史寧崗1 袁勛1 黃盛華2 石燕茹3

1.中石油北京天然氣管道有限公司；

2.中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部；

3.德州智遙航空科技有限公司

摘 要： 在智慧管道建設各種基礎數據的獲取中，無(wú)人機相關(guān)技術(shù)得到了廣泛應用。介紹了無(wú)人機航測技術(shù)、遙感系統等技術(shù)特點(diǎn)以及在管道設計、建設、運營(yíng)各階段的應用。分析了傾斜攝影系統、數據傳輸系統、視頻識別系統等相關(guān)技術(shù)的研究現狀。并提出了無(wú)人機合規化管理問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機；管道巡檢；三維建模；中繼通信；跟蹤云臺；無(wú)人機監管

石油天然氣是全球能源支柱。截至2016年底，僅中國石油在國內運營(yíng)的油氣管道總里程就達到了81 191公里。隨著(zhù)管道業(yè)務(wù)的“標準化、模塊化、信息化”水平不斷提高，在管道設計、建設、運營(yíng)過(guò)程中，逐漸引入了大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，提供了對智能管道智慧管網(wǎng)建設中的數據支持。在各種基礎數據的獲取中，無(wú)人機相關(guān)技術(shù)也得到了廣泛應用。

1 無(wú)人機航測和遙感系統

無(wú)人機航測體現了無(wú)人機與測繪的緊密結合，同時(shí)也提供了更高效的測繪方式。經(jīng)實(shí)驗證明，無(wú)人機航測技術(shù)完全可以達到國家航空攝影測量規范的要求。相比野外實(shí)測，無(wú)人機航測回避了飛行員的人身安全風(fēng)險，操作員的培養周期相對較短；具有周期短、效率高、成本低等特點(diǎn)。

無(wú)人機遙感系統有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）無(wú)人機可以超低空飛行，可在云下飛行航攝，彌補了衛星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。

（2）由于低空接近目標，因此能以比衛星遙感和普通航攝低得多的代價(jià)得到更高分辨率的影像。

（3）能實(shí)現適應地形和地物的導航與攝像控制，從而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持構建城市三維景觀(guān)模型，而不局限于衛星遙感與普通航攝的正射影像常規產(chǎn)品。將無(wú)人機遙感系統進(jìn)行工程化、實(shí)用化開(kāi)發(fā)，借助其機動(dòng)、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢，在陰天、輕霧天也能獲取合格的彩色影像，從而將大量的野外工作轉入室內作業(yè)，既能減輕勞動(dòng)強度，又能提高作業(yè)的技術(shù)水平和精度。

2 無(wú)人機應用

2.1 管道踏勘設計階段

在管道勘察設計階段，需要廣泛搜集沿途各種資料，以確保施工方案的可操作性，并對施工過(guò)程中潛在的危險進(jìn)行評估。傳統的管道線(xiàn)路選擇采用手工方式，費時(shí)費力且效率低下。使用無(wú)人機通過(guò)傾斜攝影技術(shù)、正射影像技術(shù)，可以全面快速地了解地形地貌、植被、水文等信息，從而為管道選線(xiàn)提供依據[1]。

2.2 管道建設階段

在施工建設前期，利用無(wú)人機了解施工現場(chǎng)的地形、道路、周?chē)�環(huán)境等情況，便于施工人員及設備進(jìn)入現場(chǎng)，盡快開(kāi)展施工。在施工進(jìn)行階段，可以利用無(wú)人機拍攝現場(chǎng)施工進(jìn)度、物料使用情況、機具布置情況、管道走向等，及時(shí)調整人員和設備，按設計要求進(jìn)行施工。

2.3 管道運行階段

管道運行管理中，將逐漸建成2D、 3D引擎，ArcGIS引擎，實(shí)現對二維矢量圖層、影像、 GIS地圖、三維模型等統一生成和數據疊加，通過(guò)大屏、 PC端、移動(dòng)終端等方式展示。無(wú)人機在巡檢過(guò)程中所獲取的各種影像數據，可應用于管道及場(chǎng)站實(shí)體可視化應用及綜合建模展示，也可應用于管網(wǎng)數據可視化展示。能夠提供管網(wǎng)分布、走向及完整性數據二維展示及三維場(chǎng)景，查看場(chǎng)站內各區域分布及運行數據建模支持。

通過(guò)無(wú)人機航測，實(shí)現站內設備設施三維展示，可建立與現實(shí)情況高度一致的設施設備模型，站內關(guān)鍵設備能按零部件拆解實(shí)現三維可視化，有效支持基層員工檢維修作業(yè)[2]。

在高后果區、防汛重點(diǎn)地段、第三方施工等關(guān)鍵部位采用無(wú)人機航測巡檢，可實(shí)現遠程視頻監視，補充運行期間周邊道路橋架、電力線(xiàn)路、建構筑物、地下隱蔽設施信息，實(shí)現周邊環(huán)境數據可視化應用[3]。

在管道周邊突發(fā)事件的應急搶險中，通過(guò)無(wú)人機圖傳系統可將現場(chǎng)情況實(shí)時(shí)傳給應急指揮通信車(chē)，車(chē)載視頻以流媒體形式通過(guò)衛星遠傳至應急指揮中心，實(shí)現事故現場(chǎng)與指揮中心應急數據快速錄入、發(fā)布和推送，以及圖像、語(yǔ)音、視頻等現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的交互提供。

借助人工智能中的圖像處理技術(shù)、圖像識別技術(shù)，實(shí)現無(wú)人機拍攝影像的實(shí)時(shí)比對分析，加強對管道周邊環(huán)境變化的對比分析，實(shí)現人員、房屋、車(chē)輛等對象的自動(dòng)識別，深入挖掘人員行為特征和環(huán)境突發(fā)情況特征，實(shí)現管道風(fēng)險識別的智能化。

3 相關(guān)技術(shù)研究

3.1 傾斜攝影系統

傾斜攝影技術(shù)發(fā)展的前期，各家從業(yè)公司采取的辦法均是將單相機進(jìn)行簡(jiǎn)單集成，且多是外向式設計原理；后期，考慮到減重，續航，穩定性等，部分廠(chǎng)家對單相機進(jìn)行深度拆解和定制，在相機重量，焦距鏡頭，控制上均下了很大功夫，且均采用內向式布局。硬件方面，多旋翼掛載五鏡頭和固定翼掛載多鏡頭是兩個(gè)不同的研發(fā)方向。

根據油氣管線(xiàn)特點(diǎn)，航拍作業(yè)面呈帶狀分布，故選擇固定翼機型最為合適。傾斜攝影模型

凸顯了以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）時(shí)效性：在某些管道沿線(xiàn)，地質(zhì)自然災害發(fā)生頻繁，管道應急搶險是重中之重。無(wú)人機傾斜攝影可以及時(shí)傳遞災害地的具體信息，為后續的應對決策提供支持[4]。

（2）機動(dòng)靈活性：通常發(fā)生山體滑坡或泥石流災害地區，其地形氣候都相對復雜，信息收集靠人力無(wú)法實(shí)現。而無(wú)人機能夠在復雜地形環(huán)境下完成高質(zhì)量的信息采集。

（3）信息高質(zhì)量：衛星拍攝和普通的航空飛行空間信息采集由于飛行高度限制，因云層的氣象因素使收集的成像信息產(chǎn)生一定的誤差。而無(wú)人機的低空特性使分辨率得到了質(zhì)的提 高，并且多角度拍攝形成的紋理影像也避免了遮擋的問(wèn)題 [5]。

3.2 數據傳輸系統

無(wú)人機作業(yè)過(guò)程中，信息數據的傳輸是制約固定翼無(wú)人機飛行距離的主要原因。管道建設初期，管道沿線(xiàn)都會(huì )鋪設光纜作為閥室及站場(chǎng)的數據通信鏈路。無(wú)人機數據傳輸可借用伴行光纜安裝中繼通信設備進(jìn)行數據遠傳。

此外，可以結合閥室視頻監控系統云臺攝像機增加定向天線(xiàn)自動(dòng)控制功能，使其在平時(shí)作為普通云臺攝像機使用，無(wú)人機作業(yè)時(shí)可切換到天線(xiàn)跟蹤模式。天線(xiàn)自動(dòng)控制系統是通過(guò)GPS采集定向天線(xiàn)的經(jīng)緯度和高度等位置信息，通過(guò)數字羅盤(pán)采集定向天線(xiàn)的方位角和俯仰角等姿態(tài)信息，結合無(wú)人機位置、高度等飛行數據，經(jīng)微處理器計算出定向天線(xiàn)對準無(wú)人機接收天線(xiàn)所需的方位角、俯仰角，然后通過(guò)驅動(dòng)云臺伺服電機使天線(xiàn)實(shí)現自動(dòng)跟蹤，以此方法提高無(wú)人機數據傳輸的效率及距離。

3.3 視頻識別系統

通過(guò)分析無(wú)人機拍攝的大量圖片、視頻信息，可有效地監控管道沿線(xiàn)的第三方作業(yè)、高后果區狀態(tài)�；�于視頻和圖像處理的自動(dòng)車(chē)型識別、人員識別、物體識別、狀態(tài)識別等方法，給現場(chǎng)狀態(tài)改變發(fā)出預警信息。

結合智慧管道智能管網(wǎng)建設要求，借助人工智能中的圖像處理技術(shù)、圖像識別技術(shù)，實(shí)現無(wú)人機拍攝影像的實(shí)時(shí)比對分析，加強對管道周邊環(huán)境變化的對比分析，深入挖掘人員行為特征和環(huán)境突發(fā)情況特征，實(shí)現管道風(fēng)險識別的智能化。

4 無(wú)人機合規化管理

無(wú)人機技術(shù)使用中需高度重視飛行空域、飛行監管、作業(yè)規范等相關(guān)法律法規的適用性問(wèn)題。民航局飛行標準司批準的《U-Cloud（優(yōu)云）系統》《U-Care無(wú)人機綜合監管云系統》是目前國內僅有的兩套無(wú)人機監管系統。應借鑒該系統，設計石油行業(yè)無(wú)人機多級監管系統，以期達到監管部門(mén)與管道公司各級部門(mén)間的協(xié)同管理，實(shí)現多終端云同步、飛行計劃快速報批、飛行數據實(shí)時(shí)上報、飛行數據云存儲、支持多種數據鏈路接入等。

參考文獻：

[1]康煜姝 武斌.無(wú)人機在油氣長(cháng)輸管道中的應用[J].當代化工， 2015 ， (8): 2 045-2 047.

[2]余志光.遙感與GIS在油氣管道線(xiàn)路選擇中的應用研究[D].北京:清華大學(xué),2011.

[3]張侃.多旋翼無(wú)人機在輸電線(xiàn)路巡檢中的運用及發(fā)展[J].現代工業(yè)經(jīng)濟和信息化， 2013(16):72-73.

[4]武海彬 .無(wú)人機系統在油氣管道巡檢中的應用研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量， 2014，(09):105-106.

[5]李能?chē)�，無(wú)人機傾斜攝影模型在應急救災中的應用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品， 2017， (14):138-139.

作者：史寧崗，男， 1974年生，畢業(yè)于長(cháng)江大學(xué)，中石油北京天然氣管道有限公司，工程師，從事無(wú)人機應用、通信技術(shù)、人工智能、 TRIZ萃智理論行業(yè)應用等工作。

（本篇論文獲第六屆中國管道完整性管理技術(shù)交流大會(huì )二等獎，經(jīng)作者同意，本刊轉載時(shí)有刪改。）