方嘉志 王建輝

陜西省天然氣股份有限公司

摘 要： 目前，依賴常規(guī)巡檢手段已經(jīng)難以滿足天然氣管道安全巡護(hù)管理的要求，需要采用更科學(xué)的管理辦法和技術(shù)手段。提出按照“軍民融合”的發(fā)展模式，依托高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、長(zhǎng)距離無人機(jī)飛行平臺(tái)、地面巡邏車等構(gòu)建空天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，利用國產(chǎn)智能化地理信息云平臺(tái)（GEOVIS）開展地物變化檢測(cè)、隱患分析、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，為相關(guān)業(yè)務(wù)人員提供情況處置和指揮決策技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 空天地一體化；智能巡檢；無人機(jī)

我國天然氣管道具有運(yùn)行總里程長(zhǎng)、途經(jīng)地形復(fù)雜、人工巡檢困難、安全事件和事故多發(fā)的特點(diǎn)。管道長(zhǎng)期埋設(shè)在地下，內(nèi)外壁腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害損毀、第三方損壞等各種不確定性因素的影響，對(duì)管道安全運(yùn)行帶來潛在的巨大危害。而依賴常規(guī)巡檢無法滿足安全運(yùn)行的要求。

目前，工業(yè)級(jí)無人機(jī)和遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高度結(jié)合成為必然趨勢(shì)，形成數(shù)字化、信息化的管道智能巡檢系統(tǒng)，提高了隱患監(jiān)控質(zhì)量和巡護(hù)效率，能從根本上解決人工巡檢花費(fèi)周期長(zhǎng)、人力成本高、巡護(hù)有盲區(qū)的問題。

運(yùn)用無人機(jī)、衛(wèi)星遙感、北斗導(dǎo)航等技術(shù)對(duì)管道空天地進(jìn)行一體化監(jiān)測(cè)，通過合理的航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)獲取計(jì)劃、實(shí)地導(dǎo)航核查，獲取天然氣管道沿線的高分辨率影像、數(shù)字表面模型，歷史衛(wèi)星影像等資料，對(duì)管道地表沿線地物變化及重要設(shè)施狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，排查天然氣管道安全隱患，降低重大事故發(fā)生概率，節(jié)約成本。

1 技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

管道空天地一體化智能巡檢系統(tǒng)是構(gòu)建“一網(wǎng)、一平臺(tái)”的遙感信息服務(wù)模式，實(shí)時(shí)接入空、天、地融合的多時(shí)空尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)，以智能化地理信息云服務(wù)平臺(tái)為核心，形成面向線路安全巡檢的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示。

圖 1  系統(tǒng)架構(gòu)

空天地對(duì)地監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多源、多時(shí)相、多尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)的接入，主要包括高分辨率衛(wèi)星遙感影像、無人機(jī)、地面巡邏車加終端采集系統(tǒng)、氣象聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)等方式對(duì)管道本體信息、沿線環(huán)境、氣象等信息的接入。

智能化地理信息云服務(wù)平臺(tái)對(duì)空天地一體化數(shù)據(jù)進(jìn)行引接、存儲(chǔ)管理，對(duì)獲取的航空遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理、校正等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)、信息提取、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等深層次應(yīng)用，同時(shí)將評(píng)估分析結(jié)果進(jìn)行二三維一體化顯示，并對(duì)隱患進(jìn)行流程化在線處理。

管道安全巡護(hù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用包含了違章占?jí)骸⒌谌�方施工、地質(zhì)災(zāi)害、場(chǎng)站設(shè)備設(shè)施、泄露及應(yīng)急等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.2 工作流程

系統(tǒng)工作流程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理、可視化展示平臺(tái)及隱患/現(xiàn)場(chǎng)處理平臺(tái)。工作流程如圖 2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

（1）數(shù)據(jù)采集：利用無人機(jī)航空遙感、航天衛(wèi)星遙感、地面遙感，搭載光學(xué)載荷、微波傳感器對(duì)管道本體及其周邊信息進(jìn)行采集。

（2）數(shù)據(jù)處理：對(duì)空天地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行輻射歸一化處理、配準(zhǔn)處理、融合處理，對(duì)管道周邊環(huán)境時(shí)序時(shí)序信息變化提取和應(yīng)急搶險(xiǎn)信息快速提取。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)管理：提供空天大數(shù)據(jù)接入、存儲(chǔ)、組織、管理、共享分發(fā)和隱患評(píng)估應(yīng)用服務(wù)。

（4）可視化展示平臺(tái)：通過PC端、移動(dòng)端設(shè)備，直觀展示評(píng)估分析處理結(jié)果，及時(shí)進(jìn)行信息預(yù)警、輔助決策，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

（5）現(xiàn)場(chǎng)處理：應(yīng)急搶險(xiǎn)人員收到疑似險(xiǎn)情點(diǎn)，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，并通過平臺(tái)完成上報(bào)，實(shí)現(xiàn)隱患/事故處理流程閉環(huán)管理。

1.3 數(shù)據(jù)采集

（1）高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

管道地表地物主要有房屋、植被等，為觀測(cè)地表地物是否發(fā)生變化，是否有對(duì)管道存在破壞和影響的開挖、施工等現(xiàn)象，管道監(jiān)測(cè)宜使用分辨率優(yōu)于1米的高分衛(wèi)星影像，保障管道監(jiān)測(cè)成果的正確性。高分辨率影像數(shù)據(jù)獲取分兩種方式：一是根據(jù)影像數(shù)據(jù)源需求，綜合檢索衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源庫，獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域遙感影像，對(duì)于庫存欠缺區(qū)域結(jié)合購買商業(yè)影像數(shù)據(jù)等方式進(jìn)行補(bǔ)充，從而盡可能多地獲取庫存影像數(shù)據(jù)。二是利用航天多星多任務(wù)規(guī)劃能力，采用編程定制特定監(jiān)測(cè)區(qū)域衛(wèi)星拍攝計(jì)劃，進(jìn)行衛(wèi)星影像的有效補(bǔ)充。

（2）無人機(jī)數(shù)據(jù)

對(duì)于復(fù)雜地形環(huán)境的長(zhǎng)距離管道巡檢，采用油動(dòng)固定翼無人機(jī)，最大巡視范圍不小于500千米，帶寬范圍為管道中心線兩側(cè)各200米，無人機(jī)影像分辨率優(yōu)于0.2米。

通過建立地面測(cè)控站，管控中心通過測(cè)控站組網(wǎng)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。按飛行計(jì)劃獲取沿線的影像及視頻數(shù)據(jù)，通過一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)匯集傳遞到管控中心。無人機(jī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖 3所示。

圖3 無人機(jī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)示意圖

相關(guān)指標(biāo)要求：①像片上不應(yīng)有云、煙、大面積反光、污點(diǎn)等缺陷。②像點(diǎn)位移根據(jù)飛行速度、曝光時(shí)間和像片地面分辨率計(jì)算，不宜超過1個(gè)像元，最大不大于1.5個(gè)像元。③影像航向重疊度最小不應(yīng)小于70%；④像片傾角應(yīng)以滿足航向重疊度要求為準(zhǔn)，一般不大于5°。

在遭遇洪水、泥石流、山體滑坡、地震等突發(fā)自然災(zāi)害中，采用多旋翼小型無人機(jī)可以全天候全天時(shí)拍攝遙感影像，并進(jìn)入受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查管道受損位置、受損情況及周邊次生災(zāi)害情況，還可掛載相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行掃描測(cè)繪，生成現(xiàn)場(chǎng)三維圖像，利用數(shù)據(jù)鏈將信息傳回檢查站和指揮中心，為制定維護(hù)搶修方案提供情報(bào)支撐，同時(shí)定位引導(dǎo)后續(xù)救援維護(hù)，最大程度降低災(zāi)害。

1.4 空天遙感數(shù)據(jù)處理

采用空天大數(shù)據(jù)智能處理平臺(tái)(GEOVIS iFactory)對(duì)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、無人機(jī)航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪遙感影像的智能解譯、地物提取、目標(biāo)識(shí)別等功能；同時(shí)GEOVIS iFactory結(jié)合多種并行策略，實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的高效率、高精度、全自動(dòng)的快速處理能力。

實(shí)現(xiàn)多種載荷、大量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，支持異源影像的自動(dòng)匹配，支持不同衛(wèi)星聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差，有效保證成果精度的同時(shí)大幅度提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效 率。遙感影像自動(dòng)化處理流程如圖 4所示。

圖 4  遙感影像自動(dòng)化處理流程

1.5 地物變化檢測(cè)及隱患評(píng)估分析

以高分辨率衛(wèi)星正射影像與無人機(jī)正射影像為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字化管道系統(tǒng)的地理信息及GPS智能巡檢結(jié)果，采用GEOVIS iFactory通過變化檢測(cè)、影像判讀、人工智能深度學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，對(duì)管道兩側(cè)安全距離內(nèi)的建筑物進(jìn)行識(shí)別分析，提取管道違章占?jí)航ㄖ�物的�?shù)量和位置信息，為違章占?jí)簣?zhí)法提供信息支持。對(duì)比不同時(shí)期影像和土地利用類型圖進(jìn)行安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；對(duì)場(chǎng)站、穿跨越、第三方施工地點(diǎn)、高后果區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行詳查，形成判讀報(bào)告、專題圖件、隱患分析、威脅評(píng)估報(bào)告等成果。

2 案例分析

選取西安至商州輸氣管道試驗(yàn)段，線路全長(zhǎng)132.7千米，管線穿越山坡、河流、道路、農(nóng)田、村落等區(qū)域，最低點(diǎn)海拔335米，最高點(diǎn)海拔1 313米，高海拔區(qū)域約占整個(gè)管線長(zhǎng)度的二分之一。無人機(jī)飛行航線如圖 5所示。

圖5  無人機(jī)飛行航線

選用彩虹CH803型無人機(jī)搭載哈蘇X1D-50C相機(jī)進(jìn)行試飛，完成14架次試飛試驗(yàn)，驗(yàn)證無人機(jī)巡線系統(tǒng)在本地區(qū)實(shí)行常態(tài)化、工業(yè)級(jí)巡線的作業(yè)能力和可行性。重點(diǎn)對(duì)山地起降、長(zhǎng)距離飛行、實(shí)時(shí)通信傳輸、航線精度和成像效果等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行考核驗(yàn)證。同時(shí)驗(yàn)證智能化地理信息云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)獲取的航空遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的處理效率及變化監(jiān)測(cè)、信息提取、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精確度。

提供以下成果報(bào)告：①正射影像圖。②矢量圖斑：如地物類別，壓占類型等。③專題圖：包括沿管線壓占專題圖及監(jiān)測(cè)區(qū)重點(diǎn)地物變化專題圖（圖 6）。④工作報(bào)告。包括管線遙感監(jiān)測(cè)工作原理、工作流程、技術(shù)路線等的提煉總結(jié)及現(xiàn)場(chǎng)隱患處置工作建議等。

圖 6  疑似隱患點(diǎn)專題圖

3 結(jié)論

綜上所述，在天然氣管道巡檢中，遙感技術(shù)等與地面人工巡查、無人機(jī)巡查協(xié)同構(gòu)成管道巡檢和管護(hù)的空天地協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，用于違章占?jí)罕O(jiān)測(cè)、管線周邊施工監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和應(yīng)急搶險(xiǎn)遠(yuǎn)程指揮，提高高后果區(qū)、無人區(qū)、人員不易到達(dá)地區(qū)的監(jiān)測(cè)水平，對(duì)保障天然氣安全輸送和公共安全將發(fā)揮越來越重要的作用。

作者：方嘉志， 1967年生， 2014年畢業(yè)于西北大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)任陜西省天然氣股份有限公司總經(jīng)理，從事天然氣長(zhǎng)輸管道運(yùn)行管理工作。

（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)三等獎(jiǎng)，經(jīng)作者同意，本刊轉(zhuǎn)載時(shí)有刪改。）