输油管线巡检无人机造型设计研究

朱力 徐江华

摘要：输油管线巡检无人机属于工业无人机，用于智能化巡检，取代人工巡检，目前已经被广泛应用于各大油气公司。文章研究输油管线巡检无人机的造型设计，具有以下三方面重要意义：一是有利于从造型方面优化我国无人机，促进无人机产业增值；二是从工业设计的角度研究无人机造型，填补我国相关研究的空白；三是有利于为我国输油管线巡检无人机造型设计提供新思路。利用无人机进行智能化巡检后，虽然大大提高了巡检效率，但目前并没有专为巡检任务设计的无人机，利用现有工业无人机改装后的巡检无人机，不论是在造型还是在工作效率上都远不及成熟产品；同时由于设备之间不适配，因此人机之间存在安全隐患。基于此，文章采用产品造型语义学以及模块化设计理论，针对目前输油管线巡检无人机存在的问题进行设计改良，根据模块化设计理论，综合考量巡检无人机在不同作业任务中的功能选择，将功能模块均设计成可任意组合的功能模组，便于针对不同任务进行装配。文章梳理研究巡检无人机相关文献，并通过对比实际市场产品，得出巡检无人机未来设计趋势，归纳出相关设计方法。

关键词：无人机；造型设计；模块化设计；产品语义学

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）13-0-03

1 研究背景及意义

1.1 研究背景

1.1.1 国家战略

无人机产业是衡量国家高端制造业发展水平的标准之一。2017年12月颁布的《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》中提到，到2025年，民用无人机行业产值将达到1800亿元，年均增速在25%以上，产业规模、技术水平、企业实力持续保持国际领先势头。2022年1月印发的《“十四五”民用航空发展规划》中提到，我国将大力引导无人机创新发展，鼓励建设一批创新平台，支持以无人机全产业链为重点的低空经济集聚区建设。

1.1.2 社会发展

油气管道是国家能源的重要组成部分，安全性至关重要，需要投入较高成本进行巡检和维护。现代化巡检和维护的目标是提高油气管道运营的安全性，同时降低成本。然而，传统手段在油气管道巡检中难以同时降低成本和提升安全性。我国油气管道建设年代跨度大、分布广、穿越地形复杂，传统的巡检方法已经无法满足要求。因此，无人机智能化巡检已成为未来输油管线巡检的趋势。

1.2 研究意义

目前，国家管网集团在役油气长输管道总长度约94 000千米，这些管道跨度大、分布范围广、穿越地形复杂，存在诸多安全隐患。传统的人工巡检方式成本高、效率低，对复杂环境和突发情况下的巡检存在很大的局限性。

由于不同管线线路和巡检任务的不同，所以无人机所需配置的功能也不尽相同。目前市面上并没有专为输油管线巡检而设计的工业级巡检无人机，无人机的整体造型、重量和尺寸都存在不足。

2 文献综述

本文参考的文献主要分为三个方面：无人机发展现状、巡检无人机发展现状以及无人机造型设计现状。

2.1 无人机发展现状

2.1.1 无人机发展规模

根据动力来源和支撑方式的不同，无人机可以分为旋翼和固定翼两种类型。此外，根据应用领域的不同，可以分为民用无人机和工业无人机两类。在国家政策的支持和行业发展的推动下，我国商用、民用以及军用无人机行业迅速发展，目前在全球已达到领先水准［1］。

2.1.2 无人机应用领域

第一，交通领域。2018年公共安全行业标准《基于无人机驾驶航空器的道路交通巡逻系统通用技术条件》的实施，使利用无人机进行违法行为取证、交通流量监测、目标跟踪及声光提示拥有了可能。

第二，建筑领域。无人机拍摄视角的变化，可以产出不同于人拍摄出的视觉效果，再利用三位三维模型建模，得到更清晰的地形特征，优化视觉效果。

第三，巡检领域。无人机巡检可提升管线巡查的工作效率，如查看管線周边绿化情况、管线通顺情况、设施是否破损或标志牌是否丢失等。

2.2 巡检无人机研究现状

2.2.1 巡检无人机发展现状

通过CiteSpace搜索关键词“巡检无人机”，抓取国内巡检无人机的相关学术成果，得出表1。

现阶段，无人机巡检仅作为备用手段以弥补人工巡检的不足，但在未来可完全替代人工巡检。无人机可克服地形障碍，实时采集各类数据、预警安全隐患，同时通过AI对比分析主动掌握周边地理信息［2］。

2.2.2 巡检无人机发展趋势

（1）智能化。机器视觉、人工智能和数据处理技术的应用赋能无人机行业，提升了智能化水平、产品可靠性和产品工作效率。在这些技术的加持下，无人机的适用范围扩大，可以在各个行业应用，更好地为用户提供解决方案。

（2）去飞手化。随着4G/5G通信网络的不断发展和信息化技术的大量应用，无人机可以通过红外传感器对环境进行分析感知，通过远程进行控制和拥有无人机芯片AI自主学习功能。无人机的智能化水平将继续提高，为未来的应用提供更多可能性，包括工业、农业、救援、军事等领域。

（3）平台/体系化。随着相关技术的开发，无人机采集的图像从二维图像发展至三维图像，实现了在空中进行高效的数据采集和监控。现在，无人机系统已经形成了一个非常完整且有闭环的作业平台、数据共享、网络互联和后台应用管理系统，以配合工作人员指挥和信息化需求。

2.3 无人机造型设计研究现状

随着各个时期动力、材料等科技的发展，无人机的造型经历了三个主要阶段。第一个阶段是功能主义导向期，这一时期的无人机设计重点在于功能性，强调实用性与性能，忽略了外形美感。第二个阶段是空气动力学发展期，随着对空气动力学的深入研究，进一步优化了造型，提高了空气动力学效率［3］。第三个阶段是工业设计融入期，这一时期工业设计与航空科学、创意与工程技术交叉融合，实现了无人机从概念数字模型到实体的一体化。这些趋势使无人机不仅在性能方面不断提升，而且在造型设计上有了更多的选择和可能性［4］。

2.4 市场产品案例分析

3 研究内容和创新点

3.1 研究目的

由于巡检工作内容不同，所以每次巡检任务所需配置的功能也不相同，在执行任务之前要按任务需求定制安装。选装设备的不适配性以及无人机机身的复杂性，使非专业飞手在装配或检修无人机时，不能顺利地解决问题或达成目的，间接影响巡检作业效率［5］。

针对这些问题，本文开展两方面的设计研究：一是巡检无人机造型外观设计研究，二是巡检无人机模块化设计研究。

3.2 研究内容

3.2.1 管线巡检无人机造型设计研究

为优化工业无人机造型，同时减少加配设备对无人机作业效率的影响，重新设计巡检无人机造型。通过产品语义学研究无人机造型趋势，根据民众对无人机的造型认知，降低民众在不了解无人机作业时的戒备心和防范心，确保无人机在作业时的社会安全性［6］。

3.2.2 管线巡检无人机功能模块化设计研究

目前并没有专为巡检任务而设计的专业无人机，负责巡检任务的无人机均为采购的商业无人机，再针对不同巡检任务进行二次改装、加配设备。因此，本文对巡检无人机所需模块进行总结分析，将其设计成通用的设备模块（见图3），使工作人员在拆卸或安装无人机时更加容易，同时减少维修成本［7］。

4 研究方法与技术路径

4.1 产品语义学

产品语义学起源于1983年，由德国的布特教授和美国的克里彭多夫教授共同提出。该领域研究如何根据不同的使用情景，将工业设计融入产品的象征意义。产品语义学主要有四个原则。

逻辑性原则要求设计师考虑使用者的逻辑思维，使产品表达的形式在用户可认知的范围内。

适用性原则要求设计师不仅要提升对产品的认知，还要随着技术的革新和人类审美的变化不断更新设计理念。

传承性原则要求在新产品开发中，不仅考虑到产品的更新和创新，还考虑到老产品的各种特征形态，从而更好地展现品牌价值以及品牌产品的更新迭代过程。

遵循造型美原则，有利于展现产品的实际用途。设计师要在满足产品功能需求的基础上，注重产品造型的美学设计，使产品具备更强的美感和视觉冲击力［8］。

4.2 模块化设计理论

模块化设计是指按照功能或结构划分产品的生产要素，并形成通用模块和专用模块两个部分，通过组合划分来设计具有多种不同功能的全新产品，以满足用户和市场需求。这一设计理念在推动科学技术进步的同时，在一定程度上促进了人类进化和社会发展。

科学的模块划分是无人机设计中的重要环节。模块化设计使无人机的组装更为灵活和高效，还降低了生产成本。同时，标准化的设计和生产过程有助于提高生产效率和质量。通过对模块的优化和标准化，制造商可以更容易地进行批量生产，减少生产过程中的错误和浪费。因此，科学的模块划分不仅可以优化无人机的性能和外观，还可以实现高效生产和降低成本。

5 结语

巡检无人机模块化设计解决方案集中在无人机功能方面，依据层次分析法对无人机功能进行排序，将各个功能模块设计为可替换、通用性强、安装拆卸简单的独立模组。造型设计解决方案主要为市场调研与实地寻访，要满足无人机适航标准、行业要求，也要考虑到民众对无人机造型的认知习惯。依据这些设计方法所设计的输油管线巡检无人机，能够满足产品社会安全性、产品便携性、功能模块简洁易拆卸维修等要求。

参考文献：

［1］ 陈永灿. 2020—2021年中国无人机产业发展研究年度报告［J］.机器人产业，2021（5）：74-85.

［2］ 杜怀林.无人机技术在油气长输管道巡检中的应用研究［J］.科学技术创新，2021（7）：55-56.

［3］ 李诚龙.多旋翼无人机高空飞行稳定控制问题研究［D］.杭州：浙江大学，2016.

［4］ 贺兴柱.多涵道无人机总体设计及气动特性分析［D］.长春：吉林大学，2014.

［5］ 刘贵.山西油气管道政府管理保护研究［D］.太原：山西大学，2018.

［6］ 郝维东.仿生视角下军用运输无人机造型优化设计［D］.西安：西安工业大学，2021.

［7］ 张攀娜.基于产品语义学的机械产品形态创新设计研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014.

［8］ 王玮剑.基于感性意象的城市警用无人机设计研究［D］.武汉：湖北工业大学，2018.

作者简介：朱力（1998—），男，上海人，碩士在读，研究方向：产品造型艺术与应用实践。

徐江华（1977—），男，湖北荆州人，博士，教授，研究方向：航空装备设计、大飞机客舱舒适性设计。