無人機在管道應急搶險中的應用

吳杰，劉洋，田明亮，易欣，劉翔，楊璟辰，賴帝丞

(國家管網集團浙江省天然氣管網有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

隨著工業化水平逐年提高，天然氣作為一種清潔能源，其在我國能源結構中的占比也在逐年增加。根據《中長期油氣管網規劃》，到2025 年，我國油氣管網里程將達到24×104km[1]。管道里程數的快速增加，使得管道面臨的風險也在日益增多，如第三方破壞、泥石流、落石、滑坡等，這些事故不僅會嚴重損壞管道本體安全，還會嚴重威脅管道周圍居民生命財產安全。

無人機作為一種新興的探測設備，由于其具有體積小、操作簡單、攜帶方便的優點，在管道安全領域使用越來越廣泛。目前，油氣行業使用的無人機主要有三種，分別是固定翼無人機、無人直升機以及旋翼無人機。固定翼無人機一般用于長輸管線日常巡檢及定點核查；無人直升機一般用于環境(天氣、地質)惡劣時的巡檢任務；旋翼無人機一般用于小范圍內開展巡檢工作。

眾多學者也針對無人機開展了應用研究。陳兆龍等[2]提出一種無人機實時檢測系統，該系統可以將無人機采集的視頻進行實時處理并識別出危險因素，然后將危險因素的信息和位置發送至后臺。張秀璋[3]設計了使用無人機搭載高清攝像頭和激光甲烷遙測設備開展城市燃氣管線巡檢的方案，認為該方案比人工巡檢方式更為有效。田明亮[4]使用無人機開展山區天然氣管道巡檢，可以有效識別管道周圍危險因素，保證管道安全、平穩運行。畢娜等[5]用無人機開展地質災害勘測，詳細介紹了勘測系統的組成及應用效果，取得了較好的成果。

可以看出，目前無人機主要用于開展管道巡檢作業，對管道保護中的其他業務如維搶修作業等，描述的文獻較少。本文基于企業管道業務需求，針對無人機可以高空懸停的特點，提出一種無人機在管道應急搶險中的應用方案，可以為管道維搶修作業提供便利。

2 無人機功能及相關技術

2.1 無人機功能設計

以某管道公司為例，該公司所轄管道途經地段環境變化較大，既有陡峭崎嶇的山地，也有遍地泥濘的水域，還有人類活動頻繁的郊區。同時由于地處沿海省份的原因，每年7—9 月都會經受臺風的洗禮，滑坡、泥石流等地質災害頻繁發生，給管道安全造成嚴重威脅。每次臺風過后，該公司都會安排專人開展專項巡檢作業，一旦發現管道處于裸露、懸空等不安全狀態，便會立即開展應急搶險作業。

根據管道應急搶險作業需求，無人機的功能應包括空中懸停、照明、定點核查、泄漏檢測、土方測量、行為識別、實時視頻等。

2.2 相關技術

2.2.1 泄漏檢測技術

激光檢測器是利用可調諧激光吸收譜技術(TDLAS)開發的一款天然氣泄漏檢測裝置，其原理是不同種類、濃度的氣體對激光的吸收能力存在差異，該設備主要包含三個部分，即激光發生器、探測器、透鏡。激光發生器向被檢測區域發射一束激光，當該區域內存在天然氣時，該激光會被天然氣的主要成分(甲烷)吸收，降低了探測器檢測到的激光強度。由于氣體對激光的吸收能力受到濃度的影響，因此可以根據激光強度的減弱程度得到該區域內的天然氣濃度，濃度值達到報警閾值時探測器就會發出報警。

2.2.2 視覺行為識別技術

近幾年，視覺行為識別技術在管道行業逐漸興起，它是通過將拍攝到的外部影像信息與樣本庫中各個事件、行為的特征進行對比，進而發現危險因素的技術。

識別流程共分為4 個步驟：(1)建立管道周圍危險因素、事件、物體的特征庫，如挖掘機、塌方、落石、不規范作業等，分析它們在航拍角度下的圖像特征；(2)讀取無人機攝像頭拍攝的視頻資料，并將這些視頻材料轉化為圖片；(3)采用卷積神經網絡的方式提取圖片中的實體特征；(4)將圖片與樣本庫進行比對，若出現相似特征，則判斷管道周圍存在異常，并將結果推送至電腦或手機客戶端，通知作業人員前往核查。

2.2.3 傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是指一種測量技術，利用無人機搭載多鏡目攝像頭從不同方向拍攝某一物體的影像，經軟件處理分析，得到所需測量物體的尺寸、面積等參數。

傾斜攝影技術包括以下步驟：(1)規劃飛行線路。根據攝影目標和目的設置飛行路線以及采集角度。(2)數據采集。無人機飛到待測量物體上方后，開啟攝像頭，從不同角度拍攝該物體的影像。(3)數據處理。處理得到的影像數據，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據，利用專業軟件生成該物體的三維模型。(4)數據應用。根據需要，開展數據分析應用工作，包括尺寸測量、變形分析等。

2.2.4 信息傳輸技術

隨著計算機和網絡技術的快速發展，以物聯網為代表的信息傳輸技術逐漸應用于社會生產各個方面，油氣行業也在不斷挖掘它的價值，該技術的特征是利用數字化方式將各個設備(傳感器、硬件)和物理世界聯系起來，然后通過一定的協議接入互聯網進行通訊和控制。本文中無人機攜帶的通訊器就是通過MQTT協議與后臺進行數據交互。

2.2.5 視頻直播技術

一般來說，視頻監控系統均布置在固定的場所，且需要專門的網絡才能進行監控，這一缺點極大限制了監控系統的使用范圍[6]。與之相比，采用無人機對作業現場開展監控就能避免這個缺陷。

3 無人機應用分析

3.1 無人機應急搶險系統設計

3.1.1 組成

為了完成這些功能，無人機需要搭載多種設備，基于無人機的應急搶險系統構成如圖1 所示。

3.1.2 功能

基于無人機的應急搶險主要由三個部分組成：(1)無人機本體及搭載的設備；(2)用于連接無人機和后臺終端的基站和服務器；(3)后臺終端，包括手機終端和電腦終端，作業人員通過終端來檢查無人機提供的信息，也通過終端給無人機發送操作指令。

圖1中各個設備的功能如表1 所示。

表1 無人機搭載設備及功能

3.2 照明及泄漏檢測

無人機應用于應急搶險照明、泄漏檢測工作時，往往需要在地面放置一個大容量電池，無人機攜帶大功率照明燈、激光檢測器懸停在應急搶險區域上空，用照明燈為施工人員提供照明。同時，無人機搭載的激光檢測器可以從空中大范圍地檢測施工現場附近的天然氣濃度，一旦發現施工區域附近天然氣濃度超過設定閾值，就會發出報警，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

無人機用于開展第三方施工核查時，往往會與沿管道敷設的光纖監測系統配合使用。當光纖監測系統感受到管道周圍存在異常施工活動時，便會將異常坐標位置發送給后臺，后臺將該信息發送給距離最近的一個無人機，無人機攜帶攝像頭、喇叭根據提供的坐標信息自動前往異常區域開展檢查、取證。當無人機飛臨指定位置上空時，打開攜帶的攝像頭，將現場實時影像傳遞至后臺的作業人員，一旦發現管道周圍確實存在違規施工活動，便可以通過喇叭對其進行喊話，阻止該活動。

3.4 地質災害核查

無人機用于地質災害核查可以分為兩種情況：一種是在大范圍強降雨、地震等自然災害后，利用無人機沿管道飛行，檢查管道周圍是否存在地質災害發生，這種情況與無人機日常巡檢任務目標一致；另一種是對管道周圍發生的地質災害規模進行勘察，為制定持續監測方案或應急搶險措施提供寶貴的現場材料。在這種情況下，無人機需要攜帶多鏡目攝像頭，從多個不同的角度對管道周圍的環境進行拍照、錄像，當飛行任務結束后，將這些數據上傳至后臺服務終端。

4 結語

本文針對無人機在應急搶險作業中的應用情況開展研究，詳細分析了應急搶險作業時無人機的功能需求，并介紹了相關的前沿技術原理及實現方式，設計了一款基于無人機的應急搶險系統，介紹了該系統的組成和功能，主要得出以下結論：

(1)無人機在執行飛行任務時，通過搭載不同的設備可以實現不同的任務，管道企業在使用無人機時，可以根據自己的需求來開發無人機的功能。

(2)無人機搭載照明燈以及激光檢測器可以為應急搶險作業提供照明，并檢測天然氣管道是否發生泄漏。

(3)無人機與光纖監測系統聯動可以有效檢查管道周圍的施工活動，減少響應時間。

(4)使用無人機開展地質災害測量可以為制定管道保護措施提供一手資料。