馬文

中國電子科技集團公司第五十四研究所

摘  要：傳統的油氣管道巡檢采用人工方式，受制于山區地形、氣候影響，存在人力成本高、勞動(dòng)強度大、效率低等問(wèn)題。設計了一種基于測控走廊的油氣管道無(wú)人機巡檢系統，開(kāi)展了無(wú)人機應用于山區等復雜地形地貌進(jìn)行遠距離大范圍巡檢作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)研究。系統應用于貴州晴隆天然氣管道巡檢作業(yè)，表明可以滿(mǎn)足管道巡檢工作需要。

關(guān)鍵詞：油氣管道；山區；測控走廊；巡檢系統；無(wú)人機

山區管道所處區域大多山高林密、人跡罕至、交通不便，傳統巡檢方法工作量大、巡檢效率低，特別在高海拔大落差和跨越大江大河等管段，以及發(fā)生冰災、水災、地震、滑坡時(shí)和夜晚開(kāi)展巡查，很難做到實(shí)時(shí)性、有效性和全覆蓋。

近年來(lái)，由于無(wú)人機具備經(jīng)濟性、安全性、易操作、反應快、作業(yè)范圍廣等特點(diǎn)，基于云數據、視頻圖像識別等新技術(shù)的智能無(wú)人機越來(lái)越廣泛地應用于油氣管道巡檢工作[1-3]，但存在遠距離作業(yè)能力欠缺，數據完整性和實(shí)時(shí)性不足，以及數據傳輸安全性問(wèn)題。

筆者設計了基于測控走廊的無(wú)人機油氣管道巡檢系統，通過(guò)測控走廊將無(wú)人機采集的實(shí)時(shí)數據和監測畫(huà)面回傳給地面數據處理平臺，經(jīng)應用于貴州晴隆天然氣管道巡檢作業(yè)，可以滿(mǎn)足無(wú)人機巡檢遠距離、大范圍、實(shí)時(shí)性、安全性、完整性的要求。

1 系統總體設計方案

1.1 系統架構

基于測控走廊的無(wú)人機管道巡檢系統組成見(jiàn)圖 1。系統主要由無(wú)人機測控網(wǎng)、無(wú)人機載荷和軟件平臺組成，無(wú)人機測控網(wǎng)包括機載數據終端、地面數據終端和光纖寬帶，軟件平臺包括飛行管理、數據管理、無(wú)人機監控、圖像處理等。

1.2 測控走廊設計

測控走廊指沿管道布設形成的無(wú)人機測控網(wǎng)絡(luò )，由地面數據終端、地面控制站、機載數據終端和寬帶光纖組合而成，是管道全區間內實(shí)現對無(wú)人機無(wú)縫測控和數據傳輸的重要保證，是無(wú)人機飛行的無(wú)線(xiàn)電空 中通道，結構如圖 2所示。

2 技術(shù)特點(diǎn)

基于測控走廊的無(wú)人機管道巡檢系統，在保證無(wú)人機飛行和數據信息安全的前提下，可實(shí)現無(wú)人機遠距離作業(yè)、圖像實(shí)時(shí)回傳、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)預警[4,5]。

2.1 超遠距離作業(yè)能力和擴展能力

通過(guò)測控走廊，實(shí)現了無(wú)人機實(shí)時(shí)控制、無(wú)人機狀態(tài)信息和管道圖像信息的實(shí)時(shí)回傳，采用網(wǎng)絡(luò )接力、自主切換、頻譜感知等方法實(shí)現各基站之間超遠距離接力和無(wú)縫覆蓋[6]，非常適合管道巡檢使用。巡檢管道距離越長(cháng)，測控走廊的優(yōu)勢越明顯。

2.2 多用戶(hù)作業(yè)能力

克服了目前巡檢無(wú)人機采用的測控鏈路一站一機模式，采用H.265圖像壓縮標準，當傳輸的載荷數據為1080 p高清圖像時(shí)，測控走廊一個(gè)基站可實(shí)現4架無(wú)人機同時(shí)測控和數據傳輸，按照巡檢200 km管道計算，布置6～7個(gè)基站，理論上可支持20多架無(wú)人機同時(shí)作業(yè)。

2.3 實(shí)時(shí)傳輸和數據服務(wù)能力

無(wú)人機獲取的管道圖像數據通過(guò)測控走廊實(shí)時(shí)傳輸到數據中心，數據中心對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)告警和信息分發(fā)，是一個(gè)強實(shí)時(shí)數據傳輸和數據處理系統，不但能夠滿(mǎn)足常態(tài)化巡檢需要，還能夠在管道異常和緊急情況下為決策者提供重要的數據支撐。

2.4 數據安全性和保密性好

數據傳輸的安全性包括反控制和抗干擾二個(gè)方面，測控走廊基站采用抗干擾波形設計技術(shù)和專(zhuān)用的加密認證技術(shù)，保證了測控走廊系統的抗干擾性和安全性。

2.5 電磁環(huán)境污染極低

測控走廊采用低功率發(fā)射和喚醒設計技術(shù)，電磁輻射遠遠低于目前巡檢無(wú)人機數據鏈采用的連續波發(fā)射方式，因此對地面人員、設施和飛行活動(dòng)以外的其他方面影響小。

2.6 系統兼容性和環(huán)境適應能力強

測控走廊設備采用通用化電氣和機械接口進(jìn)行連接，基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行數據傳輸，具有較強的兼容能力。系統設備采用防雨、防潮、防風(fēng)沙和寬溫度設計，能夠保證系統在不同季節、氣候條件下設備的可靠性和穩定性。

3 系統應用

3.1 項目背景

中緬天然氣管道貴州晴隆管段，如圖 3藍色段曲線(xiàn)所示，全長(cháng)約80 km，穿越高陡沖溝27處，其中大型高陡邊坡4處；穿越公路34次，其中等級公路3次；大開(kāi)挖穿越小型河流2處（北盤(pán)江、新寨河及支流）。全段位于山區，地質(zhì)條件復雜，地形多為沖溝、陡坡，起伏大，約10 km管段穿越西泌河二級水源地，管道沿線(xiàn)海拔在605～1760 m之間，相對高差超過(guò)1100 m。

3.2 項目實(shí)施

首先，在該管段35#閥室至37#閥室之間，沿途選擇5個(gè)點(diǎn)作為測控走廊基站位置，安裝地面數據終端，通過(guò)專(zhuān)用寬帶組網(wǎng)，組成測控走廊，如圖 4所示。隨后采用無(wú)人機管道巡檢系統開(kāi)展巡檢作業(yè)。

管道線(xiàn)路蜿蜒分布，根據實(shí)地勘察預先規劃無(wú)人機飛行航線(xiàn)，采用曲線(xiàn)航點(diǎn)執行飛行任務(wù)，航線(xiàn)規劃如圖 5所示。由于巡檢地區海拔高度在1350～1600 m范圍內變化，不同航點(diǎn)之間存在海拔高度差，如圖 6 的藍色地形高度曲線(xiàn)所示。規劃航線(xiàn)時(shí)航點(diǎn)高度選用絕對海拔高度，管道海拔低則規劃航點(diǎn)高度也低，海拔高則航點(diǎn)高度也高，如圖 6所示黃色航線(xiàn)高度，實(shí)現仿地等高飛行。

3.3 測試結果

經(jīng)多次飛行驗證，計算得出無(wú)人機巡檢的合理飛行高度：在晴朗無(wú)風(fēng)天氣，建議最低飛行高度為110 m，在此高度下，可見(jiàn)光吊艙對天然氣管道附近的地形地貌有清晰全面的反饋，可以清楚地識別線(xiàn)路有無(wú)裸露，附近是否有施工及違停車(chē)輛等。

無(wú)人機巡線(xiàn)視頻通過(guò)測控走廊實(shí)時(shí)傳輸至貴陽(yáng)分公司，實(shí)現遠程監控，利用數據中心處理軟件實(shí)現實(shí)時(shí)分析告警，為管理決策提供數據支撐。

4 結論

實(shí)地試驗充分驗證了基于測控走廊的無(wú)人機巡檢系統在油氣管道距離長(cháng)、鋪設范圍廣，所處區域地形、地貌復雜，氣候環(huán)境多變條件下應用的可行性、實(shí)用性，為今后山區等復雜地形條件下無(wú)人機巡檢作業(yè)提供了可靠的示范。未來(lái)將在兩個(gè)方面實(shí)現突破。一是多無(wú)人機集群，重點(diǎn)發(fā)展無(wú)人機集群和協(xié)同作業(yè)等技術(shù)，實(shí)現無(wú)人機統一調度和指揮，提升巡檢作業(yè)的時(shí)效性。二是多源數據融合，考慮利用無(wú)人機掛載多種檢測儀，將采集數據通過(guò)智能算法進(jìn)行處理，提高巡檢作業(yè)的準確性。

參考文獻：

[1] 李器宇，張拯宇，柳建斌，等. 無(wú)人機遙感在油氣管道巡檢中的應用[J]. 紅外， 2014， 35(3)： 37-42.

[2] 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， 34(9)：105-106.

[3] 劉松林，朱永豐，張哲，等. 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的無(wú)人機油氣管線(xiàn)巡檢監察系統[J]. 計算機系統應用， 2018， 27(12)： 40-46.

[4] 翁松偉，賴(lài)斯聰，陳海雄，等. 基于小型四旋翼無(wú)人機的道路交通巡檢系統[J].電子設計工程，2016， 24(3)： 78-81.

[5] 王慶國，王興寧.無(wú)人機管道巡檢系統在輸氣管道的應用[J]. 煤氣與熱力， 2018， 38(12)： 43-46.

[6] 周焱.無(wú)人機地面站發(fā)展綜述[J].航天電子技術(shù)，2010(01)： 1-6.

作者簡(jiǎn)介：馬文， 1967年生，工程師，畢業(yè)于中國人民解放軍空軍導彈學(xué)院雷達工程專(zhuān)業(yè)，現從事通信與測控專(zhuān)業(yè)方向的研究工作。聯(lián)系方式： 13582199611， cetcmw@126.com。