錢建華 沈建鋒 杜威 陳子超

國家管網集團華東分公司

摘要：我國油氣管道建設與運營以中俄東線天然氣管道試點項目為標志進入了智能化階段。通過闡述當前“無人化”管理相關支撐技術的發展狀況，剖析管道和站場設施完整性管理的難點，初步探索油氣管線無人化運維的場景和方法，為無人化設施建設和常態化運行提供參考。

關鍵詞：油氣管道；無人化；智能化；多技術融合

預期至2025年，國內油氣管網總規模將達到24萬公里。隨著管網里程的急速增長，為實現安全管理和智能管控的同步升級，“無人化”技術逐步成為管道和站場管理的應用趨勢。無人化也成為融合切合應用場景支撐技術、推動生產方式轉型的持續不斷的迭代升級過程。

1  無人化的背景

1.1  行業背景

目前，管道資產完整性管理指標日趨嚴苛，從表 1所列控制指標可見一斑。

表 1 管道資產完整性管理業務指標

實現資產完整性管理，需要更高的巡檢頻次和巡檢質量，對當前以人工作業為主的巡檢方式提出巨大挑戰。

1.2  技術背景

先進傳感技術、目標/行為識別算法、高精度定位技術、數字孿生支撐下的復雜控制技術，大大降低了無人化作業的空間限制,提升了作業環境適應性。為管道和站場無人化作業創造了技術條件。目前技術的更新發展已經在應用關鍵節點取得了以下突破。

（1）看得清、看得懂。先進傳感器技術提升了無人化裝備的環境感知范圍和精度，目標/行為檢測算法、檢測量變化模式分析算法，使其具備了適應泛化作業對象和隨機作業環境的技術。

（2）行得準。高精度定位技術為遠程精準操控無人裝備提供了技術基礎，而對歷史操作的精準重復則大大降低了遠程操控的人工投入，并為自動感知操作對象的狀態變化提供了便利。

（3）想得全。數字孿生是以作業對象及其運行過程為中心，融入規律、規則、流程，綜合運用仿真、大數據、人工智能技術，構建在形態和運行機制上全面模擬實體的數字孿生體。

（4）網絡配。5G移動網絡超高帶寬、超低延時的特性與工業控制對網絡的要求相匹配，為無人裝備的野外作業提供了通信保障。

1.3  生產方式轉型

以新技術、新式勞動工具替代人工作業方式下的部分操作過程，吸收人工操作規范、操作經驗，以流程、規則形式固化于無人裝備的應用程序和數據庫中；勞動者則由現場操作轉為遠程監視和控制。在例行性、環境條件依賴性低的操作中，有條件實現無人裝備的自主運行；在智能輔助決策工具的協助下，遠程人工控制則會簡化為設定作業目標和選擇無人裝備反饋的分支操作選項。實現生產方式由勞動密集型、技術密集型向決策密集型轉變（圖 1）。

圖 1 生產方式轉型關系圖

2  無人化管控平臺建設

2.1  無人化技術應用

2.1.1  工程建設

（1） 地形勘察。無人機傾斜攝影獲得精準三維地表模型，用于評估工地現場及周邊情況。周期性的地理信息采集也可用于發現緩慢地址變化對已建成管線、場站的潛在威脅。相對于衛星遙感測繪，使用無人機獲得地理信息數據更為經濟、精細且不受氣象和衛星運行位置影響。

（2）工程質量遠程監察。根據在建工程的數字孿生體/BIM選取關注位置生成無人機航線，定點采集工程三維影像，并與數字孿生體/BIM設計模型比對，早期發現和解決工程質量問題，降低投產后運維成本。

（3）無人化施工技術引入。降低人工缺陷引入，在管道中心線對齊、環焊縫焊接等關鍵環節提升施工質量。

2.1.2  線路管理

（1）管線局部區段常態化巡檢。通過無人機巡線，自主識別管道外腐蝕、地質變化、占壓、警戒線內施工等異常情況，實現無需人工參與的常態化低成本巡檢，單架無人機巡檢頻次可達每日數次。無人機可提供載荷控制和遠程喊話功能，便于遠程取證、說服教育或警告驅離。

（2）全線高后果區識別。周期性開展200～300米高度、廣角攝影的長距離無人機巡檢，發現更大范圍的地理/地質變化，彌補常態化無人機巡檢受空域開放高度（地面以上120米以內）限制的巡檢局限，兩者互為補充形成巡檢“精”與“泛”、“窄”與“寬”、“高頻”與“低頻”，以全面及時識別高后果區變化情況。

2.1.3  場站管理

（1）站場及閥室設備遠程監視及控制。基于物聯網技術的遠程操控對站場閥室設備進行遠程操控和連鎖投退。基于智能識別分析的視頻技術在站場閥室區域實現邊界警戒、視頻抄表、入侵報警、作業識別等功能。

（2）站場或閥室外圍環境及設施完整性檢查。駐站旋翼無人機或經過站場的管線巡檢旋翼無人機繞飛站場或閥室建筑整體以及重要設施，檢查建筑外結構缺陷、設施缺陷，周邊環境威脅。

2.1.4  應急處置

（1）事故早期處置。感知事故發生時，可遠程操控附近駐站無人機趕往現場進行警示、疏散群眾等早期工作。

（2）現場態勢信息采集和展示。在事故處置過程中，可利用多無人機全方位獲取現場畫面，幫助應急指揮中心了解現場態勢。

（3）備品備件急送。

2.2  無人作業管理平臺建設

2.2.1  數據通訊

應用超低延時的5G移動網絡搭建從無人裝備到控制系統后臺再到遠程操控的三點兩跳數據鏈路。依據實測情況，控制和遙測數據端到端傳輸時延可低至50 ms，1080 P高清視頻端到端傳輸時延可低至300 ms，與點到點視距通信鏈路性能接近。

2.2.2  無人作業管理平臺

圖 2是某無人作業管理平臺參考框架。

圖 2 無人作業管理平臺參考框架

（1）裝備接入層。解決不同類型無人裝備的接入問題。為簡化適配規則，將無人裝備、可替換任務載荷、獨立傳感器依據功能分解為“載具” “傳感載荷”“執行載荷”三類，而裝備的實際物理形態則通過設備管理層進行整合。無人裝備的接口和控制協議標準化程度越高，裝備接入適配的難度越低，運行控制的一致性越好；在應用條件成熟時，可考慮推動相關規范、標準的制定。

（2）資源管理層。為無人作業任務的運行提供資源保障。資源類型包括無人裝備、參與無人作業的人員、無人作業所需的能源/耗材，以及交通和作業空間。

（3）業務管理層。實現對作業過程的管控以及提供各類數據服務。作業任務管理是核心，集成了不同無人作業過程的流程控制、操作執行規則、局部和全局的質量標準和異常狀態邊界條件等。圍繞作業任務管理，需要GIS(地理信息系統)、人工智能分析、數字孿生預判、專業知識庫/大數據分析等內部服務提供輔助數據支撐。業務管理層應具備開放性，用于接入平臺尚未集成的數據服務或社會公共數據服務（如氣象、空域信息）。

2.2.3  數據操控

操控終端/交互終端的便捷性是無人作業平臺數據服務能力的外化，依作業裝備類型、參與人員角色而不同。作為參考，這里抽象出3個共性場景。

（1）便捷的數據分享與遠程協作。遠程操作人員可將無人裝備的運行狀態數據和實時畫面通過專用APP、微信等通用社交工具便捷地分發到其他遠程人員的計算機、手機等通用終端，隨時隨地獲得專家指導和遠程協助。

（2）角色備份和靈活切換。遠程操作人員可將無人裝備的操作權限轉移給另一操作人員，實現無人作業任務的執行質量、跨專業領域和跨地域的能力提升。

（3）數據匯集與綜合分析、呈現。將多名遠程操作人員及無人裝備構成的作業集群的多路實時數據/畫面在指控中心匯集、分析和綜合呈現。為復雜工程作業、應急指揮提供全面、即時交互的技術支撐。

3  無人作業平臺案例

海上5G無人鉆井平臺建設（圖 3），旨在解決海上平臺設施/設備的完全連接，并增強監視信息的采集和邊緣智能分析，在有限的衛星通訊帶寬資源下，遠程獲得全面準確的平臺運行狀況，從而減少無人機和專業技術人員的出動頻次。

圖 3 海上5G無人鉆井平臺業務邏輯圖

試點區域由陸地監控指揮中心、海上中心鉆井平臺和無人井架平臺組成。在中心平臺搭建5G無線局域網，并通過海底光纜與80公里外的無人井架上的5G無線局域網聯通。鉆井平臺設施/設備的監控數據匯聚于中心平臺MEC邊緣計算節點，經過信息提取和智能診斷，抽象出實時運行狀態報告，通過衛星鏈路上傳給陸地監控指揮中心。監控指揮中心信息也可通過此通信網絡對海上平臺設施/設備實施遠程控制。

案例中，通過衛星中繼5G數據聯通網絡孤島，對穿越無人區或公用4G/5G網絡覆蓋不足地區的站場實現無人值守具有借鑒意義。

4  未來展望

4.1  無人化的迭代演進預期

（1）第一階段：無人裝備易用化。行業對無人裝備的使用以方案驗證和小規模試點為主，自主化和功能集成度尚不高，作業現場不能脫離人工干預。這一階段的建設重點，是從改善易用性出發，擴大無人裝備的使用量和人工替代率，為無人裝備的規模應用創造基礎性技術條件。

（2）第二階段：無人裝備體系化。隨著無人裝備的大量應用，現場作業中比重最大的操作已由無人裝備承擔，但剩余的現場操作卻涵蓋更多類型。這一階段的建設重點，是通過豐富無人裝備的類型、功能以及優化無人裝備間的作業配合，以實現完全意義上的作業現場無人化，人工僅在后臺監視和遠程操控。完全（或接近完全）的無人化，放寬了作業安全要求，為作業工藝的提升開放了更大空間。

（3）第三階段：無人裝備自主化。無人裝備、常規設備乃至生產環境的數字孿生體已普遍建成并趨于成熟（先知期）。在數字孿生體對現實世界的仿真預判指導下，無人裝備具備較高的自主運行能力，多數情況下，人工僅參與方案制定和決策。

4.2  展望

從實現無人值守，到規模化應用實現“少人化”，再到完善無人裝備體系實現作業現場無人化，還須經歷一個持續的摸索和迭代過程。

（1）借助智能化工具糅合承載流程/規范、現場作業經驗、生產管理經驗，需要各參與方積極協作，發揮群體智慧，挖掘需求與問題，研究解決思路，推進方案設計、驗證和優化。

（2）在移動網絡通信、數據管理、無人裝備遠程操控、管道數字孿生體成熟度培育等關鍵技術領域取得突破；跟蹤相關技術的最新成果，識別應用價值和積極驗證，以及借鑒其他行業先進經驗。

（3）在技術驗證成果積累到一定程度后，有必要制定符合油氣管道行業應用需要的技術規范，牽引無人裝備、技術供應商的技術改進方向，從而達到保障應用效果、降低規模應用成本的目的。

作者簡介：錢建華，正高級工程師，博士研究生，現任國家管網集團華東分公司副總經理，先后在中國石油華東輸油管理局、中國石化集團管道儲運公司、中國石化股份公司管道儲運分公司、中國石化銷售華北分公司、中國石化銷售華東分公司等單位工作。曾獲國家科技進步獎二等獎一項、中國石油、中國石化科技進步一等獎、二等獎和三等獎多項。聯系方式：13685199166，qjh4077@163.com。