关于使用无人机为燃气管道巡线的技术及应用

袁喆

摘要：中国的燃气管道具有着分布广、距离长等特点，因此其险要地段的巡线、保卫一直都是管道管理工作中所面临的难题。而无人机遥感技术的兴起和发展，帮助人们更高效地获取高精度影像数据，为燃气管道巡线的安全管理提供了技术支持。本文详细介绍了无人机在燃气管道巡线方面所使用的关键技术，并结合笔者所在公司的实际情况对其实际应用进行了分析。

关键词：无人机；遥感技术；燃气管道巡线

中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）30-0126-03

0引言

燃气和居民生活息息相关，保证运输燃气的管道安全性是社会和企业一项重要的责任。燃气管道具有距离长、分布广的特点，多铺设于城市地下，沿途经过很多河流、沟壑、铁路、公路，地形复杂。由于地形与距离等因素的现实，制约了人工巡线的进行，给管道的定期检查带来不便，暗藏诸多安全隐患问题。无人机遥感技术则利用自动导航或者人工控制的方式，可以自动高效根据采集的图像、视频等数据信息对管道进行监测，节约大量人力物力。在国外，无人机遥感技术被广泛的用在能源研究领域，山区管道巡检、漏油与盗油点定位、灾后次生灾害的评价等工作都在无人机的帮助下提高了工作效率与准确度。

1无人机燃气管道巡线技术原理

1.1线路视觉跟踪技术

无人机在巡线时的路径导航主要依靠于对路标、指示物、杆塔等物体的视觉追踪技术，这项技术虽然在理论和试验中获得了成功，但是在实际操作过程中还是存在一定量的偏差。由于飞机在飞行的过程中会产生振动，势必影响成像的质量，再加上图像中标志物被障碍物遮蔽、标志物与背景视觉差异小等原因，对无人机的追踪带来了一定的困难。目前较为通用和可靠的方法是采用霍夫变换的跟踪算法，系统同时对三条标志物进行追踪，并通过跟踪算法将无人机的横向位移与纵向位移反馈给控制系统，实现精准追踪。

1.2无人机遥感图像处理技术

无人机遥感技术是在普通无人机所具备的无人驾驶飞行器、控制系统、通讯、GPS差分定位等系统的基础上，增加摄像头及气味探测器，并建立专用的数据库用于追踪管道检测的完成進度，帮助工作人员识别高危燃气管道，及时采取相应的安全措施。其主要由地面系统、空中系统、后台数据处理系统三部分构成，如图1所示。

目前，较为成熟的天然气巡线技术采用的是飞行平台搭配摄像头，沿着输气管道飞行的同时拍摄高清图片和视频，并通过数据处理生成管道的无人机校正摄像图，智能化生成地面环境的空间遥感信息，并于后台数据处理系统完成建模和应用分析。

但是这种无人机在进行空中拍摄时倾斜角度较大，且其变化无规律，势必会造成成像的几何变形，因此对无人机遥感成像进行几何校正可以使图片更加清晰。通常来说，较为优良的办法是采用多项式校正法。多项式校正法不考虑成像过程中的空间几何关系，而直接对图像变形的本身进行数学模拟，以达到校正的目的。它把影像的总体变形看作是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲，以及更高层次基本变形的综合效果，因而校正前、后影像相应点之间的坐标关系，可以用一个适当的多项式进行描述。在多项式校正法中包括一次、二次、三次多项式几何校正，三次多项式几何校正虽然计算复杂，但是其精度较高，在定位精度要求较高的管道行业，使用三次多项式几何校正，能更好地满足需要。三次多项式几何校正法的变换方程为：

式中，x，y为某像元的原始图像坐标；X，Y为校正后同名点的地面（或地图）坐标：a，b为多项式系数。为了求得多项式的系数，需要使用控制点进行求解，一般选择控制点的最少数量为：（n+1）（n+2）/2，n为多项式次数。当多项式系数求出后，就可以根据公式求解原始图像任一像元的坐标，同时还需要对变换后的像素亮度值进行重采样，以实现2个空间的灰度转换。

图2为处理前影像与处理后影像。

1.3无人机激光遥测技术

第三种较为成熟的技术为采用超高精度激光甲烷遥测仪搭载特定的飞行平台，用于各种复杂场景下的燃气泄漏巡检。这种超高精度的激光遥测仪能够在50米以外对室内低浓度甲烷气体进行报警提醒，在实际的居住环境中检测线可以达到5ppm*m。这种技术的主要工作原理是采用激光束照射厨房玻璃，使激光束穿透待检测气体，并在厨房墙面或其他物体表面的反射之后，被接收器接收。系统通过对反射光光谱的分析计算厨房内甲烷浓度，从而判断用户家中是否发生了燃气泄漏。

2无人机燃气管道巡线的应用

燃气管道通常呈线性分布，其管道长度常达到上百公里，燃气管道的巡线工作主要是对管线本身以及管道周边一公里内的环境情况进行监测。目前，无人机燃气管道巡检应用主要有居民室内巡检与户外场景巡检两种。

2.1居民室内巡检应用

过去传统的居民室内燃气安全巡检主要依靠工作人员入户排查，并且利用手持遥测仪进行检测，工作量大、效率低下。除此之外，对于燃气户外穿墙立管，手持遥测仪受地面检测角度的限制，无法适用于六层以上的高层建筑，其替代方案空间爬梯检测不仅安全风险高，并且费时费力。而利用搭配高精度激光设备的无人机则可以很好解决此问题。此类无人机为采用超高精度激光甲烷遥测仪搭载特定的飞行平台，用于各种复杂场景下的燃气泄漏巡检。这种超高精度的激光遥测仪能够在50米以外对室内低浓度甲烷气体进行报警提醒，在实际的居住环境中检测线可以达到5ppm*m。这种技术的主要工作原理是采用激光束照射厨房玻璃，使激光束穿透待检测气体，并在厨房墙面或其他物体表面的反射之后，被接收器接收。系统通过对反射光光谱的分析计算厨房内甲烷浓度，从而判断用户家中是否发生了燃气泄漏。过去，传统的天然气检测方式为抄表员入户检测，每人每天最多检测40户。由于无人在家等原因，每年居民燃气泄露排查入户率不到70%，安检率低。新型无人机系统已经不再需要人工操控，能够根据任务自主飞行，通过程序预设及规划的线路，单台飞机每次可飞行检测120户，平均每用户用时10秒钟。endprint

2.2户外巡检应用

过去，户外场景的巡检人员只能对所巡视管道的地表情况及周围环境进行初步的判断，面对水灾、滑坡等极端户外情况则需要花费大量的人力和物力，巡检人员也需要背负特定的巡检设备。人工巡检无法方便地掌握工作人员实际的巡检到位情况，也无法对巡检结果进行可靠、便捷的存档记录。

以笔者公司为例，集输公司承担着滨海新区30万居民、工业及商业用户的供气任务，年输气量约3亿至4亿立方米。公司的现供气设施主要包括建设高压球罐6座（其中4座产权属滨海电厂），高压、次高压配气区4座，中压、调压车间一座，外加管线数十公里及相应设施。在所有的天然气输送成本中，由于泄漏带来的管输损耗值得令人关注。老化的管道可能存在泄露问题，目前集输公司使用中的天然气管网点多面广，主干管道已有二十年多的历史，有的阀门、接头、法兰等元部件都存在不同程度的腐蚀或老化的问题，有的连接节点已经泄漏，从而导致的管输的损耗。因此，对天然气设备与管道进行巡线就显得非常有必要。

笔者所在单位为验证无人机天然气管道巡检可行性，对天津市滨海新区部分设备及管线进行了无人机监测飞行。天津滨海地地貌类型主要为冲击平原，本次飞行任务区域位于滨海新区中部，四周分布多座高度超过300米的山丘，多条河流从其内部穿行而过。并且，滨海地区距离渤海很紧，任务期间受季风影Ⅱ向地面风速基本上都超过4级，瞬时风速高达6级，作业环境恶劣。本次任务是在固定翼无人机和四旋翼无人机搭载高清可见光相机对天然气管线和公司最大集输门站进行集中航测。根据航测所获取的高清遥感影像进行数据处理，据此得到任务区的正射影像。固定翼无人机航测面积是10km²，管道巡线长度12km，在航测飞行中可拍摄645张照片。整个航测过程动用多旋翼共4架次，航测面积是0.15km²，共拍摄168张相片。通过无人机拍摄的影像图可以了解门站周边的地形特点，并从中观测到威胁门站的危险因素。另外，可提供空中视角观察对站内设备，及时对潜在的设备损毁等问题进行预警。如果事态紧急，可以先通过无人机及时了解现场情况，为决策提供一手资料。

3采用无人机进行天然气管道巡线的优点

从总体上看，无人机在长输管道巡线选择上主要有以下优势：①无人机遥感可以直接获得关于管道管线的宏观性基础数据。比如在进行天然气运输管道的埋设时，地形、地貌、地质结构等资料都可以从遥感图像中获得，通过多种方法收集、处理和分析有关地形的资料，使得遥感图像具有概括性、宏观性，设计人员能够根据无人机拍摄的影像的辅助判断管线工程的可靠性和安全性。②无人机遥感巡线处理数据能力强。无人机上搭载的摄像装备像素可以达到0.02～0.2m，影像分辨率甚至比一些國内外高分辨率卫星影像更清晰，并且它每天都能很短的时间内完成近4000平方公里的数据采集和数据处理。③无人机遥感巡线为公司节约大量人力、物力，时间成本。采用人工巡线的传统方法，需要大量的人力，花费十几天，甚至几十天的时间来完成，在收集数据之后还要进行数据的录入的分析工作：而由无人机进行巡线，几天时间便能完成数据获取和分析的工作，完成巡线任务。④受环境制约小。无人机巡线几乎不受气候或地形的影响，机械性能非常可靠。在受地灾影Ⅱ向较大的高海拔地带，技术员可能无法深入现场例行巡线。通过使用无人机代替巡线人员进行巡线。

4结论与展望

在燃气管道的巡线中，无人机可以利用其所具备的遥感技术摄像、拍照，也可以搭载探测气体对泄漏浓度进行监测，补充了传统人工劳动强度大、巡线周期长、巡线质量难以控制、人员工作条件艰苦的不足，通过便携、轻量无人机对长输天然气管道巡线，及时发现隐患，消除巡线盲区，实现天然气巡线工作的智能化和信息化，为管道的安全提供技术支持。endprint