无人机油气管道巡线应用可行性研究

2017-03-20张贵赞史宁岗袁勋中石油北京天然气管道有限公司北京100000

化工管理 2017年6期

关键词：油气管道作业

张贵赞史宁岗袁勋（中石油北京天然气管道有限公司，北京 100000）

徐开（中国长征火箭有限公司，北京 100195）

无人机油气管道巡线应用可行性研究

张贵赞史宁岗袁勋（中石油北京天然气管道有限公司，北京 100000）

徐开（中国长征火箭有限公司，北京 100195）

截止到2015年底，中国陆上油气管道总里程达到12万公里，这些管道形成了中国横跨东西、纵贯南北、连通海外的油气管网格局，成为推动中国经济发展和造福民生的能源动脉。目前，我国的油气管道面临的威胁因素包括管道腐蚀、自然灾害以及人为破坏。当前油气管道巡检难以做到全面覆盖，存在漏洞与安全隐患,迫切需要引入新的技术手段来加强油气管道巡检。本文首先介绍了无人机油气管道巡检现状与应用优势，并重点对可行性与应用模式进行了分析，最后对近期在山西阳曲区域进行的无人机油气管道作业成果进行了介绍。

无人机;油气管道巡线;应用模式

管道是油气资源配送的主要方式，在国民经济中占有重要地位。据统计，截止到2015年底，中国陆上油气管道总里程达到12万公里，其中原油管道约2.3万公里，成品油管道约2.1万公里，天然气管道约7.6万公里。这些管道形成了中国横跨东西、纵贯南北、连通海外的油气管网格局，成为推动中国经济发展和造福民生的能源动脉。威胁管道安全的因素包括管道腐蚀、自然灾害以及人为破坏。目前，油气管道的安全保障措施通常以人工巡检为主，对数万公里的油气管道而言难以做到实时、全面覆盖，存在巨大的巡检漏洞与安全隐患。为了弥补人工巡检的不足，提升巡检效率，迫切需要引入新的技术手段来加强油气管道巡检。

1 无人机油气管道巡检系统组成

无人油气管道巡检系统主要由无人机平台、各类应用载荷、数据链、地面站等软硬件组成。其中，无人机平台是数据链机载部分和各类应用载荷的空中载体，负责为各类设备提供所要求的工作环境；应用载荷是对地观测的核心设备，负责获取地面监测区域的遥感数据；数据链是空地连接的通道，负责遥控遥测数据的上传与下载；地面站是无人机地面控制中心，负责对无人机飞行路线的规划和实时控制，同时可兼为无人机设备的运载平台。

2 无人机油气管道应用优势

油气管道一般呈线形分布，其线路长度通常达到上百公里，巡检作业中主要关注的是管线本身及周边一公里范围内的环境情况。目前管道巡检工作中以人工巡检作为主要手段，通常由巡检工沿管道巡视，检查管道本体和管道地表环境，能够对管道设施精细监测，但巡检效率较低。为了弥补人工巡检的局限，提升巡检效率，石油行业逐步引入卫星遥感、有人机巡检等新的技术手段进行管道巡检。

其中卫星遥感应用于管道巡检中覆盖范围大，作业效率高，但卫星回转周期较长，难以根据管线走向运行，因此对于突发情况反应周期长，无法进行应急情况下的监测，也无法进行实时监测。

3 无人机油气管道巡检国内外应用现状

目前，国外已有部分国家使用无人机对长输油气管道进行常规化巡检服务。北美地区和里海地区使用无人机对管道周边环境进行日常监测，主要防止第三方破坏和地表地质活动等影响管道安全。

表1 国外无人机长输管道应用情况

此外，英国的CyberHawk公司提供小型多旋翼无人机石油设施巡检服务，使用多旋翼无人机对陆地、海上油井火炬进行精细监测，已进行了多年的业务化运营，在欧洲、北美、亚洲地区都有业务案例，客户包括壳牌石油等知名公司。

4 无人机油气管道巡检可行性分析

4.1 技术可行性

自20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，以及航空技术的飞速发展，无人机系统的性能不断提高。如今的无人机系统已经应用了自动飞行控制技术、GPS差分定位技术、遥感载荷技术、遥测遥控通信等先进的技术。

油气管道距离长且分布广泛，穿越不同的气候条件，对无人机性能提出了更高的要求，具体来说包括：续航能力、环境适应性、设备可靠性、大载重能力、新型载荷研制等等。经过国内外各研究机构的不断研究，当前的技术水平已能满足基本的油气管道巡检需求，有能力成为油气管道巡检的重要手段。同时，石油行业对无人机需求的不断增强，将推动技术水平的进一步提升，新材料、新动力、新载荷会不断涌现，并服务于石油行业。更进一步，大数据、人工智能、态势感知、虚拟现实等前沿技术的不断突破，将为无人机在石油行业的应用创造无限可能。

4.2 政策可行性

我国民用无人机系统发展正处在起飞阶段，目前我国诸多部门正在推动民用无人机产业发展，包括了建立管理部门、发布适航政策、开展无人机培训认证等。

在空域管理方面，中国空军有关部门、中国民用航空总局、无线电管理委员会等单位与部门是空域的管理部门，其中空军相关部门与民航总局主要负责使用空域管控，航空器适航认证管理，无人机驾驶员审核管理；无线委主要负责对无人机系统使用的通信频率进行管理。

在适航政策方面，自2009年起，国务院、中央军委、总参谋部、民航总局等机构颁布一系列政策法规，包括《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》、《民用无人机空中交通管理办法》、《关于深化我国低空空域管理改革的意见》、《通用航空飞行任务审批与管理规定》、《轻小无人机运行规定》、《民用航空飞行标准管理条例》（征求意见稿）等，在无人机任务审批、飞行管理、空域管理等方面做出了规定，我国无人机适航在政策上趋于规范化。

在无人机培训认证方面，民航总局于2014年4月委托中国航空器拥有者及驾驶员协会（AOPA）作为无人机驾驶员资质认证机构，无人机进入持证飞行时代。AOPA负责下列无人机驾驶员的资质认证管理：一、在视距内运行的空机重量大于7千克的无人机驾驶员；二、在隔离空域超视距运行的无人机驾驶员，民航局飞行标准司负责对中国AOPA的管理工作进行监督和检查。

总体情况来看，目前无人机飞行主要受所在地的民航部门和空军共同监管，无人机飞行员资质管理逐步规范化。

4.3 作业规范可行性

随着无人机在民用行业应用的普及，各个行业已逐步开始探索对无人机作业的规范化管理。各行业领域的主管单位分别根据自身应用情况逐步制定无人机行业应用作业规范。如无人机应用普及程度相对较高的电力领域中，国家电网都已经出台、起草了无人机电力巡检相关的作业规范；南方电网正在制定一套完善全面的具有自主知识产权和技术特色的输电线路机巡技术标准体系，覆盖无人机平台、任务载荷、测控通信、数据处理、数据管理与应用等标准规范。在海洋领域，国家海洋局已开始起草7项针对无人机海洋监测业务的行业标准，包括《无人机海域监测网络化管理规范》、《海域无人机平台准入标准》、《无人机系统作业指导规范》等，无人机海洋作业逐步规范化。

在石油领域，西部管道公司已经编写并制定了西部管道公司《无人机管道巡检作业规范》，推进无人机作业的规范化管理。

5 无人机油气管道巡检应用模式分析

综合考虑石油行业对于无人机服务及相关服务的需求，存在以下几种服务模式。

表2 无人机油气管道巡检应用模式分析

托管自主运营数据加工处理根据作业时间长度和作业规模，可分为定期开赴作业、长期驻扎作业地点、建立区域基地等3种方式。购买无人机，将设备托管于专业无人机公司进行飞行作业、设备保养维护等服务。购买无人机，设备自主管理，数据自主处理。将采集的无人机/有人机巡检数据（包括遥感卫星数据和其他数据）提供给专业无人机公司进行数据加工处理。

结合石油行业的需求，通过系统租赁的形式与专业化无人机公司开展合作是主要的应用方式。

6 无人机油气管道巡检应用案例

笔者所在单位为验证无人机油气管道巡检可行性，于2016年11月10日-2016年11月15日对山西阳曲压气站场区及17号阀室所管控区域的陕京二线、三线管道进行了无人机监测飞行。山西阳曲地区地处忻定、晋中盆地之间，沟壑纵横，东、西、北三面环山，南部偏低，中部为盆地。本次飞行任务区域位于阳曲县城东部，海拔在1200米以上，四周分布多座高度超过300米的山丘。同时入冬季节风俗较大，任务期间地面风速多在4级以上，瞬时风速达到6级。整体任务环境较为恶略。

本次任务采用弹射固定翼无人机与六旋翼无人机，搭载高清可见光相机对油气管道线路及阳曲压气站进行航测飞行，获取高清遥感影像，并通过数据后期处理获得了任务区域的正射影像。

固定翼无人机实际飞行面积10km2，管道巡线长度11km，共获取照片846张照片。从正射影像图叠加管线矢量数据可对管线通道周边环境进行高效监控，对油气管线周边违反《石油天然气管道保护法》中所规定的与建筑、树木、公路、铁路、电力设施的安全距离进行及时的预警，及时制止违法进行取土动工的施工行为，保障油气管道安全。

多旋翼整个作业过程共4架次，总面积0.15km2，相片总数155张。从正射影像图中可以直观了解压气站周边地形情况，掌握附近可能威胁压气站的危险因素。同时可提供空中视角观察对站内设备，及时对可能出现的设备损坏等情况进行预警号处理。在紧急情况下，出动无人机可以实时掌握站内情况，便于指挥决策。