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、勞動強度大、效率低等問題。設計了一種基于測控走廊的油氣管道無人機巡檢系統，開展了無人機應用于山區等復雜地形地貌進行遠距離大范圍巡檢作業的關鍵技術研究。系統應用于貴州晴隆天然氣管道巡檢作業，表明可以滿足管道巡檢工作需要。

關鍵詞：油氣管道；山區；測控走廊；巡檢系統；無人機

 

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，以及發生冰災、水災、地震、滑坡時和夜晚開展巡查，很難做到實時性、有效性和全覆蓋。

近年來，由于無人機具備經濟性、安全性、易操作、反應快、作業范圍廣等特點，基于云數據、視頻圖像識別等新技術的智能無人機越來越廣泛地應用于油氣管道巡檢工作[1-3]，但存在遠距離作業能力欠缺，數據完整性和實時性不足，以及數據傳輸安全性問題。

筆者設計了基于測控走廊的無人機油氣管道巡檢系統，通過測控走廊將無人機采集的實時數據和監測畫面回傳給地面數據處理平臺，經應用于貴州晴隆天然氣管道巡檢作業，可以滿足無人機巡檢遠距離、大范圍、實時性、安全性、完整性的要求。

1 系統總體設計方案

1.1 系統架構

基于測控走廊的無人機管道巡檢系統組成見圖 1。系統主要由無人機測控網、無人機載荷和軟件平臺組成，無人機測控網包括機載數據終端、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人機測控網絡，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，是管道全區間內實現對無人機無縫測控和數據傳輸的重要保證，是無人機飛行的無線電空 中通道，結構如圖 2所示。

2 技術特點

基于測控走廊的無人機管道巡檢系統，在保證無人機飛行和數據信息安全的前提下，可實現無人機遠距離作業、圖像實時回傳、實時處理和實時預警[4,5]。

2.1 超遠距離作業能力和擴展能力

通過測控走廊，實現了無人機實時控制、無人機狀態信息和管道圖像信息的實時回傳，采用網絡接力、自主切換、頻譜感知等方法實現各基站之間超遠距離接力和無縫覆蓋[6]，非常適合管道巡檢使用。巡檢管道距離越長，測控走廊的優勢越明顯。

2.2 多用戶作業能力

克服了目前巡檢無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，測控走廊一個基站可實現4架無人機同時測控和數據傳輸，按照巡檢200 km管道計算，布置6～7個基站，理論上可支持20多架無人機同時作業。

2.3 實時傳輸和數據服務能力

無人機獲取的管道圖像數據通過測控走廊實時傳輸到數據中心，數據中心對數據進行實時處理、實時分析、實時告警和信息分發，是一個強實時數據傳輸和數據處理系統，不但能夠滿足常態化巡檢需要，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方面，測控走廊基站采用抗干擾波形設計技術和專用的加密認證技術，保證了測控走廊系統的抗干擾性和安全性。

2.5 電磁環境污染極低

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

2.6 系統兼容性和環境適應能力強

測控走廊設備采用通用化電氣和機械接口進行連接，基于網絡協議進行數據傳輸，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藍色段曲線所示，全長約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；大開挖穿越小型河流2處（北盤江、新寨河及支流）。全段位于山區，地質條件復雜，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，管道沿線海拔在605～1760 m之間，相對高差超過1100 m。

3.2 項目實施

首先，在該管段35#閥室至37#閥室之間，沿途選擇5個點作為測控走廊基站位置，安裝地面數據終端，通過專用寬帶組網，組成測控走廊，如圖 4所示。隨后采用無人機管道巡檢系統開展巡檢作業。

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

3.3 測試結果

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

無人機巡線視頻通過測控走廊實時傳輸至貴陽分公司，實現遠程監控，利用數據中心處理軟件實現實時分析告警，為管理決策提供數據支撐。

4 結論

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

 

參考文獻：

[1] 李器宇，張拯宇，柳建斌，等. 無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， 34(9)：105-106.

[3] 劉松林，朱永豐，張哲，等. 基于卷積神經網絡的無人機油氣管線巡檢監察系統[J]. 計算機系統應用， 2018， 27(12)： 40-46.

[4] 翁松偉，賴斯聰，陳海雄，等. 基于小型四旋翼無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.無人機地面站發展綜述[J].航天電子技術，2010(01)： 1-6.

 

作者簡介：馬文， 1967年生，工程師，畢業于中國人民解放軍空軍導彈學院雷達工程專業，現從事通信與測控專業方向的研究工作。聯系方式： 13582199611， cetcmw@126.com。