无人机在油气长输管道中的应用

康煜姝，武 斌

（1. 中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室， 北京 102200； 2. 中国石油规划总院， 北京 100083）

无人机在油气长输管道中的应用

康煜姝1，武 斌2

（1. 中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室， 北京 102200； 2. 中国石油规划总院， 北京 100083）

长输油气管道分布广，沿线地形和天气条件复杂，管道安全的保障问题一直困扰着管道管理人员。随着我国油气管道的不断建设，若能将无人机广泛的应用于油气管道中，则能够有效分担工作人员的工作量，提升工作效率。介绍了无人机的系统组成、特点、常用类型、各类型的优缺点和适用场合、作业流程等方面，论述了当前无人机在管道全生命周期各阶段的应用现状，提出了无人机应用存在的技术问题，展望了无人机的发展前景。

无人机；油气管道；应用；安全

随着国民经济的快速发展，对能源的需求越来越大，石油、天然气长输管道也逐渐增多。截至2013年，我国已建成油气管道总里程 10.6×104km，到2015 年，国内油气管道总长度预计将达到15×104km左右。作为国家的能源动脉，油气管道的安全性显得尤为重要。

无人机作为一项融合多个专业的高新技术，具有体积小、机动灵活、低成本、维护简单等特点，可快速获取地貌的空间遥感信息，可以应用于管道巡检、地貌勘察、优化选线、管道泄漏点定位、灾害监测等方面，为油气管道的安全保驾护航。

1 无人机系统概述

1.1 无人机系统组成

无人机系统由飞机平台系统、地面控制系统和信息采集系统三部分组成，如图1所示。其中，飞机平台系统包括动力系统、遥感传感器、信号处理、GPS接收、控制系统；地面控制系统包括计算机、数据处理系统、GPS导航、无线电控制；信息采集系统包括云台、相机、传感器、无线电控制。[1]

图1 无人机的系统组成Fig.1 The composition of UAV system

1.2 无人机类型及适用场合

目前管道线路所使用的无人机主要有定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机，各自的优缺点及适用场合如表1所示[2,3]，可以根据管道作业的需要选择合适的无人机类型。

通过调研目前管道领域常用的无人机类型，例如中国的大疆创新、美国的 3DRobotics、法国的Parrot等公司生产的无人机，最大飞行海拔高度约3 000～4 500 m，最大水平飞行速度在20～40 m/s间，工作环境温度为-20～50 ℃，最大可承受风力大部分为5级，在飞行时间方面，多旋翼无人机飞行时间较短，约为 20～30 min，无人直升机和固定翼无人机飞行时间可达2～4 h；发射/回收方式采取弹射/滑跑起飞，开伞/滑跑降落；控制方式可实现自主程控+手动遥控，程控与遥控在飞行中即时切换。

表1 各类型无人机的优缺点及适用场合Table 1 Advantages and disadvantages and suitable application scope of different types of UAV

1.3 无人机系统管道作业流程

无人机应用于管道作业方面具有速度快、效率高、信息反馈及时等特点，一般工作流程如下[4]：

1）适航查勘。首先确定飞行范围，并对现场进行勘察，获取飞行航点GPS、海拔，寻找合适的起降场地。判断作业当天的天气条件，包括光照、能见度、风速。

2）飞行路线设计。可以采用专业的航线设计软件为飞机规划航线和作业高度,并预存在飞行控制系统中，设计时应仔细查阅地形图。

3）起飞准备，起飞前对各设备作基本程序检查，确保设备各项参数正常无误。

4）正式飞行作业。无人机通过滑跑或弹射方式起飞，飞行过程中执行自动航拍任务，地面控制系统实时掌握飞机的姿态、方位、空速、位置等重要状态参数，保证飞机平稳沿预定航线飞行，地面控制站接受并实时显示遥感图像。

5)无人机降落回收。完成预定飞行任务后，地面控制人员对无人机进行回收，可通过伞降或拦阻网降落。

6）图像处理。采用无人机影像快速处理软件PhotoScan或pix4D对图像进行处理，处理程序为：自动创建航带、空三转点、空三解算、生成DEM、生成正射影像。

2 无人机在管道领域的应用

2.1 无人机在管道建设各阶段的应用

无人机技术可以应用在管道生产及运行的各个阶段，具有广阔的应用前景。

2.1.1 勘察设计阶段

在勘察设计阶段，可以用无人机进行管道选线、评估应用、BIM基础数据采集等。传统的管道线路选择采取手工在纸质地图作业并结合现场踏勘的方式，这种方式不仅浪费人力物力，且数据来源单一、时效性差、数据处理工作量大，已不能适应当前快速建设管道的需要[5]。

在选线过程中使用无人机，可以全面快速地了解地区的地形地貌、植被、水文等信息，从而为管道选线提供依据。无人机可以搭载高分辨率航拍相机，对任务区域进行测绘级拍摄，在飞机降落后进行快速或精细拼图，及时提供区域的地面、空间数据和基础地理信息，[6]为油气管道可行性研究阶段的线路选择提供指导。

2.1.2 管道施工建设阶段

在施工前期阶段，利用无人机了解施工现场的地形、道路、周围环境等情况，便于施工人员及设备进入现场，尽快开展施工；在施工进行阶段，可以利用无人机拍摄现场施工进度、物料使用情况、机具布置情况、管道走向等，及时调整人员和设备，按设计要求进行施工。

2.1.3 管道运行阶段

在管道运行阶段，无人机可用于管道线路的巡检。传统的管道巡检方法依靠人力和地面车辆进行巡检，工作量大、效率较低、人力成本高，难以满足正常巡线的需要,将无人机用于管道巡线，可以高效地完成大范围的常规巡检。[7]无人机可搭载可见光和红外双光吊舱，具有昼夜监控能力，可对目标区域进行长航时的实时监控，并可在指定目标上空做定点盘旋监测。在搭载了视频追踪模块后，可以锁定地面指定目标进行稳定凝视，探查细节，从而发现辖区内管线被破坏和盗取的明显迹象。

在管道应急维抢修作业中，通过无人机拍摄的遥感影像，对发生破坏管段的位置、破坏程度进行评估，对现场进行实时监视，了解事故的具体情况，制定维抢修方案，将灾害的影响降到最低。

2.2 无人机在国内外管道的应用实例

在国外，无人机遥感技术在管道行业应用已非常广泛。在美国等无人机技术领先的国家，用无人机巡护油气管道已成为常态。例如，美国阿拉斯加管道和加拿大阿兰斯管道定期使用无人机进行巡护，防止第三方破坏、观察地面活动和泄漏检测等；在灾害调查方面，美国利用无人机在北卡罗来纳州进行自然灾害调查，通过正射影像处理与分析准确评估场房和村庄的损失，为灾害治理提供了及时、准确的数据。

近年来我国的无人机技术发展很快，涌现出很多无人机品牌，其中大疆以其先进的技术水平成为无人机行业的绝对龙头。我国已渐渐将无人机应用于油气管道领域，如庆铁线扩能改造管道建设中，无人机帮助施工单位优化选线、放线，选择施工场道路等；在西气东输管道地质灾害调查中，通过无人机遥感图像确定滑坡、崩塌等地质灾害发生的位置、类型、规模等；[4]在管道巡检方面，无人机已应用于中石油新疆果子沟地段管道和黑龙江加格达奇管道[7]。

3 无人机应用存在的技术问题

（1）无人机的起飞多采用滑跑或弹射方式，但油气管道大多敷设在山区等地形复杂区域，对于需要滑跑、滑降的较大型无人机来说，难以找到合适的起降地点。但若使用对起降场地要求小的小、轻型无人机，则飞行高度较低，易受风速的影响，导致飞行不稳。因此降低无人机对起降场地的要求以及提高飞机的抗风性能时迫切需要解决的问题。

（2）为保证航拍影像的质量需要使用高精度的传感器，而高精度传感器往往体积和重量大，无人机无法承受这么大的载荷，因此需要开发适合无人机搭载的小、轻型且精度高的传感器。

（3）加快遥感影像数据处理软件的开发。目前，由于遥感图像的数据量大，使得图像后期处理所用时间长。因此，应加大力度研发用于大数据量、高分辨率影像快速拼接的专业软件。

4 无人机的发展方向和前景

目前，无人机在管道行业中的应用还较少，但是在电力行业的应用已经比较广泛。随着我国管道行业的发展，油气管道总里程不断增加，管道的安全问题越来越受到重视，因此十分有必要将无人机更广泛地应用于油气管道中。

可以借鉴无人机在电力行业中的应用，不断改进和发展无人机技术，使得无人机将来能更多的应用于油气管道领域。未来无人机采集的数据将向大数据靠拢。在大数据背景下，各行业对大数据的需求越来越高，因而可以建立“数据融合应用平台”，为管线巡检和管线服务搭建解决之道。将无人机巡检过程中捕捉到的各类管线信息融入数据融合应用平台。利用无人机将巡检数据实时回传后，可通过遥感数据快速处理平台，进行影像快速拼接和数据融合，也可以将监控数据和历史数据比对，对两者差异作出分析以及后期数据深度挖掘。同时，平台可依据预警模型生成隐患报告，为用户的决策提供支持，极大提升线路隐患和故障预警效率。

［1］ 欧新伟,周利剑,冯庆善,李祎,李振宇.无人机遥感技术在长输油气管道管理中的应用[J].科技创新导报,2011(15):77-78.

［2］竹林村,胡开全.几种低空遥感系统对比分析[J].城市勘测,2009(03):65-67.

［3］ 张侃.多旋翼无人机在输电线路巡检中的运用及发展[J].现代工业经济和信息化,2013(16):72-73.

［4］ 高姣姣.高精度无人机遥感地质灾害调查应用研究[D].北京交通大学,2010.

［5］ 余志光.遥感与GIS在油气管道线路选择中的应用研究[D].北京：清华大学,2011.

［6］ 钱尊岩.低空无人机遥感在油田测量中的关键技术应用研究[D].中国石油大学（华东）,2012.

［7］ 武海彬.无人机系统在油气管道巡检中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量,2014(09):105-106.

Application of Unmanned Aerial Vehicle in Oil and Gas Pipeline Industry

KANG Yu-shu1，WU Bin2
（1. National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil & Gas Pipeline, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102200，China； 2. China Petroleum Planning and Engineering Institute, Beijing 100083，China）

The characteristics of long distance oil and gas pipelines include wide distribution, complicated terrain and weather conditions. Therefore the pipeline security problem has been bothering the manager. With the increasing construction of oil and gas pipelines in China, the workload of staff can be effectively shared and work efficiency can be effectively improved if unmanned aerial vehicle (UAV) is widely used in the oil and gas pipeline industry. In this paper, the system composition, characteristics, types, advantages and disadvantages and applicable situation of UAV were introduced; Current application of UAV at every stage of the whole life cycle of the pipeline was discussed, technical problems of UAV application were analyzed, and finally its future development trend was put forward.

Unmanned aerial vehicle; Oil and gas pipeline; Application; Security

TE 832

A

1671-0460（2015）08-2045-03

2015-06-14

康煜姝（1991-），女，天津人，在读硕士，2013 年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，研究方向：从事天然气长输管道工艺的研究工作。E-mail：1286776227@qq.com。