、通信技術(shù)、人工智能、 TRIZ萃智理論行業(yè)應(yīng)用等工作。

（本篇論文獲第六屆中國(guó)管道完整性管理技術(shù)交流大會(huì)二等獎(jiǎng)，經(jīng)作者同意，本刊轉(zhuǎn)載時(shí)有刪改。）