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，無人機相關技術得到了廣泛應用。介紹了無人機航測技術、遙感系統等技術特點以及在管道設計、建設、運營各階段的應用。分析了傾斜攝影系統、數據傳輸系統、視頻識別系統等相關技術的研究現狀。并提出了無人機合規(guī)化管理問題。

關鍵詞： 無人機；管道巡檢；三維建模；中繼通信；跟蹤云臺；無人機監(jiān)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的油氣管道總里程就達到了81 191公里。隨著管道業(yè)務的“標準化、模塊化、信息化”水平不斷提高，在管道設計、建設、運營過程中，逐漸引入了大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術，提供了對智能管道智慧管網建設中的數據支持。在各種基礎數據的獲取中，無人機相關技術也得到了廣泛應用。

1 無人機航測和遙感系統

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

無人機遙感系統有如下優(yōu)點。

（1）無人機可以超低空飛行，可在云下飛行航攝，彌補了衛(wèi)星光學遙感和普通航空攝影經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(wèi)星遙感和普通航攝低得多的代價得到更高分辨率的影像。

（3）能實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模型，而不局限于衛(wèi)星遙感與普通航攝的正射影像常規(guī)產品。將無人機遙感系統進行工程化、實用化開發(fā)，借助其機動、快速、經濟等優(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)，既能減輕勞動強度，又能提高作業(yè)的技術水平和精度。

2 無人機應用

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，并對施工過程中潛在的危險進行評估。傳統的管道線路選擇采用手工方式，費時費力且效率低下。使用無人機通過傾斜攝影技術、正射影像技術，可以全面快速地了解地形地貌、植被、水文等信息，從而為管道選線提供依據[1]。

2.2 管道建設階段

在施工建設前期，利用無人機了解施工現場的地形、道路、周圍環(huán)境等情況，便于施工人員及設備進入現場，盡快開展施工。在施工進行階段，可以利用無人機拍攝現場施工進度、物料使用情況、機具布置情況、管道走向等，及時調整人員和設備，按設計要求進行施工。

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，通過大屏、 PC端、移動終端等方式展示。無人機在巡檢過程中所獲取的各種影像數據，可應用于管道及場站實體可視化應用及綜合建模展示，也可應用于管網數據可視化展示。能夠提供管網分布、走向及完整性數據二維展示及三維場景，查看場站內各區(qū)域分布及運行數據建模支持。

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

在高后果區(qū)、防汛重點地段、第三方施工等關鍵部位采用無人機航測巡檢，可實現遠程視頻監(jiān)視，補充運行期間周邊道路橋架、電力線路、建構筑物、地下隱蔽設施信息，實現周邊環(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，通過無人機圖傳系統可將現場情況實時傳給應急指揮通信車，車載視頻以流媒體形式通過衛(wèi)星遠傳至應急指揮中心，實現事故現場與指揮中心應急數據快速錄入、發(fā)布和推送，以及圖像、語音、視頻等現場實時信息的交互提供。

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

3 相關技術研究

3.1 傾斜攝影系統

傾斜攝影技術發(fā)展的前期，各家從業(yè)公司采取的辦法均是將單相機進行簡單集成，且多是外向式設計原理；后期，考慮到減重，續(xù)航，穩(wěn)定性等，部分廠家對單相機進行深度拆解和定制，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不同的研發(fā)方向。

根據油氣管線特點，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

凸顯了以下幾個特點。

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

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

（3）信息高質量：衛(wèi)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生一定的誤差。而無人機的低空特性使分辨率得到了質的提 高，并且多角度拍攝形成的紋理影像也避免了遮擋的問題 [5]。

3.2 數據傳輸系統

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

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

3.3 視頻識別系統

通過分析無人機拍攝的大量圖片、視頻信息，可有效地監(jiān)控管道沿線的第三方作業(yè)、高后果區(qū)狀態(tài)。基于視頻和圖像處理的自動車型識別、人員識別、物體識別、狀態(tài)識別等方法，給現場狀態(tài)改變發(fā)出預警信息。

結合智慧管道智能管網建設要求，借助人工智能中的圖像處理技術、圖像識別技術，實現無人機拍攝影像的實時比對分析，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，實現管道風險識別的智能化。

4 無人機合規(guī)化管理

無人機技術使用中需高度重視飛行空域、飛行監(jiān)管、作業(yè)規(guī)范等相關法律法規(guī)的適用性問題。民航局飛行標準司批準的《U-Cloud（優(yōu)云）系統》《U-Care無人機綜合監(jiān)管云系統》是目前國內僅有的兩套無人機監(jiān)管系統。應借鑒該系統，設計石油行業(yè)無人機多級監(jiān)管系統，以期達到監(jiān)管部門與管道公司各級部門間的協同管理，實現多終端云同步、飛行計劃快速報批、飛行數據實時上報、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.無人機在油氣長輸管道中的應用[J].當代化工， 2015 ， (8): 2 045-2 047.

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

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

[4]武海彬 .無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量， 2014，(09):105-106.

[5]李能國，無人機傾斜攝影模型在應急救災中的應用[J].中國新技術新產品， 2017， (14):138-139.

作者：史寧崗，男， 1974年生，畢業(yè)于長江大學，中石油北京天然氣管道有限公司，工程師，從事無人機應用、通信技術、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交流大會二等獎，經作者同意，本刊轉載時有刪改。）