無人機(jī)在管道外部安全風(fēng)險(xiǎn)防控中的應(yīng)用

馮偉

國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司

摘要：管道巡檢是保障管道安全運(yùn)營的重要手段。西氣東輸陸續(xù)在汛期、高后果區(qū)及部分管段采用無人機(jī)巡檢，以無人機(jī)為平臺，搭載視頻、影像等傳感器，周期性或指定時(shí)間段采集和分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對管道運(yùn)營狀態(tài)的巡查和快速智能巡檢。從管道線路巡檢、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管理、高后果區(qū)識別與管理及應(yīng)急搶險(xiǎn)四個(gè)方面，逐一舉例介紹了無人機(jī)應(yīng)用及其價(jià)值，介紹了無人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢及目前技術(shù)的不足之處，指出了無人機(jī)在管道管理工作中的技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：油氣管道；無人機(jī)；巡檢；風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；高后果區(qū)；應(yīng)急搶險(xiǎn)

西氣東輸管道途經(jīng)山區(qū)、黃土塬和江南水網(wǎng)等，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，洪水、礦山采空區(qū)、山體滑坡等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)對管道安全運(yùn)行構(gòu)成較大威脅；中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)管道保護(hù)與城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)矛盾突出，第三方機(jī)械施工數(shù)量以每年平均15%左右遞增；高后果區(qū)點(diǎn)位多、分布廣、體量大，2020年公司全線識別高后果區(qū)1583段，長約2870公里，占管道總里程的17.94%。近年來，西氣東輸陸續(xù)在汛期、高后果區(qū)及部分管段開展了無人機(jī)試驗(yàn)及應(yīng)用，取得了一些經(jīng)驗(yàn)，推動了管道行業(yè)技術(shù)防護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1  管道線路巡檢應(yīng)用

（1）合肥輸氣分公司空地一體巡護(hù)。以定遠(yuǎn)站為基地，在西一線52公里、定合復(fù)線22公里合計(jì)74公里管道，開展5個(gè)高后果區(qū)測試區(qū)段空中巡檢（圖 1）。采用固定翼無人機(jī)為主、小型多旋翼無人機(jī)候補(bǔ)、多機(jī)靈活調(diào)配方式。總計(jì)飛行1600余架次，空中巡護(hù)管道里程1萬多公里，采集影像資料9萬余幀，共發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患45處，各類風(fēng)險(xiǎn)全部得到及時(shí)有效現(xiàn)場處置。采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)影像智能識別系統(tǒng)，識別準(zhǔn)確率達(dá)到94%以上。

（2）忠武線管道無人機(jī)巡線。 對忠縣順溪—石柱趕家橋段、黃水張家溝—利川魚龍段、恩施市羅針田—熊家?guī)r段合計(jì)70公里管道進(jìn)行為期6個(gè)月的日常巡檢（圖 2）。總計(jì)飛行1336架次，完成250次巡檢，發(fā)現(xiàn)并核對違規(guī)焚燒、機(jī)械施工等疑似風(fēng)險(xiǎn)29次；完成管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（正射影像圖、三維建模）采集和汛期數(shù)據(jù)更新；建立了無人機(jī)巡檢綜合管理平臺、管道GIS系統(tǒng)和地災(zāi)智能識別評估系統(tǒng)。以無人機(jī)為“眼睛”，管道巡護(hù)人員不用到現(xiàn)場即可清晰地看到管道沿線情況，確保管道在特殊時(shí)期對環(huán)境、風(fēng)險(xiǎn)、隱患的識別率達(dá)到100％。利用無人機(jī)廣播語音開展管道保護(hù)宣傳，對違法違規(guī)行為起到震懾作用。

（3）深圳LNG外輸管道試點(diǎn)應(yīng)用。深圳LNG合計(jì)64.2公里外輸管道開展為期一個(gè)多月的日常巡檢。總計(jì)飛行952架次，完成56次巡檢，發(fā)現(xiàn)并核對違規(guī)焚燒、機(jī)械施工等疑似風(fēng)險(xiǎn)26次；完成管道全線正射影像圖、重點(diǎn)區(qū)域三維建模等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集（圖 3）；建立了無人機(jī)巡檢綜合管理平臺、光纖預(yù)警聯(lián)動系統(tǒng)。

通過與人工巡檢比較，無人機(jī)巡檢比傳統(tǒng)巡檢方式更安全，巡檢效率更高，并降低了巡檢成本。單任務(wù)效率對比如表 1所示。

表 1 巡檢單任務(wù)效率比較

2  風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管理應(yīng)用

武漢輸氣分公司于2019年10月啟用無人機(jī)巡護(hù)管理平臺。平臺包括巡檢任務(wù)規(guī)劃、無人機(jī)管理、無人機(jī)影像資料管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理等模塊，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，自動同步至云端進(jìn)行預(yù)警復(fù)核；由系統(tǒng)自動下發(fā)風(fēng)險(xiǎn)復(fù)核通知給相關(guān)責(zé)任人復(fù)核確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；對風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行歸檔、可視化管理等功能。對巡檢目標(biāo)自動智能識別率達(dá)到90%以上，結(jié)合人工輔助介入，實(shí)現(xiàn)了100%覆蓋日常巡線業(yè)務(wù)的運(yùn)行管理。

2019年7月，在開展忠武線重慶段管道無人機(jī)巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩處疑似風(fēng)險(xiǎn)并第一時(shí)間向就近場站進(jìn)行了匯報(bào)。通過現(xiàn)場確認(rèn)，該疑似風(fēng)險(xiǎn)為焚燒雜物，管道管理人員及時(shí)制止了村民的危險(xiǎn)行為。整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)處置過程反應(yīng)迅速，未對管道造成影響。

3  高后果區(qū)識別與管理應(yīng)用

武漢輸氣分公司同期還啟用無人機(jī)巡護(hù)管理平臺管道GIS系統(tǒng)（圖 4）。系統(tǒng)針對廣域網(wǎng)用戶提供Web發(fā)布、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能，主要用于高后果區(qū)輔助識別與復(fù)核、高后果區(qū)信息管理、高后果區(qū)可視化管理、不同時(shí)期的第三方施工變化和對比等。與以往高后果區(qū)識別相比，無人機(jī)能更快辨識管道周邊的環(huán)境變化，有利于及時(shí)開展高后果區(qū)再識別工作，快速啟動相應(yīng)的高后果區(qū)管理工作。

圖 4 無人機(jī)巡護(hù)管理平臺管道GIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)畫面

4  應(yīng)急搶險(xiǎn)演練應(yīng)用

2019年7月，西氣東輸公司開展湖北宜昌高后果區(qū)管道突發(fā)事件應(yīng)急演練，使用無人機(jī)拍攝現(xiàn)場影像并實(shí)時(shí)傳回至應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮中心，便于應(yīng)急搶險(xiǎn)人員及時(shí)掌握現(xiàn)場情況，妥善研判應(yīng)急搶險(xiǎn)工作形勢，更好地指導(dǎo)搶險(xiǎn)工作。同時(shí)，無人機(jī)搭載高音喇叭，進(jìn)行喊話、高空預(yù)警等信息傳輸和預(yù)警工作，大大提高了無人機(jī)在應(yīng)急搶險(xiǎn)中的價(jià)值。

5  無人機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

（1）靈活性強(qiáng)效率高。特別是在山區(qū)、人員密集城市等受地理環(huán)境、天氣狀況因素影響較大的地區(qū)，充分發(fā)揮其靈活快捷、工作效率高的特點(diǎn)，快速獲取清晰影像資料并完成分析與處理。持續(xù)檢測能力強(qiáng)，有效降低勞動強(qiáng)度，提高運(yùn)維效率，控制人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

（2）遠(yuǎn)距離獲取信息。裝配有高清數(shù)碼攝像機(jī)和照相機(jī)，可在高空拍攝清晰影像，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離傳送，監(jiān)控人員在遠(yuǎn)端同步收看與操控。高分辨率影像采集彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感經(jīng)常因云層遮擋獲取不到影像的缺點(diǎn)，解決傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感重訪周期過長、應(yīng)急不及時(shí)等問題。

（3）自行作業(yè)和定位。在大型沖溝、沙漠、沼澤地段，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、高后果區(qū)或車輛人員到達(dá)困難的特殊地段，重大疫情、會議、賽事、森林防火等特殊時(shí)期，管道突發(fā)事件應(yīng)急搶險(xiǎn)等，利用裝配GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行自主巡航，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響管道外部安全的問題。通過掛載激光甲烷遙測儀對甲烷氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管道泄漏時(shí)自動懸停，數(shù)據(jù)回傳無人機(jī)管理平臺預(yù)警。

（4）輔助災(zāi)害監(jiān)測。在遭遇洪水、泥石流、地震、山體滑坡等突發(fā)自然災(zāi)害時(shí)，及時(shí)進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場勘查。通過遙感拍攝遠(yuǎn)程影像，了解管道受損位置和受損情況及周邊次生災(zāi)害情況。掛載相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行掃描測繪，生成災(zāi)害現(xiàn)場三維圖像，利用數(shù)據(jù)鏈將信息傳回指揮中心，為搶險(xiǎn)方案提供信息支撐。

（5）需要改進(jìn)提升的方面。縮短巡檢結(jié)果反饋時(shí)間；減少風(fēng)險(xiǎn)識別誤判情況；城市區(qū)域的安全性能指標(biāo)需進(jìn)一步提升；減小搭載甲烷氣體激光探測器體積重量；提高技術(shù)集成性及智能化程度；簡化無人機(jī)合規(guī)飛行審批程序。

6  探索與展望

鑒于無人機(jī)在管道巡線、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、泄漏檢測等方面的優(yōu)勢，西氣東輸將繼續(xù)對無人機(jī)進(jìn)行以下探索應(yīng)用，以增加科技含量，提高生產(chǎn)效率。

（1）基于遙感、物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)的區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)。基于無人機(jī)航拍對管道地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域建立正射影像圖和三維模型，建立電子檔案，對比不同時(shí)期的資料，識別管道周邊的具體變化。

（2）管道泄漏監(jiān)測。突發(fā)天然氣管道泄漏事故，尤其是夜間發(fā)生事故時(shí)，泄漏天然氣有可能發(fā)生爆燃，搶修人員及裝備不能貿(mào)然進(jìn)入現(xiàn)場。利用無人機(jī)搭載夜視紅外相機(jī)，在事故現(xiàn)場外人工操縱無人機(jī)飛進(jìn)現(xiàn)場上空，探測甲烷濃度，確定天然氣擴(kuò)散所影響的區(qū)域。同時(shí)利用傳回的夜視圖像觀察現(xiàn)場情況，輔助指揮人員決策啟動響應(yīng)等級，對危情進(jìn)行臨機(jī)處置，避免事態(tài)擴(kuò)大及次生災(zāi)害的發(fā)生。

（3）無人機(jī)技術(shù)展望。繼續(xù)完善光纖預(yù)警與無人機(jī)聯(lián)動，提高無人機(jī)自動起降機(jī)艙安全性與智能識別率，實(shí)現(xiàn)快速識別預(yù)警目標(biāo)類型，實(shí)時(shí)回傳到指揮中心；除山區(qū)繼續(xù)應(yīng)用多旋翼無人機(jī)外，在平原地區(qū)、海底管道區(qū)域結(jié)合人工智能識別技術(shù)，試點(diǎn)應(yīng)用固定翼無人機(jī)；完善無人機(jī)巡護(hù)管理平臺，優(yōu)化無人機(jī)輪換、管理、保養(yǎng)流程，以及無人機(jī)影像資料管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能。

作者簡介：馮偉，國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸分公司管道部副經(jīng)理，高級工程師。從事長輸油氣管道管理工作逾20年，擅長管道完整性管理、腐蝕控制管理、第三方施工管控、油氣管道地質(zhì)災(zāi)害管理等專業(yè)領(lǐng)域，參與起草了《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》《油氣管道地面標(biāo)識設(shè)置規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)3次榮獲中石油集團(tuán)公司科技進(jìn)步獎，在《天然氣工業(yè)》等核心期刊發(fā)表多篇論文，現(xiàn)任國家管網(wǎng)集團(tuán)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會副秘書長。聯(lián)系方式：021-50958053，fengwei@pipeline.com。