无人机巡检技术在长输管道高后果区管理中的探索与应用

段云跃 谢德俊

〔中国石化销售有限公司华南分公司川渝输油管理处 重庆 400061〕

长期以来，油气长输管道高后果区通常以人工沿管线徒步巡检方式为主。河流、湿地、沼泽、陡崖、峡谷等地段巡护人员难以通行，“盲区”问题较为突出。且人工巡检效率低下，巡检结果不利于数字化、智能化。中国石化销售有限公司华南分公司辖区内的川渝管道共计58处高后果区，2次穿越长江、3次穿越綦江、1次穿越沱江和其他18条大小河流，同时还穿越湿地、高山、林区。川渝管道管理处2016年着手对无人机智能巡检技术进行探索，2018年引入航线飞行无人机进行无人机管道巡检工作，已完成多轮全线飞行，在无人机巡检技术管控高后果区领域积累了一定经验。本文将对无人机巡检技术、高后果区全生命周期管控模式进行探究，为全国油气管道实现高后果区管理科技化、数字化、智能化目标提供技术和借鉴。

1 国内无人机巡检技术及销售华南分公司的应用情况

1.1 无人机巡检技术概况

2011年无人机遥感技术在中石油兰成渝成品油管道首次应用，补充了传统人工巡线方式，成为无人机巡检技术成功运用的开端。中国石化销售华南分公司于2017年开展无人机定高、定位、定向飞行试验取得成功，2018年7月完成全线飞行，10月开始常态化飞行。该技术通过视频拍摄技术，获得俯瞰管道影像资料，对其获取的影像进行处理，能快速定位管道位置，及时发现管道及其周边的环境变化，为争取时间正确处理相关问题和及时采取防范措施，有效保护管道安全运行提供了保证。

1.2 无人机的分类及适用范围

当前常见的无人机主要有无人直升机、固定翼无人机、多旋翼无人机、固定翼-倾转旋翼无人机四类，实物见图1。四类无人机的结构原理、优缺点及应用场合如表1所示。管道企业可根据具体需求选择适合本单位的无人机类型。目前多旋翼无人机运用较为广泛。

图1 无人机主要类型

表1 各种常见类型无人机的优缺点及适用场合

1.3 销售华南分公司无人机的选用情况

销售华南分公司2016年引入精灵4消费级无人机用于短距离单点飞行，2017年引入MD4-1000无人机用于航线飞行，实现无人机管道巡检。MD4-1000四旋翼无人机配备黑匣子，能够实时记录飞行过程中飞机的参数，保证飞行安全可靠和可追溯。该机最大飞行半径达5 km，有效巡航时间40 min，最大抗风4级，抗暴雨、大雪、高温，最大爬升海拔3 000m。2019年，公司量身定制新型复合翼无人机，该机单次飞行距离50～100 km，飞行速度70～120 km/h，机体采用轻质碳纤维复合材料，空机重量仅2.650 kg，平台可集成多任务载荷，如管道巡线喇叭、夜间红外成像仪、高清相机等，为管道巡检提供了更加高效的手段。该机性能优异，能适应销售华南在7省市成品油管网巡检的地域气候差异化要求，在大雨大风等极端恶劣天气情况下仍能正常执行巡检任务。

2 无人机巡检的技术实现

(1)无人机系统由飞行及控制平台、信息采集系统和地面站系统组成。无人机飞行及控制平台包含动力系统、传感器、信号接收与处理系统等组成。信息采集系统包含无人机搭载的云台、相机、红外成像仪、激光光谱检测仪、气体激光探测器等设备。地面站控制系统包含计算机、数据处理系统、GPS导航、无线电控制等。

(2)无人机可以搭载摄像机、红外成像仪、GPS巡检仪、高音喇叭等负载，可获得巡检照片、视频、飞行轨迹，也可对现场进行空中喊话。

(3)无人机操作手使用手动控制无人机或编制航线使得无人机沿长输管道方向飞行，航线绘制功能实现无人机定点、定向、定高飞行，通过地面站实时查看飞行影像或后期软件分析图像。

(4)无人机结构紧凑、机身轻巧、性能良好，使用不受地形条件限制，适合在复杂自然环境下的丛林、陡坡、山区、河流、湿地沼泽、占压区域、人员密集区域，以及暴雨、大风等一定程度恶劣天气下执行任务，具备高空、定速、定点、远距离、自行执行作业等能力。

3 无人机管道巡检技术的组织实现

(1)无人机巡检作业步骤可分为采集管道坐标及选取无人机起降位置、绘制航线、现场飞行、飞行成果分析四步。

(2)现场飞行组织。油气长输管道为线性工程，为确保无人机飞行连贯性，需组织A、B两组人员和车辆，使用两台遥控器，采用“车轮战”操作方式。即：B组人员提前到达乙点，A组人员从甲点使用手动模式放飞，切入航线飞行模式后赶到丙点；B组人员在乙点收到操作信号后接管无人机操作信号。飞机到达乙点后B组切换为手动模式降落，更换电池后手动放飞，切换航线模式，驱车赶往丁地。周而复始，直至飞行任务完成。地面人员可使用地面站接收查看视频，或后期使用分析软件分析巡检情况。

4 无人机在高后果区的管理运用

4.1 高后果区识别阶段

《GB 32167—2015 油气输送管道完整性管理规范》提出高后果区数据采集宜通过现场调查或影像数字化开展管道沿线属性数据采集工作。无人机航拍视频或照片可用于高后果区识别工作，尤其对人员密集型高后果区识别和等级判定具有人工无法比拟的优势。通过观察管道两侧200 m范围视野，可以轻易读取该区域房屋等建筑物聚集情况，提高高后果区识别率和高后果区识别准确率。无人机开展人员密集型高后果区识别示意图见图2，输油管道各类型高后果区人工识别与无人机识别对比见表2。

图2 人员密集型高后果区识别

表2 输油管道高后果区人工识别与无人机识别方法比较

4.2 高后果区日常管控阶段

《GB 32167—2015 油气输送管道完整性管理规范》对已识别出的高后果区作出了管控要求。《国家安全监管总局等八部门关于加强油气输送管道途径人员密集场所高后果区安全管理工作的通知》(安监总管三【2017】138号)规定，企业要采取增加巡护频次、增加固定式摄像头等人防、技防措施及时阻止危及人员密集型高后果区段安全的违法施工作业行为。《GB/T35068—2018油气管道运行规范》提出线路巡护可以采用徒步巡护、车辆巡护、飞行器巡护等方式。高后果区应每天巡护1次。

4.2.1 开展日常巡检

管道企业可将无人机管道巡检作为人工管道巡护的补充甚至是主要巡检方式，可满足“增加巡护频次”的高后果区管控措施要求。无人机对管道中心线两侧各200 m范围内地表情况进行摄像，巡检时可实时查看或后期查看所拍摄影像，及时排查管道附近是否存在第三方施工、管道泄漏跑油、可疑车辆与人员、线路阀室及管道附属设施的完好情况等。按照目前人工巡检与无人机巡检管理模式，将无人机巡检与人工巡检相关优劣对比如表3。

表3 川渝管道人工巡检与无人机巡检对比

4.2.2 对比分析照片，及时调整监管措施

管道企业可针对高后果区定期使用无人机进行航拍，定期与前期照片进行对比，分析管道周边环境新增占压、第三方施工、人员密集变化情况，研判高后果区附近地质灾害风险等情况，从而判断变化原因及预测变化后果，为企业及时采取有针对性的调整高后果区管控措施提供重要依据。销售华南分公司每月定期采集人员密集型高后果区照片(图3)，上传智能化管道管理系统，用于对比分析高后果区变化情况。

图3 对比分析人口密集高后果区内电杆位置变化及人员活动变化情况

4.2.3 特殊时期巡检

在重大节日、重要反恐时期和易发生打孔盗油等特殊时期进行特殊的巡护。特别在针对高后果区附近非法第三方施工识别取证，利用夜间高强度射灯及喇叭震慑高后果区附近打孔盗油分子等方面都具有难以比拟的优势。

4.3 高后果区应急抢险期间

4.3.1 为现场指挥提供技术支持

高后果区若因地质灾害、第三方施工、打孔盗油而发生管道泄漏，可对社会公众产生较大不良影响和对造成自然环境的一定破坏。因此，高后果区发生危险时，应急抢险工作必须科学有效地开展。多旋翼无人机可以低空悬停，观察到管道周边实时情况，为抢险指挥部提供实时、高清、可靠的应急抢险地形布置、周边区域地形地貌、滑坡监测、现场录像等服务。为定性管道突发事件、制定应急措施、现场抢修等提供重要依据，为应急抢险更加科学谋划指挥提供技术支持。此外，无人机可以携带部分轻便应急物资(例如MD4-1000可携带最大任务载荷为2kg)快速抵达现场并投放。

案例 ：2016年6月底，在某直辖市因山体滑坡导致某成品油管道发生断管漏油事故，现场抢险总指挥部除按照企业应急预案成立相应抢修救援小组外，还专门成立了无人机监控组，紧张而有条不紊地开展应急抢险工作。无人机监控组采用轮换制工作方式，观察救援力量分布情况，判断滑坡体继续下滑风险，实时为指挥部提供空中画面，为应急抢险指挥提供可视化依据。7月6日，该市副市长到现场检查，得知应急处置基本完成，未造成环保风险后，给予了“企业的应急处置反应迅速、方案科学、组织有序、效果很好”的评价。在该次事故抢险过程中，无人机所起的作用功不可没。

4.3.2 紧急疏散高后果区人群

在事故状态下，可使用无人机搭载高音喇叭，在人员密集区域上空播放录音或实时喊话，紧急疏散人群，缩短挨家挨户疏散时间，避免或者减少高后果区的人员伤亡。

5 无人机巡检技术在高后果区管理中的优缺点及改进方法

5.1 无人机巡检技术在高后果区管理方面的优势

(1)无人机巡检技术的应用实现了管道安全防护体系的集中管控，从一定程度上降低了对野外巡护人员和相应配套资源的需求，通过采集图像、视频和地理坐标等数据，再对其进行数据集中处理，实现管道安全管理工作的可视化、数字化、智能化，对高后果区管理具有重要意义。

(2)无人机飞跃河流、湿地、沼泽、陡崖、占压地段进行巡护工作，不受温度、地形等限制，而人工通常无法通过。

(3)无人机巡检技术已日趋成熟，安全性能较好，近期在一定程度上能作为人工巡检的补充，远期可替代人工巡检，使得高后果区管理更加有效。

5.2 无人机巡检技术在高后果区管理方面面临的挑战

5.2.1 合法依规飞行方面

(1)无人机及人员资格合法依规。2016年民航局下发《民用无人机驾驶员管理规定》，规定在融合空域内运行的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ类无人机驾驶员需由行业协会实施管理，民航局飞行标准部门实施监督。2017年5月，民航局下发了《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》，要求无人机持有者必须在无人机实名登记系统网上登记注册，取得二维码张贴于无人机机身。无人机驾驶员培训时间长，AOPA机长考试难度大，短期内难以培养大量无人机驾驶人员，管道企业需增加相应时间和资金投入。

(2)场地合法依规。飞行工作需远离政府部门划定的禁止飞行和限制飞行区域，部分地区需向相关部门申请空域。位于禁飞区域管道无法开展无人机巡检。此外，由于管道企业无法准确识别禁飞和限飞区域，存在误入禁飞区域可能。

(3)无人机续航不足问题。目前多旋翼无人机电池极限时间约40min，极限航线飞行里程约8km，对减少起降点，提高单日飞行里程造成较大影响。若后期电池续航能力提高，有望实现“站内放飞、站内接收，中途不停靠”，不用派出车辆到外部起降点接续电池，可大大提高工作效率。

(4)机载有效载荷有待进一步开发。对于管道输送介质发生的细微渗漏，地面巡检人员可以通过看、听、闻、触的方式察觉，无人机在空中查找此类问题较为困难，因可燃气体探测仪普遍探测距较近，无人机搭载可燃气体探测仪探测管道泄漏情况效果不尽如人意，需进一步开发此类载荷。

6 结语

目前销售华南分公司无人机巡检技术在管道全线定高、定位、定向巡检，高后果区识别，高后果区管控，特定时期巡查，应急抢险等方面具有人工无可比拟的经济、高效、准确、可视化优势。通过高空、低近飞行拍照、数据采集，照片对比分析，可及时有效发现和处理问题，实现成品油管道智能化、数字化、集成化。然而，无人机巡检也面临一定的合法依规飞行风险，需要企业加大技术和资金投入，提高无人机续航能力，进一步开发针对管道微小渗漏检测的检测设备，让无人机巡检技术在更多、更广的领域为石油管道安全保驾护航。