无人机在油气管道应急场景中的应用

齐健龙 徐葱葱 刘少柱 毕 博 薛焰文 滕延平

1. 国家管网集团北方管道有限责任公司, 河北 廊坊 065000;2. 中国石油管道局工程有限公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

油气长输管道具有线路长、途经环境区域复杂的特点,一旦管道本体发生失效会造成输送介质泄漏或管线燃爆等严重事故,给社会公众安全、经济和环境带来巨大损失。油气管道应急处置是恢复管道生产运行、降低事故影响的必要手段。管道事故发生后,应急处置的准确性、时效性是关键,因此,需要及时了解事故现场情况,掌握周边环境信息,实现事故现场与应急指挥中心的信息传递等,为做出应急决策及编制切实可行的处置方案提供依据。但油气管道事故现场地形复杂、环境多变,尤其是发生因洪水等自然灾害导致的管道失效事故时,人员车辆难以进入现场,无法及时获取周边情况等,直接影响管道的应急处置。

无人机具有高视角、便于携带、易组建、可远传等特点,目前在各领域得到了广泛使用,如在四川木里、西昌火灾中,无人机获取热红外监测数据,持续为火灾扑救提供测绘应急保障;在油气管道线路巡检中，利用无人机作为载体,搭载感知设备,实现无人机智能巡检等[1-4]。鉴于以上,为进一步提高油气管道应急处置能力,围绕应急场景需求,结合无人机特点,有必要探索无人机在油气管道应急场景中的应用,为油气管道突发事件应对提供参考[5-6]。

1 无人机技术概况

无人机是一种由遥控设备控制或是按照程序飞行的飞行器,无人机与微型遥感等技术的结合更是扩展了无人机的应用领域。按照用途,无人机可分为军用无人机和民用无人机,目前民用无人机担负起地质灾害调查、救援指挥、勘探测绘以及环境监测等重任。按照机型,无人机可分为多旋翼无人机、固定翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机和扑翼式无人机等[7-9]。多旋翼无人机具有机械简单、能垂直起降的优点,但其续航时间短,载荷小;固定翼无人机起降需要助跑或滑行,但续航时间长,载荷大;无人飞艇类似于热气球,具有推进和控制装置,是一种理想的空中平台,但其体积较大;伞翼无人机利用迎面气流产生升力起升且需要跑道;扑翼式无人机技术研究还未成熟,材料要求高,不适用于应急场景[10-12]。目前应用于管道管理的无人机机型主要有多旋翼无人机和固定翼无人机,从机动性和灵活性上考虑,最适宜于应急场景的无人机为电动多旋翼无人机,常见为六旋翼无人机或四旋翼无人机,能够适应复杂飞行场景[13-15]。

目前国内外积极开展无人机在油气管道领域的探索应用,部分已配备专业队伍,建立无人机巡检系统,但在应急场景中使用较少。与管道巡检相比,应急场景中要求无人机具有时效性、安全稳定性,第一时间建立图传通道,提供现场画面,必要时采用挂载功能辅助现场抢修,为指导抢修作业,制定抢修方案提供辅助。

2 行业应用分析

BP公司自2006年起开展无人机在油气管道行业应用的研究,并于2014年在美国阿拉斯加管道上进行了试验性的无人机巡线,通过使用搭载高清晰度摄像头及热力传感器等,对复杂自然环境中的管道进行泄漏检测与安全监控。小松于2015年开展智能施工(Smart Construction)项目应用,将智能化技术应用于挖掘机、推土机等产品,目前已在1 000多个工程现场应用。智能施工技术将无人机数据采集、数据分析、3D画面分析、施工方案制定等进行融合,充分体现了小松无人化机械设备的概念。相比传统测绘方式，施工前采用无人机智能测绘,不仅可以大幅缩减人力物力，缩短工期,还可以获得高精度三维现场数据,从而制定更加准确详实的施工方案,然后将测绘数据上传到小松云,对施工数据和现场数据进行比对,实现施工土方量计算,编制施工进展图。Gazprom天然气管道公司在2018年使用ZALA AERO公司开发的无人机进行管道线路巡检,该无人机配置了全球卫星导航系统、数字遥测系统以及故障诊断系统,可以携带各种无线成像仪、导航灯、测距仪以及若干类型的传感器。

近年来,中国开始将无人机技术应用于管道行业,如山区管道巡检、近海油气管道监视、灾后次生灾害评价,漏油和盗油点现场定位等[16-17]。现阶段无人机在管道巡检领域应用较多,主要配置包括红外成像和热成像仪,用于拍照和摄像,识别管道威胁事件,以及管道周边植被状态和土壤侵蚀程度;差分吸收激光器和红外摄像机可用于天然气管道泄漏监测等。随着无人机与其他技术的进一步结合,无人机在油气管道行业其他领域也将得到广泛应用。

3 应急场景功能实现

3.1 图传辅助决策

在油气长输管道应急场景中,地面操作人员远程控制无人机进行低空、低度飞行,通过摄像机等实时采集传输高清晰摄像画面,能够清晰观察到管道周边情况,从而为管道突发事件定性、制定应急措施、现场抢修、后续理赔等提供重要依据。具体实现功能如下。

1)寻找抢修路由。在村庄、山区、水网地区,尤其是汛后水淹路段、封村封路地段、限高限宽路段,可利用无人机及时查找抢修进场路由,协助抢修车辆人员进场,开展抢修作业。

2)探知周边风险。针对人口密集地、水源地、穿越特殊地段高后果区以及险工险段,通过无人机可及时掌握周边环境状况,协助判定风险,制定消减措施。

3)监控溢油形势。在输油管道发生泄漏时,无人机可实时监控油品泄漏情况,如溢油进入水域可及时跟踪油流情况,并对沿线水域情况、进场道路情况、围油栏布控点设置等进行确认,及时在下游端采取措施,控制油品扩散范围,从而减小油品对土壤、水体的污染。

4)实时远程指挥。启动公司应急响应后,可通过无人机建立传输通道,远传现场视频,更加全面、形象地展现现场场景,为现场指挥以及远程指挥提供决策依据。

5)辅助现场理赔。抢修处置前,需要修筑抢修道路,开挖作业坑,往往涉及林地、农田、鱼塘等,为节约抢修时间,抢修作业基本都是先抢修后赔偿。在抢修前,使用无人机航拍,可留存原地貌特征,为后续农作物损失、占地等赔偿工作提供影像依据,减少企地纠纷。

3.2 外携辅助现场处置

通过无人机吊舱挂载功能,可叠加可燃气体检测仪、红外夜视摄像头、红外热成像摄像头、喊话器、照明灯等,实现多种功能,辅助现场抢修处置。

1)物资投放。在应急抢险时,无人机可携带小重量的应急物资快速抵达现场并投放。如针对穿越河流段等管道,可以采用无人机将轻质绳索运至对岸,通过绳索拖拽将光缆等送至对岸,实现洪水冲断光缆的抢修作业。

2)现场照明支持。可携带照明设施为地面提供照明,夜间一架无人机在30 m高空中悬停的灯光有效地面照射面积可达80 m2。

3)喊话疏散。在人口密集高后果区,可以利用喊话器在第一时间对人员进行引导疏散。喊话器工作时最大音量为90 dB,通讯距离为4 km。

3.3 外接平台集成功能

通过无人机携带的检测、监测、采集仪器,再通过外部平台、软件实现功能集成。

1)基础测绘测量功能。通过设定无人机飞行航线,对重点区域进行测绘,通过将航拍成果数据进行后期处理可以更为准确地核定灾害损失。

2)快速三维建模功能。无人机悬挂多镜头数据采集仪,在应急现场实时采集数据,系统内置快速合成软件及单机版应用系统,实时自动合成现场三维实景模型,省去数据回传的时间,可在较短时间内生成三维图像,并进行系统应用,如计算施工土方量等。

4 无人机应急系统构建及实践

4.1 远程图传系统构建

无人机远程图传系统包括无人机、摄像头(普通、红外夜视或红外热成像摄像头)、地面接收站、CPE无线路由器、无线通讯系统、数据处理系统、指挥终端等,具体系统构建见图1。无人机通过搭载各种航拍摄像头,可实现全天候摄像采集,航拍画面通过无线传输方式传输到地面接收站,经CPE无线路由器转化,以4G/5G移动信号传输到数据中心服务器,最终到达指挥终端,实现在应急指挥大厅等的实时播放。另外,通过开发手机APP,可实现手机端远传呈现,提高移动应急能力建设水平。

图1 远程图传系统构建图

4.2 图像合成系统构建

目前无人机拍摄的单张航拍图像所展示信息有限,无法展现管道周边全部的环境特征。为了获取更大范围的图像信息,开展图像合成系统的构建,采用在无人机上搭载Altizure自动航拍软件获取基础图像数据,使用Pix4 Dmapper计算软件进行图像合成。

4.2.1 基础图像采集

无人机可在设定路径上飞行并进行定时拍摄图像,基于Altizure软件的自动航拍功能,通过选择不同的航拍角度,可以拍摄与地面不同角度的图像,用于生成正射图和斜射图。执行航拍任务前，首先在地图上选定一个区域设置长宽,限制无人机仅在该区域内飞行,设置航向重叠率和旁向重叠率,确保拍摄的每张照片存在重合区域。设置航向重叠率为65%,旁向重叠率为50%,在所选区域内Altizure软件将会自动产生5条航线,进行图像采集[18-19],见图2。

图2 Altizure软件航线设置界面图

4.2.2 图像合成

基于Pix4 Dmapper的测绘测量功能,可处理无人机拍摄的图像资料,生成高精度的二维地图或三维模型,根据需求输出三维点云、数字模型、三维模型、正射影像等合成图像[20]。系统采用无人机外接计算机处理器中的Pix4 Dmapper实现航拍基础图像的处理,通过添加图像、设置POS数据坐标系,进行计算合成。图像初始化处理后会生成报告,可以看到计算的质量信息,包括面积、连接点数量、相机畸变参数等,最终输出合成图像。采用正射影像功能,经Pix4 Dmapper合成之后,可以展现管道周边大范围区域内平面图像信息,有助于及时快速掌握管道周边全部环境信息,为应急决策提供数据支持,见图3。

图3 合成正射图像

4.3 现场应用实践

国家管网某管道公司在所辖多辆应急卫星通信车上均配备了无人机,实现了无人机应急系统在油气管道应急抢险指挥平台的应用,并在多次应急演练、抢险作业中得到现场应用。根据现场应用实践,系统实现了远程手动操作无人机通过搭载摄像设备进行图像采集、图像合成、实时展示,并通过4G移动信号将图像实时传输到应急指挥大厅,为决策判断提供信息支持,见图4。下一步,将通过搭载智能芯片实现按照设计路线自动开展巡航等功能。

图4 无人机应急系统图

5 结论及建议

无人机在油气管道应急抢险中具有效率高、机动灵活、高视角等优点,可以承担应急高风险场景中的探查、图像远传、辅助作业等,可在人员车辆无法到场的情况下,及时掌握有效信息,搭建信息传输通道,为应急决策及处置提供依据,弥补了目前常用应急通信车等建立远传通道的不足。此外,无人机通过搭载外部系统平台,可实现基础测绘测量、三维建模等功能,在事故灾害评估、应急数据支持中也发挥着显著作用。目前,无人机在应急场景中的应用还处于起步阶段,并且受国家空中管制、需要巡飞资质、电池续航时间短等因素制约,建议从无人机技术和管理等层面开展研究,如采用线束直供电解决续航时间问题等,促进无人机在油气管道应急场景中进一步发挥作用。