中国石油管道局工程有限公司第一分公司 河北廊坊 065000
摘要：目前，全国管网集团已建成通车的长途油气管道约94000公里。距离长、分布广、地形穿越复杂、非法占用、周边第三方频繁施工等，安全风险日益突出。传统的人工检测成本高，效率低，特别是对于山区、河流、峡谷等地理环境，以及暴雨、地震、滑坡等突发事件，检测有很大的局限性。随着无人机技术的快速发展，无人机在油气长输管道检测中的应用显示出了巨大的优势。
关键词：无人机技术；油气长输管道；巡检；应用
1飞行平台及任务载荷选型研究
1.1飞行平台选型研究
目前还没有统一的无人机类型分类标准。根据作战风险不同，民用无人机分为微型、轻型、小型、中型和大型。根据飞行平台的配置，可分为无人直升机、固定翼无人机、多旋翼无人机、无人飞艇、降落伞翼无人机、扑翼无人机等。油气输送管道无人机（uav）具有高速、大航程、悬停飞行、棒或低飞、爬升快、载荷能力大、综合及各种无人机（uav）的结构特点、飞行能力、控制难度、灵活性、选择固定翼无人机和多架旋翼无人机两种型号，搭配使用，用于油气输送管道的检查。固定翼无人机发射和回收方式众多，常见分类见表1所示。
表1 固定翼无人机分类
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油气长管道检测无人机对起降地点要求低，具有一定的承载能力，意外碰撞不会导致二次灾害，电动垂直起降固定翼无人机是最佳选择。根据轴数，多旋翼无人机可分为三轴、四轴、六轴、八轴等。轴数越多，功率越充足，动态冗余越强，可靠性越高。然而，随着轴数的增加，无人机的效率降低，飞行时间变小，尺寸变大，系统维护难度增加。在相同的指标下，电动六轴多旋翼无人机综合了量程、稳定性、安全性等因素，适合于油气管道的检测。系留无人机是多旋翼无人机的一种特殊形式，通过系留线缆传输的地面电源作为动力来源，可长时间滞空悬停，完美解决了无人机的续航问题。特别适宜用于应急通讯、应急指挥、管道抢险、施工监管等场合。电动垂直起降固定翼无人机、电动六轴多旋翼无人机、系留无人机配合使用，可满足油气长输管道长距离快速巡检、定点精细巡检、定点不间断巡护等多种不同应用场景。
1.2任务载荷选型研究
实现无人机载荷的仪器、设备、子系统以及无人机飞行要完成的具体任务统称为无人机的任务载荷。经过研究和筛选，适合无人机检测油气长输管道的任务负载包括双光吊舱、航空摄像头、激光雷达、气体检漏仪、扩音器、探照灯等。双光吊舱集成可见光摄像头和红外热成像仪，可实现高清可见光拍摄、红外热成像仪拍摄、目标跟踪、目标锁定等附加功能，适用于长距离传输管道的日夜巡逻检查。航拍相机拍摄高清正射影像，用于拼接管道周边正射影像图和目标智能识别。激光雷达在管道巡检中主要用于三维地形重建和地表微变形检测，通过对比分析，实现滑坡等地质危害事件预警。气体检漏仪利用激光探测、光谱分析技术实现远距离天然气管道泄漏检测，作业高度一般小于100米。喊话器和探照灯用于威慑、制止巡检中发现的管线破坏和盗油行为。以上任务载荷可根据不同任务需求独立或组合使用。
2油气管线无人机巡检管理系统
无人机巡查采集的航拍影像数据依赖人工判据分析，存在工作量大、效率低、实时性差、误判误判等缺点，严重制约了无人机在油气管道巡查领域的应用。目前，油气行业无人机检测数据管理系统的研发尚处于起步阶段，功能不完善，智能识别率低，误报率高。因此，开展管道航拍影像数据的技术研究是十分必要的。基于现状，开发了一套集数据管理、图像分析、图像拼接、数字地球和用户管理于一体的油气管道高精度多功能无人机巡检管理系统。其核心模块是图像拼接系统和图像分析系统。图像拼接系统通过不断优化和改进的SFM建模算法，以采集到的数字影像数据及对应的地理坐标信息作为输入，快速构建航拍场景的数字正射影像（DOM）和数字地表模型（DSM），拼图速度大幅提升。经验证46km管段数据，1195张航片，图像重叠度65%，拼接完成时间71分钟，极大限度的提升了用户作业效率。拼接效果如图1所示。
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图1 拼接效果图
图像分析系统包括目标检测和对比度检测。目标检测是基于深度神经网络智能识别技术，实现了对航空影像数据的智能分析，自动识别异常目标并标注出其精确位置，如图2所示。通过比较两个飞行时间序列在大致相同位置的图像变化，可以检测出滑坡、土体翻转等无固定形态的大范围异常目标。检测完成后，会生成分析报告。结果表明，该方法的召回率和准确率均可达到95%以上。
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图2 目标智能识别及定位
3无人机巡检应用试验
为了验证研究的效果，利用无人机系统在海西天然气管网秀屿至福州管线上进行了巡查试验。该段管线地理情况复杂，囊括了山区、平地、林地、水网、居民区、道路、农田等，地形地貌较为典型。结合巡检需求，本次试验制定了由任务类型、飞行平台、任务载荷组成的搭配矩阵，如表2所示，规划飞行20架次。
表2 组合矩阵表
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经验证：（1）多旋翼无人机搭载不同载荷适合用于对航程和航时无严格要求的周边环境调查、日常巡检、违章占压、地质灾害巡检、专项巡检和应急抢险等场合，可以提高巡检效率，取得良好的应用效果。图3所示为多旋翼无人机搭载双光吊舱识别到的山区管道裸露。（2）系留无人机适合用于长时间持续作业场合，与多旋翼无人机配合使用，可达到比较理想的应用效果。（3）垂直起降固定翼无人机适合于中长距离管线巡检。搭载双光吊舱和航拍相机可在周边环境调查、日常巡检、专项巡检等场合进行应用，取得了较好的应用效果。（4）油气管线无人机巡检管理系统可大幅提高航片拼接效率和智能辅助识别率，提升管理人员监视和响应效率，提升危害事件的预警和处理效率。
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图3 管道裸露
本次应用试验，也凸显了一些无人机应用面临的问题，需重点研究解决：（1）无人机空域申请难度大，申请渠道不明确，限制要求多。（2）地方法规及重大活动影响无人机飞行。例如：《福建省高速铁路安全管理规定》指出，高速铁路电力线路导线两侧各500米范围内禁飞无人机。（3）无人机系统相关标准体系不健全，油气管道无人机巡检无技术规范可循。（4）无人机续航能力、防护等级不足，任务载荷多功能集成度较低。（5）目标智能识别需要大量样本的积累和训练，样本量不足导致可识别目标种类欠缺。另外，还无法做到基于视频流的实时目标检测。
结束语
无人机在电力线路检测中得到了广泛的应用，但在油气长输管道检测中的应用仍处于推广阶段，尚未实现大规模商用。相信随着无人机及其配套技术的快速发展、市场体系的成熟以及我国低空空域的进一步开放，无人机将在油气管道检测领域发挥越来越关键的作用，成为油气管道检验人员的强大“帮手”和“守护者”。
参考文献：
[1]国家发展改革委，国家能源局.中长期油气管网规划[EB/OL].（2017-5-19）[2021-01-02].https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/201707/t20170712_962238.html.
[2]武海彬.无人机系统在油气管道巡检中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2014，34（9）：105-106.