无人机在城镇高压燃气管道巡线中的应用

鲁培松 文陈鼎 黄锦华 李参军 彭贵文

（1. 佛山市天然气高压管网有限公司，广东 佛山 528000；2.中山市中润能源有限公司，广东中山 528400 ；3. 深圳前海佛燃能源有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

佛山市天然气高压管网有限公司位于广东省佛山市。目前在运城镇高压燃气管道（以下简称“管道”）200余公里，为佛山市的大型电厂、工商业用户、居民用户等提供清洁能源。辖区范围内河网密布、沟壑山坡等等地貌多样变化，该管道的敷设施工以开挖直埋为主，在管道穿越公路、河流、山体、水塘等地段时，采用非开挖定向钻或顶管的方式铺设管道。

为了保障管道的安全健康运行，必须定期进行管道巡查维护。对于管道巡线来说，尤其距离较长的管道巡查维护，完成工作的特点是强要求、高质量、短周期、重任务。因为管道周边范围内地势地貌比较复杂多变，管道穿越河流、鱼塘、山岭、树林等，人员徒步巡查难以到达，机动车巡查往往需要远距离绕道行驶且难以全覆盖，因此，无人机对于特殊地段的管道巡查维护无死角带来了可能。

1 高压燃气管道现状特点

1.1 管道敷设环境复杂多样

管道埋设方式主要分为开挖直埋和非开挖定向钻或顶管几种。当有管道直埋敷设施工时，管道的覆土深度需要达到1.2m才能符合标准规范的要求，如果常年累月因泥土塌方沉降、水土流失，易造成管道悬空、裸露等，造成安全隐患。因此对巡线员徒步在管道上方巡查依赖度高。

1.2 管道安全管理任务复杂

管道敷设因为地理环境问题复杂多变，巡查过程中巡线员需要驾驶车辆绕行或者携带工具越沟、翻山、跨河、跨公路等障碍。管道沿线存在较多第三方施工，第三方施工的种类有机械开挖、定向钻、钻探、打桩等等，这些都需要巡线员进行监护施工和巡查管理[1]。

1.3 高压燃气管道沿线遮挡物较多

管道周边范围地区等级普遍较高，管道的地区等级经过高后果区识别，既有一级地区也有四级地区。管道跨地域和地理环境变化较大，既有经过山岭丘陵、树林密布的郊区，也有建构筑物较多、交通密集的中心市区。当管道周边树木、建构筑物产生遮蔽时，第三方施工会较为隐蔽，对此巡查发现难度大大增加。且随着城市不断发展建设，管道沿线地区等级有着逐年上升的趋势。

1.4 高后果识别等级较高

高压燃气管道区域高后果区公共设施多，存在城市服务设施如：学校、医院、加油站等。如果第三方施工破坏管道，一旦有泄漏甚至爆炸事故发生，造成的影响范围广，后果会十分严重。相对于中低压管道和长输油气管道，城镇高压燃气管道风险等级较高。在管道附近的高后果区域，需要补充和加强巡查力度、巡查频次。

1.5 管道传统巡检方式覆盖面不足

城镇燃气管道宜使用“日常徒步巡检”“日常车辆巡检”与“管道智慧巡检系统”、“管道视频监控系统”等信息化手段结合的方式。 高压管网公司管道巡检团队是专业巡线队伍，人员素质较高、巡查工效高。但是枝状管网，管道跨度大、压力等级高对巡查频次和周期要求高，在施工较多的情况下工作强度很大、任务重，难以保质保量完成巡护任务。

2 目前高压管网巡线工作难点分析

佛山市天然气高压管网有限公司主要采用传统人工巡检方式，工作中存在以下难点。

2.1 巡线工作量大

巡线频次为一日两巡，按照当前巡查模式耗费大量的人力，巡线工作量大。

2.2 枝状管网，管道跨度较大，距离较远

200余公里管道遍布佛山市五区，管道跨度较大，新旧管道分布错综复杂、单线巡查里程长，人工巡检耗时长，距离远。

2.3 特殊地形人工巡线危险性高

管道经过较多特殊地形，如水沟、河涌、陡峭山坡等危险地形，人员容易产生跌落风险。管道经过树林、芦苇丛等，徒步巡线过程中有虫蚁、毒蛇等出没，危害巡线人员的人身安全。

2.4 复杂地形巡线效率较低

管道跨公路、桥梁、河流、施工围挡等地形复杂，对巡线区域地缘隔绝范围很大，人工巡线往往需要绕行较远路途，造成巡线效率较低。

2.5 管道巡线密度要求高

城镇高压燃气管道对巡查频次、密度、控制范围和监控过程有较高要求，传统人工巡查在控制成本情况下难以满足。

3 无人机发展现状及巡检应用

无人机是一种较为先进的无人驾驶飞行器，它作为新型的巡检设备，不但集成了复杂的图像识别、信息处理、地理信息（GIS）、航空、通信于一体的系统，还涉及到快速对焦摄像技术、现代导航技术、数据链通讯技术、飞行控制技术以及故障诊断等多个技术领域。相较于载人机而言，无人机低空摄影测量成本较为低廉，实施起来便利，运输维护的作业成本较低。不仅可开展管道监测与日常维护巡检工作，还可完成城镇燃气、长输管道可行性研究、初设、施工图各阶段测量工作，极大地提高工作效率，是管道管理、巡检的最有效的手段之一。

随着城市和社会的发展、科技的不断进步，无人机在城市燃气管道巡检方面的应用也越来越广泛。在日本，千叶大学与关西电力公司使用无人机来巡检电力系统，无人机在高空能清晰记录电力线路下方的GPS坐标和三维图像，而且相较传统模式成本节约将近50%[2]。中国石油西气东输管道公司在2012年11月利用无人机在管道之间进行巡检试验，在巡查过程中可以同时拍摄管道附属设施及管道沿线的地质情况等[3,4]。2016年，无人机巡检技术被中国石油西南油气田分公司川东北气矿引入，该技术对多条油气田管道进行无人机正射巡检和视频巡检，巡检结果表明人工巡检的不足能够在无人机巡检技术中得到很好的弥补，更好的保障燃气管道的安全[5]。2018年某研究团队开展航拍试验，在四川盆地东北部进行为期一个月测试，完成了整条管道的无人机巡查并得到清晰图像，与人工巡查相比，效率提高了8倍[6]。2020年，天津市的某公司用无人机对其管理区域内第三方施工情况进行监测，无人机巡检报告自动生成检测时间、地点以及管道周围图像等[7]。

目前应用最广的主要是固定翼无人机和多旋翼无人机两种类型，需要根据工作环境及工作情况选择最合适的无人机类型，两种无人机各有各自优缺点。

3.1 固定翼无人机管道巡检

固定翼无人机主要是由下面几部分构成：控制系统、机体结构、动力系统、数据系统、GPS等系统组成，具体构成如图1所示。为了获得固定翼无人机在三种高度下拍摄的管道上方施工机械以及地貌变化照片，我们分别从65m 、70m、120m的离地航行高度完成管道巡检，以此研究固定翼无人机对管道的巡检效果。通过巡检发现在这3种高度下，我们通过固定翼无人机都能有效获取管道上方燃气调压站、建构筑物、施工机械、道路、围栏等目标。在获取照片的同时也同步得到了每张照片在拍摄时间无人机对应的GPS坐标点以及此时无人机所处的飞行高度，这些数据均可支持后期图像拼接[8]。

图1 固定翼无人机结构[9]

3.2 多旋翼无人机管道巡检

多旋翼无人机主要由以下几部分构成：机身、叶片和遥控系统，具体如图2所示。多旋翼无人机主要采用四轴多旋翼无人机，管道巡检主要分为可见光和红外成像两种方式。可见光巡检过程主要分为：自动航线和手动操控。其中自动航线模式需要提前设置无人机飞行高度为30m，手动操控模式设置无人机的飞行高度约为20m。可以基于可见光的多旋翼巡检来有效获取管道上方环境精细化的照片。红外成像主要应用于夜间管道上方施工机械和调压站监控巡查。多旋翼无人机可同时搭载甲烷泄露检测设备等来检测管道范围内的甲烷分子[7]。

图2 多旋翼无人机结构

管道和燃气场站上方地理环境在温度、地貌等方面有着较大差异。通过红外成像，无人机能有效获取管道及调压站的温度、结构特点。基于红外可见光成像系统，多旋翼无人机完全适合在户外管道巡检工作。在完成管道巡检任务的同时可清晰拍摄燃气场站照片，从图3、图4可以看出，无人机在近100m高空可清晰拍摄燃气场站运行情况，夜间也能清晰地传送画面，为燃气场站运行管理提供方便。

图3 佛山市天然气高压管网有限公司明城门站航拍图

图4 佛山市天然气高压管网有限公司南庄门站航拍图

4 无人机的管道巡检论证

作为一种融合了多个专业的高新技术，无人机可快速获取地貌的空间遥感信息，具有低成本、机动灵活、体积小、维护简单等特点[10]。无人机可应用于多种工作场景：地貌勘察、优化选线、管道巡检、管道泄漏点定位、燃气场站管理、灾害监测等方面，为城镇燃气管道的安全运行保驾护航。无人机巡线具有以下几大优势。

4.1 高工作效率

在巡航过程中实时获得高清视频及图片；极大减轻了巡线员的巡线负担。后期通过图像的处理分析进行判断操作，以此提高巡线工作的效率。

4.2 受气温、昼夜、地形等因素影响较小

多旋翼无人机体积小、飞行速度快、检测精度高，可安全高效的穿过峡谷、河流、山脉等人车很难，甚至无法逾越的地形，高效的完成长距离管道巡线工作。

4.3 高巡视质量

无人机准确勘查燃气管道的运行情况。可精确编辑无人机的飞行路径，使得巡查无死角、无盲区。

4.4 高安全性能

无人机适合在特殊地形特殊气候条件代替人工巡线，如高海拔、复杂山地等人员徒步难以到达的地区，以及雨后、雪后、高温高寒等气候状况，以减少事故发生的概率和人员损伤的风险。这不仅提高了工作效率又保障管道巡线员的人身安全。

历时两个多月的无人机巡线论证，通过选用多种无人机机型，采用自主航线和人工飞行结合的方式，针对可视和非可视范围进行可见光和红外热成像等模式进行分别测试。在巡线测试过程中，天气多变，曾出现多风、强风天气，同时伴有强降雨。在试验过程中，无人机的抗风性能得到实用论证，同时无人机起飞条件不受时间限制，可随时随地安排飞行任务。所有回传画面可以随时通过变焦获取需要的局部画面，同时回传视频画面稳定，无明显抖动现象，完全符合城镇燃气的实际工作需要。

5 结语

综上所述，通过对比固定翼、多旋翼无人机的续航时间及各方面性能，并与佛山市高压燃气管道生产实际相结合，采用多旋翼无人机巡线会取得更好效果。多旋翼无人机优点是机身小巧灵活，操作简便，可以精确地测量取证管道周边的安全环境，并且可在发生管道隐患点附近的空中悬停，将画面实时传至应急指挥中心，方便用于巡逻及相关应急指挥。固定翼无人机特点是能较好解决续航时间的问题，可以考虑用于长输油气管道巡线，且其速度相对较高，有效载荷较大，可携带较重设备用于检测或救援。

相比传统的人工巡检方式而言，无人机巡线可以更好地提高巡检的效率和精度，有效弥补传统巡线的不足和漏洞，但目前这项技术的推广应用还存在着许多技术难点，其重点研究方面为：

（1）控制成本的同时，研发大载荷、续航能力强的小型无人机；

（2）优化无人机平台和自主导航飞行控制系统，开发配套的高稳定性自动导航飞控技术及遥感信息无线网络快速传输技术；

（3）研究开发面向小型无人机平台的输气管道泄漏信息获取的传感器、远程控制系统以及遥感数据算法模型等，为管道维护提供实时精确的决策依据；

（4）研究巡线数据的后期处理方法，包括数据的校正算法、泄漏识别及管道信息的快速提取、管道管理快速决策、支持算法等，开发出具有较高实时性、更智能的燃气管道无人机巡航管理系统。