5G技术在山地管道保护智能化应用中的探究

2021-03-31韩林元魏勇葛玉宝姜慧春

科学与信息化 2021年8期

韩林元魏勇葛玉宝姜慧春

1.国家管网集团贵州省管网有限公司贵州贵阳 550025；2.西南管道贵阳输油气分公司贵州贵阳 550025

引言

根据《中长期油气管网规划》[1]，到2020年全国长输油气管网规模将达到 16.9×104km；到2025年，管网规模将达到24×104km，届时全国省市区成品油、天然气干线管网全部连通，100万人口以上的城市成品油管道基本接入，50万人以上的城市天然气管道基本接入，国内将迎来新的管道大发展时期。随着兰成渝管道、西部管道、中缅管道等大型山地管道以及配套省级支线管网建成运行，山地管道的里程快速扩大并不断向县级以下地区辐射，服务能力不断增强，已成为支撑山地地区经济发展、保民生密不可分的一部分。因此，保证管道安全运行是一项艰巨任务，而山地管道周边地质环境、人员活动较其他地区复杂，采用传统的人工巡检方式存在时间和空间上的局限。通过引入5G技术，借助人工智能、大数据、物联网等工具，破解管道保护难题，提升油气管道保护管理水平。

1 山地管道管理的难点

管道安全监测包括三方面：一是管道自身失效；二是第三方破坏；三是地质灾害。而山地管道途经崇山峻岭，沟壑纵横，雨水充沛，环境气候条件复杂。地质沉降、山体滑坡、暴雨冲刷、塌方等严重威胁管道安全。再者山地油气管道沿线高差较大，例如中缅油气管道，高程差大于1000m的管段近10段，最大高程差1800m，沿线陡坡管段近100处[2]，给管道巡护带来挑战。人工巡检又存在局限性，长期以来，由于受技术条件的制约，管道外部安全监测主要靠人工巡检。山地不比平原，让工人长年累月不分春夏秋冬跋山涉水，非常危险。一旦管道发生事故，必将巡检人员置于危险之中，而且人工巡检不能实现时间与空间维度上的无盲区巡检。

2 5G通信技术特点

5G技术有如下特点[3]：①高速度。在实际应用中5G 移动通信技术网络的速率是4G 网络10倍以上。②低时延。相对于2G的时延为600ms（0.6秒）、3G的时延200ms、4G的时延最好的结果98ms，5G的最好时延能达到1ms，这对汽车的自动驾驶、医疗的远程手术、运行高铁、网联无人机的信号覆盖却意义非凡。③大容量。5G移动通信技术网络出现，配合其他技术，空间将在数据意义上剧烈压缩，很有可能出现一套万物互联的全新景象。④低功耗。5G要支持大规模物联网应用，就必须要有功耗的要求，而5G就能把功耗降下来，让大部分物联网产品一周充一次电，或一个月充一次电，就能大大改善用户体验，促进物联网产品的快速普。此外，5G无线通信还有扩展性特点，5G并没有脱离于3G、4G，而是将这些通信技术的优势有效地结合在一起，能够为用户提供更加丰富的使用体验与服务。

3 5G在管道保护智能化上的应用

3.1 基于5G的智能阴极保护

长输油气管道需要对管道阴极保护数据进行监测，由于普通测试桩只能采集数据，而不能远程传输数据，只能依靠人工巡检定期获取数据，这种方式效率较低、费时费力，山区管道测量点现场环境复杂，导致阴保数据采集不及时甚至缺失，恒电位仪布置分散，依靠人工调节不仅容易错误操作而且难以做到集中统一管理，也不利于阴保数据的动态管理。为顺应当今油气管道管理数字化、智能化的发展趋势，需建设阴极保护智能采集监控管理系统。

目前阴极保护智能化已有许多有益的探索，典型做法就是在山地管道上安装管线阴极保护/杂散电流智能监控终端，作为系统平台的数据采集支撑，实现管道阴极保护状态监测、阴极保护设备远程控制、管道杂散电流监测、管道安全预警等功能，实现对管道阴极保护状况的评价与评估，为管道的阴极保护综合评价和风险管控提供基于大数据的智能调节和决策支持[4]。这些数据经过光纤和卫星通信方式进行传送，光纤通信有遭第三方施工破坏和地灾损毁断缆造成通信中断的风险。卫星通信有资费高、频率受限、传输效率低缺点，不适合作为智能阴极保护系统的通信。通过将油气管道阴极保护智能监控终端改造为具有5G通信功能的阴极保护智能监控终端，实现监控终端与中心的高速、低延时通信，达到对山地油气管道阴保数据全天候动态监测和控制。同时，在5G智能阴极保护智能监控终端在加装太阳能电池，实现油气管道阴极保护智能保护终端的节能环保。

3.2 基于5G网联无人机的山地管道智能巡护

传统的山地管道巡护主要依靠人工徒步巡检，效率低，而且人员置于山地环境风险较大，通过引入5G网联无人机代替传统人工巡检，实现山地管道无盲点巡检。目前国家管网集团贵州省管网公司在无人机管道智能巡护上做了一些探究（以清镇支线为例），通过对清镇支线全线进行坐标测量、无人机采集模型数据、拍摄全景照片，然后进行三维建模、VR全景合成、添加热点等数据处理，最后在将三维模型、VR全景、视频、正射影像拼接等可视化数据进行整合、搭建平台，录入相关信息，实现数据系统化、可视化，如图1所示。

图1 管道数据建模

图2 无人机巡检界面

后期通过无人机定时对油气管道精细巡检，利用可视化数据平台，实现三维建模技术高精度还原管线模型，进行可视化的细节查勘、测量与变量评估；VR-全景虚拟现实技术真实还原管道周边环境，添加热点录入相关信息，足不出户总揽全局，进行可视化管理；人工智能识别技术实时监测，快速识别目标物并上报问题点，同时为可视化数据提供更新依据，为管理者提供危险报警和决策支持，如图2所示。

但是无人机一般通过遥控系统进行控制，民用无人机与遥控器之间的数据传输，通常采用低功耗蓝牙或 Wi-Fi 技术，受发射功率限制，只能在不超过500米的视距范围进行数据传输，且传输图像最大分辨率不能超过 1080p[5]，极大地限制了无人机在山地油气管道巡航的应用，长距离的，因此无法一次完成整条长输油气管道巡护，且智能油气管道需要实时传输高清视频、VR全景虚拟现实、控制信号等海量数据，机载蓝牙、Wi-Fi、4G已无法满足无人机管道智能巡检高速率、低延时、大容量的应用需求。5G 提供的大带宽、高可靠、低时延通信更好地契合了无人机管道智能巡检的要求，通过引入5G无线通信，搭建5G网联无人机智能管道巡检平台，突破以往通信手段的限制，结合人工智能和大数据算法，通过给山地管道设置巡检路由，让无人机按照设定轨迹自动巡检，利用远程终端对智能山地管道巡检系统进行智能监控，达到山地管道无盲点管理，如图3所示。

图3 5G网联无人机巡护技术架构[6]

3.3 基于5G的智能视频监控

目前山地管道管理中常用固定式监控探头、移动式监控探头，固定式监控探头主要用于高后果区监控，移动式监控探头主要用于第三方施工管理。现行主要的做法是在高后果区管段安装固定高杆式太阳能监控终端、在第三方施工现场安装移动式太阳能监控终端，利用是4G网络上传至监控中心。由于4G网络受带宽的限制，无法高清实时的传输，延迟卡顿，采集数据有效性和一致性不佳，无法对现场变量进行精细管控。5G技术的引入可以依托其更快的传输速度和更低的延时，结合人工智能，可以对高后果区、第三方施工现场进行高清智能监控，实时对高后果区进行动态评估，对第三施工中的危险动作进行识别报警。

3.4 基于5G的智能山地管道应急抢险

山地管道地区地质灾害风险较平原地区大，经常出现管道露管、漂管、断缆、防腐层破损等事故，因此建立山地管道应急抢险平台，对保障油气管道的安全平稳运行时完全有必要的。通过引入5G技术借助其优势，结合网联无人机对事故管段的周边环境进行三维全景建模，AR增强现实，利用5G网络上传至应急平台中心，借助人工智能算法、大数据分析、物联网技术，智能选择最优抢险路径、调配最佳的抢险机具、合理分配抢险人员，为抢险决策者提供数据支撑。