田磊

國家管網(wǎng)集團華南公司

摘要：以某輸油部為試點(diǎn)，綜合運用“天基”衛星、“空基”無(wú)人機、“地基”光纖和視頻AI監測等技術(shù)，采集多源時(shí)空數據，在數據對齊、數據挖掘和綜合分析的基礎上，對地災、第三方施工等危害因素進(jìn)行全天候動(dòng)態(tài)監測和預警，構建了“天空地”防護巡一體化體系，推動(dòng)公共安全治理模式從被動(dòng)防護向事前預防轉型。

關(guān)鍵詞：“天空地”防護巡；全天候；多源時(shí)空數據；一體化管理

華南公司是目前國內最大的成品油管道儲運企業(yè)，建設運營(yíng)著(zhù)近6000千米成品油管道，途經(jīng)廣東、廣西、貴州、云南、四川和重慶，既經(jīng)過(guò)山高谷深、地質(zhì)災害頻發(fā)的西南地區，也經(jīng)過(guò)經(jīng)濟發(fā)達、第三方施工頻發(fā)的珠三角地區，穿越1913條河流，管道安全管理風(fēng)險高。為了保障管道外部安全、降低公共安全風(fēng)險，華南公司以川渝輸油部為試點(diǎn)，綜合運用衛星遙感、無(wú)人機、AI 攝像頭等天空地技術(shù)，采集多源時(shí)空數據，基于數據挖掘、融合和綜合分析等關(guān)鍵技術(shù)，對地災、第三方施工、陰保等類(lèi)危害因素進(jìn)行全天候動(dòng)態(tài)監測和預警，實(shí)現了 “空天地”防護巡一體化（圖 1）。

圖 1 天空地防護巡一體化體系架構

1  天基防護技術(shù)

1.1  InSAR技術(shù)

利用 InSAR 衛星技術(shù)可對管道沿線(xiàn)進(jìn)行大范圍地質(zhì)風(fēng)險篩查，快速獲取目標區域的地形、地貌以及表面的微小變化，通過(guò)采集管道沿線(xiàn)區域多個(gè)時(shí)期的 SAR 圖像并進(jìn)行干涉分析，計算出地面沉降和地表形變的速率，生成形變速率專(zhuān)題圖，從而劃分出高、中、低不同的風(fēng)險區域。

1.2  光學(xué)遙感衛星影像

利用高分辨率衛星影像數據，采用自動(dòng)提取技術(shù)，結合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，并基于緩沖區分析、線(xiàn)性參考等技術(shù)，可自動(dòng)提取管道高后果區范圍的建筑物、運動(dòng)場(chǎng)、水源等目標，并自動(dòng)劃定邊界，實(shí)現長(cháng)度、范圍、類(lèi)型及數量等的定量識別。還可識別管道周邊高壓輸電線(xiàn)路、地鐵、高鐵等雜散電流干擾源的位置及分布。

2  空基巡護技術(shù)

2.1  無(wú)人機

針對常用無(wú)人機續航短，管道威脅事件識別時(shí)效性差、漏檢率高等缺點(diǎn)，采用無(wú)人機加機庫實(shí)現高后果區等重點(diǎn)部位的24小時(shí)全天候自主巡檢。運用邊緣計算，集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、運動(dòng)恢復結構等算法進(jìn)行異常目標識別和定位，可實(shí)時(shí)、精準識別管道威脅事件及行為（打孔盜油、第三方施工、占壓、地災等），準確率超過(guò)90%。

無(wú)人機搭載高清攝像設備對懸索跨、橋梁、桿塔等復雜設施進(jìn)行三維立體巡檢，可有效覆蓋人員難以巡檢的遠端和下端部位，進(jìn)行周期性變形變化檢測，通過(guò)智能分析和建模，自動(dòng)識別設施損壞、錯位等異常部件，改善人工巡檢風(fēng)險高、效率低等問(wèn)題。

2.2  無(wú)人機與天基技術(shù)融合

將高分辨率遙感與無(wú)人機巡檢影像結合，通過(guò)拼圖算法，構建管道帶狀走廊高精度二維正射影像模型（DOM），通過(guò)管道附屬設施、腐蝕干擾源、高后果區等多維數據疊加，進(jìn)一步生產(chǎn)能自動(dòng)定義分辨率的、帶地理坐標和管道周邊特征信息的高清 GIS 地圖，實(shí)現各專(zhuān)業(yè)管理的數據共享和統一。

將INSAR和無(wú)人機采集的影像相結合，經(jīng)過(guò)圖像校正、配準、去除畸變等處理，可獲得準確的三維點(diǎn)云地理信息，模擬出現場(chǎng)地形地貌模型，精度達到厘米級。配合 GIS平臺可對模型進(jìn)行高度、長(cháng)度、面積測量，通過(guò)不同時(shí)間的分析測量，判斷是否發(fā)生地表沉降、地表變形或位移，并對災害風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行標記。

2.3  無(wú)人機與地基技術(shù)融合

通過(guò)無(wú)人機搭載 Mesh 自組網(wǎng)可覆蓋10千米以上的區域，為各類(lèi)各級應急響應提供數據、語(yǔ)音和視頻的通信網(wǎng)絡(luò )支撐。無(wú)人機空中系統依靠無(wú)人機地面系統供電完成長(cháng)時(shí)間飛行作業(yè)，并將無(wú)人機攜帶的 Mesh 自組網(wǎng)的數據通過(guò)光纖回傳到地面。

3  地基防護技術(shù)

3.1  光纖技術(shù)

（1）光柵陣列應變監測。使用光柵陣列可實(shí)時(shí)監測管道的應力變化，通過(guò)軟件對管道的整體應力分布進(jìn)行擬合，形成管道應力場(chǎng)分布，整體判斷管道的受力狀態(tài)。

（2）分布式光纖振動(dòng)。利用與管道同溝敷設的通信光纜作為伴隨傳感介質(zhì)，感知管道沿線(xiàn)的振動(dòng)信息，對管道沿線(xiàn)第三方施工、打孔盜油等危害管道事件進(jìn)行智能識別、定位和報警�？山Y合加密巡檢、添加攝像頭等，加強風(fēng)險管段的重點(diǎn)關(guān)注，實(shí)現管道分時(shí)分段配置報警的精準布控，有效預警。

（3）光纜運維管理系統。面對光纜位置不清、光纜淺埋、偏移等問(wèn)題，綜合運用光纜在線(xiàn)監測儀、光纜巡線(xiàn)定位儀、光纜識別儀、光纜夾鉗等光纖監測和定位技術(shù)，摸清光纜底數。開(kāi)發(fā)光纜運維管理系統，將多種光纜監檢測數據與日常光纜管理數據和管道風(fēng)險進(jìn)行數據對齊，實(shí)現光纜資源數據的可視化和數字化。打通IMS系統、光纜運維系統、第三方視頻監控、無(wú)人機巡檢平臺間的通道，實(shí)現與管道光纜預警的聯(lián)動(dòng)處置。通過(guò)智能視頻、光纖振動(dòng)、人工巡檢等上報異常報警信息，利用智能機庫遠程控制無(wú)人機前往事發(fā)地點(diǎn)，對現場(chǎng)監測和影像實(shí)時(shí)分析，精準定位隱患位置，將信息發(fā)送到相關(guān)人員移動(dòng)終端，形成管道風(fēng)險隱患閉環(huán)處置流程。

3.2  智能攝像頭

在人口密集型高后果區、打孔盜油易發(fā)區安裝智能攝像頭，自動(dòng)識別出威脅事件及不安全行為。智能攝像頭可與分布式光纖振動(dòng)結合，自動(dòng)轉向報警發(fā)生方向，實(shí)時(shí)回傳現場(chǎng)視頻數據。對可疑事件形成視頻告警數據，回傳到后端智能監管平臺，確保管理人員及時(shí)處置。

3.3  “簡(jiǎn)單棒”地災監測技術(shù)

針對西南管道地災風(fēng)險特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了“簡(jiǎn)單棒”監測系統，用于監測土壤水分、孔隙水壓力、傾斜角、位移以及溫度。對于高填方邊坡與松散碎石地基，布設靜力水準儀監測地面沉降變化。在特殊位置布設監控視頻設備，利用全方位云臺實(shí)現對施工現場(chǎng)及人員多維度監視并監控管道邊坡水位線(xiàn)。 綜合應用“簡(jiǎn)單棒”、靜力水準儀和視頻監控，實(shí)現對重大管道滑坡災害多層次、多角度、多維度的全天候監測。

3.4  應急通信（網(wǎng))

應急通信（網(wǎng)）通過(guò)Mesh自組網(wǎng)和衛星便攜站組成的應急通信保障系統，解決信息孤島和偏遠地區作業(yè)的通信保障�；�于衛星通信配置衛星便攜站通過(guò)亞太6D衛星在指定區域建立現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，作為指揮中心網(wǎng)絡(luò )的延伸。在指定區域內配置Mesh自組網(wǎng)，同時(shí)配備衛星電話(huà)作為通信的補充。裝備了Mesh自組網(wǎng)設備的人員和車(chē)輛之間可以直接進(jìn)行通信。

4  應用成效

自今年5月應用以來(lái)，產(chǎn)生報警信息255條，結合現場(chǎng)核實(shí)不斷修正算法，總體的報警準確率從40%提升至97%。成功預警突發(fā)第三方施工行為10次，成功監測3段管道嚴重地面沉降（圖 2）。根據風(fēng)險預警結果，制定11項重點(diǎn)業(yè)務(wù)管理看板。結合IMS系統動(dòng)態(tài)調整最優(yōu)巡查時(shí)間、巡護關(guān)鍵點(diǎn)，優(yōu)化不同時(shí)段巡護任務(wù)414個(gè)，累計設置60 049處關(guān)鍵點(diǎn)（遠高于集團每公里2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的要求），確保風(fēng)險點(diǎn)巡護到位�？偨Y形成了風(fēng)險管控技術(shù)矩陣表（圖 3），聚焦4類(lèi)管道、18種風(fēng)險，制定了“天基”衛星、“空基”無(wú)人機、“地基”光纖、視頻AI監測等9項技術(shù)的使用規程，編制天空地防護巡一體化技術(shù)體系標準。

圖 2 識別出的地災風(fēng)險點(diǎn)

圖 3 空地防護巡一體化風(fēng)險管控技術(shù)矩陣

5  結語(yǔ)

華南公司“天空地”一體化管理模式，實(shí)現了油氣管道威脅事件識別的各項可靠技術(shù)的融合，突破了“1+1=2”的限制，形成了可推廣應用的管道風(fēng)險技術(shù)矩陣和天空地防護巡一體化技術(shù)體系標準等實(shí)踐成果。

目前在管道隧道區、河流穿越段等，還存在數據底數難以摸清或未及時(shí)更新等問(wèn)題，還需要加強數據治理、數據對齊和數據挖掘工作，弄清管道的薄弱環(huán)節，從而精準施策，對不同風(fēng)險管段采取針對性的風(fēng)險防控措施。同時(shí)要加大數據樣本訓練，算法迭代優(yōu)化，實(shí)現更精準的威脅事件識別和定位等預警，確保天空地防護巡一體化工作的經(jīng)濟性、可靠性。

作者簡(jiǎn)介：田磊，1981年生，現任國家管網(wǎng)集團華南公司副總經(jīng)理、安全總監。研究方向為油氣儲運、管道完整性管理。