无人机在管道公司的应用现状及建议

田明亮，刘洋，赵俊丞，吴杰

（国家管网集团浙江省天然气管网有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

随着经济的快速发展，我国管道数量也在快速增加，截至2022 年底，油气管网总里程达到15.5×104km，预计到2025 年，这一数值将会超过24.0×104km[1]。在管道建设过程中，不可避免地会穿越地势崎岖、遍布湖泊的地区，给管道巡检工作带来了很大的困难。

由于无人机具有体积小巧、操作难度低、巡检速度快等一系列优点，国内一些管道公司逐渐开始使用无人机开展管道巡检作业。目前，油气行业使用的无人机主要分为三种，分别为固定翼无人机、无人直升机以及旋翼无人机。一些学者也开展了无人机巡检系统相关领域的研究工作，取得了一定的成果。刘凯[2]提出了一种用于四旋翼无人机路径规划的改进RRT 路径搜索算法，并开展了现场实地飞行测试，结果表明该算法在路径、时间、稳定性方面具有一定优势；王国栋等[3]开展了无人机在农村燃气管道泄漏中的应用研究，进行了多组试验，并据此提出一些合理建议；卢军等[4]研究了无人机在管道检测中的应用情况，并制定了检测作业流程；刘奎荣等[5]研究了无人机倾斜摄影技术在管道建设过程中的应用情况，并据此提出了一种管道测量方法；宋婷婷等[6]提出了一种油气管道无人机巡检平台，并详细介绍了该平台的框架和功能；梁平等[7]使用FTA 模型分析了造成无人机坠机事故的原因，认为无人机维护不当以及信号差是导致无人机坠机的主要原因，并提出了相应的建议。

以上可以看出，学者对无人机巡检系统的研究主要集中在路径规划和具体的应用上，对无人机巡检系统的整体功能设计和应用维护少有文献涉及。因此，本文结合管道公司使用无人机巡检系统的经验，结合现实业务需求，详细列举了无人机巡检系统的应用情况，并给出一些建议，研究成果可以为管道公司大规模开展无人机巡检作业提供参考。

1 无人机巡检系统构成

1.1 巡检系统硬件构成

无人机巡检系统硬件主要由四部分构成，分别为无人机、起降台、服务器以及显示平台，如图1 所示。

图1 巡检系统构成

（1）无人机

根据巡检功能需要，无人机可以搭载多种多样的设备，如摄像机、通讯器、泄漏检测器、内存卡等。在执行巡检任务过程中，无人机会与服务器保持正常通讯，并将拍摄、检测到的信息实时传回服务器，再根据指令做出相应的动作。

（2）起降台

起降台通常设置在两个相邻的站场（阀室）内，其作用是为无人机提供停靠保护场所，同时在无人机停靠期间，为无人机充电。

（3）服务器

服务器是无人机与操作人员间沟通的 “纽带” ，其主要功能是给无人机下达指令，并获取无人机传回的信息，包括无人机本体信息、环境数据、航拍资料等，将这些信息分类处理后传送至显示平台。

（4）显示平台

显示平台的作用是将无人机获取的信息直观地呈现给操作人员，方便操作人员了解无人机的状态以及管道周边信息。

1.2 巡检系统功能

目前在管道公司，无人机主要有两种使用方式：一是沿着管道飞行，对整条管道开展巡检作业，检查管道周边是否存在违规施工、地质灾害等威胁管道安全的情况，这种方式为日常巡检；二是为无人机指定巡检坐标，巡检坐标既可以由光纤等预警系统提供，也可以人为指定，无人机径直飞往指定位置开展核查作业，称为定点核查。在这两种使用方式的基础上，通过加装不同的设备，无人机巡检系统可被赋予不同的功能。

1.2.1 泄漏检测

当管道开展维抢修作业时，需要检测施工区域附近是否存在天然气泄漏情况。传统的检测方式是操作人员手持泄漏检测仪，沿着施工区域及周边缓慢移动，若施工区域存在超过阈值的天然气，泄漏检测仪就会报警，但这种方式存在一定的监测盲区，因此一些公司尝试采用无人机开展管道施工区域的泄漏检测作业。利用无人机搭载TDLAS（可调谐激光吸收谱技术）泄漏检测设备悬停在施工区域上方对整个施工区域进行检测，若天然气泄漏，由于天然气密度比空气小，会迅速向周围空间、上方运动，容易被悬停在上空的无人机检测，从而进行报警。

1.2.2 测量

这种应用方式是定点核查应用的补充，在对滑坡规模及第三方堆载的测量方面应用尤其广泛，其原理是利用无人机搭载多镜目摄像头对测量物进行拍照，获取目标图像信息后，利用专业软件对这些信息进行分析、处理，从而得到该物体的尺寸、规模。

2 无人机巡检系统的改进建议

2.1 建立无人机作业规程

目前在使用无人机的过程中，由于天气、信号、机械故障、操作失误等方面的原因，无人机时常出现各种各样的问题，造成坠机及其他事故。建立无人机操作规程，制定无人机及相关设备起飞、巡检、维护及故障处理等方面的操作步骤、注意事项，可以有效减少无人机巡检作业事故，提高巡检成功率。操作规程主要包括以下方面：

（1）日常维护

将无人机及配套设备放置在安全区域，指派专人开展维护工作，定期检查设备的完好情况、放置的周围环境对其产生的影响，并做好记录工作。

（2）作业规程

将无人机作业分为试验作业和巡检作业，巡检作业又分为自动巡检和手动巡检，根据各个作业的特点、安全事项、作业阶段等相关内容分别制定作业规程，并严格落实。

（3）应急预案

对无人机巡检作业开展风险评价，分析巡检过程中的常见风险及其原因，针对这些风险分别制定应急预案。

2.2 培养无人机作业专业团队

当前在很多管道公司内，无人机只是人工巡检的一个补充手段，因此没有组建专业的无人机作业团队。当无人机或者相关设备出现故障时，最常见的解决方式是返厂维修或邀请厂家到现场开展维修服务，这种方式会耗费大量时间，影响管道巡检。随着无人机巡检系统的普及，在一线巡检人员数量减少的同时，无人机及配套设备的数量急剧增加，组建专业的无人机团队已经迫在眉睫。建议从一线员工中选拔具有无人机操作经验的人员组建无人机作业团队，邀请厂家为其开展培训，包括操作培训、维修培训、保养培训，并定期开展技能比赛，提高无人机团队的作业水平。

2.3 加强与新技术的关联

随着大数据和人工智能技术的快速发展，一些新的技术已被应用在油气行业中，数字孪生技术是一个典型代表。该技术以数据作为驱动要素，通过建立与实体高度一致的虚拟模型来开展各类作业。通过数字孪生技术，建立无人机及配套设备的虚拟模型，可以更好地使用无人机巡检系统。以无人机起降台维抢修过程为例，说明数字孪生技术的应用，如图2 所示。

图2 基于数字孪生技术的无人机库维抢修过程

整个应用过程可以分为以下步骤：（1）建立无人机起降台维修指导库，包括技术手册、维修视频等；（2）建立无人机起降台的维修数据库，收集故障信息以及维修记录；（3）对发生故障的设备开展诊断工作，确定发生故障的类型以及原因；（4） 在维修数据库中寻找相应的故障信息，形成维修方案，包括维修方法、作业人员、需要设备及库存等；（5）利用空间坐标和设备特征点构建虚实结合的作业场景，场景坐标随着作业的进行不断变化；（6）作业人员根据交互面板的信息开展维修作业；（7）维修作业完成后，自动将其纳入维修数据库，同时将有价值的维修工作视频加入维修指导库。

此外，数字孪生技术还可以用于无人机飞行培训、无人机运行状态监测等方面。

3 结论

本文以管道公司的巡检无人机作为研究对象，详细介绍了无人机巡检系统的组成、功能，并且结合无人机巡检系统的现实需求、应用前景，得出以下结论：

（1）无人机巡检系统主要由无人机、起降台、服务器以及显示平台四部分组成，通过使用无人机搭载不同的设备，可以实现不同的功能；

（2）无人机在管道公司的应用会越来越普遍，为了适应这种需要，管道公司应制定严格的无人机操作规程，培养专业的无人机操作及维修团队，加强无人机巡检系统和新技术的关联，提高无人机作业的规范性和创新性。