无人机系统在石油石化企业中的巡检应用研究

徐家新

关键词：无人机；石油石化企业；巡检；信息系统；应用

一、无人机介绍及应用形式

无人机（Unmanned Aerial Vehicle），简称“UAV”。是利用无线遥控或程序控制来执行特定航空任务，不搭载操作人员的一种动力空中飞行器。按照不同平台构型来分类的话，无人机可分为三类：固定翼无人机、单旋翼无人机、多旋翼无人机。不同构型的无人机具有不同的优势和劣势。

近年来随着数码相机、计算机与无线通信、GPS、IMU 及无人机技术的发展和成熟，无人机的应用不仅在军事，也广泛应用于民用和科学研究领域。目前应用无人机的领域已多达40 多个，例如抢险救灾、影视航拍、农业植保、电力巡线等。“无人机+ 行业应用”，已经成为无人机的真正刚需，具有广阔的市场前景。

二、无人机系统在石油石化企业的需求分析

作为传统的石油石化企业，经常与危化品打交道，且厂区或设施一般都处于地理位置偏僻的区域，一旦发生事故，后果都是极其严重的。因此，必须进行高效的巡检工作来保障企业的生产安全。传统的巡检方式往往以人工为主，存在以下几个问题：

①易受复杂地理条件及天气环境因素影响，无法持续作业；

②手工录入失误率高；

③人力、交通成本高；

④人身安全性无法保障。

相对于人工巡检来说，无人机巡检则完全不受地理条件限制，并且速度快，效率高，响应和反馈都非常及时，最重要的是作业人员安全得到保障，这些都更加符合石油石化企业的实际要求。

虽然如此，但要真正做好巡检工作，还是需要针对项目的实际情况设计相应的无人机系统解决方案，这样才能发挥无人机的实际作用，达到预期的巡检目的。

目前作为巡检应用的无人机系统主要包括三个部分：

①巡检无人机平台；

②机载设备及图传系统；

③地面信息处理系统，即地面站+ 后台处理系统。

如图1 所示为无人机系统的拓扑图。

仅从无人机平台角度来说，一般的电力巡检采用多旋翼无人机就可以应付自如，而对于石油石化企业来说，动辄几十甚至上百公里的油气管线，多旋翼的续航已经不能满足需求，因此必须考虑采用固定翼或者复合翼机型；再者石油石化企业的很多生产场景都有防爆要求，这需要对无人机的材料、涂层、电池甚至零部件都提出苛刻的要求，而这样的要求在其他领域是完全不需要的；又或者在海上平台的场景中，要求无人机至少要具备抵抗6-7 级风的能力，且动力和负载上也提供更多的冗余，甚至还需要做机体的水上漂浮装置。这些条件都是根据石油石化企业的实际需求而来的，是无人机系统为了完成其巡检任务而必须具备的一些条件。

即便是针对无人机的巡检作业，如电力巡检等，仍然需要操作人员对地面站进行实时的观察以发现异常。但在石油石化企业的长输管道巡检中，长时间的巡检画面已经不再适合单纯依靠人的观察来实现。因此地面信息处理系统的需要就被提出，它可以通过接收无人机的数据，经过相应的算法进行处理分析，最终直接生成告警信息或者结论报告，提醒人员处理异常点，辅助人工进行巡检作业，提高巡检精度和效率。

其实对于能源企业来说，特别是石油石化企业，无人机不再是遥不可及的“高科技”。目前，中石油、中石化及中海油等行业领军企业，都已各自开始布局无人机应用项目，无人机也得到了更多的运用和推广。

三、应用实例介绍

（一）某煤层气公司无人机生产数据一体化解决方案

某煤层气有限责任公司是从事煤层气资源勘探、开发、输送、销售和利用的专业公司。拥有煤层气井2000多口，区块有31 个，面积1.8 万平方公里，主要集中在山西沁水盆地（7 个区块）。

煤层气井现场的信息化基础差，大部分数据采集都需要人工完成。由于地形复杂，1 人每天最多巡检10 口井。1 年中往往有1-2 个月因恶劣天气无法巡检。除此之外，数据的错误、录入失误等都会极大影响数据采集的效率。

针对偏远山区等地形复杂区域的油气井生产数据采集工作一直以来都是一个难题，相关企业也曾尝试过如：无线网络覆盖集群、卫星接收以及使用移动网络信号传输等方式，但投入和产出往往不成正比。这是因为缺乏一种针对特殊现场情况的数据采集传输解决方法。

因此，采用无人机系统去解决现场实际问题的概念被提出来。

多旋翼无人机操作简单，具有机动灵活，能够快速垂直起降，无视复杂地形等特性；其飞行控制系统具备自主航行、低电返回、超视距飛行等功能能有效应对任务需要；机体和材质按照工业标准设计，使其能够在严苛的复杂环境中大显身手。

仅有飞行平台还不够，还需要明确各气井目前的地面数据采集设备的现状。对于数字仪表要知道它们实现的功能以及采集数据的格式和大小，而对于机械仪表则进行必要的数字化改造。有了这些基础后，再将全部设备的数据信息整合到数据采集设备中，做成一个地面数据集成终端。

系统最关键的还是地面数据采集设备与无人机飞行平台之间的通信问题，为了解决这个问题研发人员花费了大量的时间，不断调试接口与数据类型之间的匹配，并开发了专门的配套软件，终于实现了数据在地面与天空之间传输的功能，如图2 所示。

通过生产管理和分析优化系统的作用，将现场生产数据加以汇总、处理、分析，最后以图表的形式直观地呈现给用户，完成数据应用的最后一步。在系统的实际应用中，效果非常理想。数据传输速率大致在3～5M/s的范围内，对于标准单井单日3-5M 的数据量，1s 左右就能完成，效率极高！通过系统采集的数据与现场人工抄录数据的对比，证明了无人机采集数据的精准无误且连续性强。平日人工巡检2 小时左右的工作量无人机仅用11 分钟就完成了，无人机系统的降本增效效果显著。

（二）某化工企业无人机巡检应用解决方案

某化工股份有限公司位于渤海莱州湾南岸，是集科、工、贸等为一体的现代化特大型企业。现有原盐、纯碱、溴素、氯化钙、硫酸钾、氯化镁等主导产品10 余种，是全国最大的海洋化工生产和出口创汇基地。

该企业拥有两座渣场，其中老渣场建设时间长已接近饱和，有溃坝的风险。渣场的巡检工作由人工完成，总长约10km，但巡检一圈往往需时3 小时以上，且存在掉落池中的风险。

同时拥有排渣管道，总长5.2km。管道中通过增压方式，输送高温混合碱液（45℃）。由于环境造成的内外侵蚀等原因，管道容易发生破损，一旦泄露会严重影响企业生产，巡检需求迫切。

虽然这是一个典型的无人机系统巡检项目，但现场的客观条件还是对项目造成了一定的影响，比如大风力、续航等问题。这些条件都需要对无人机系统的各方面作一些针对性的设计和改进。

机型方面，在抗风性上，研发人员对飞机上的电机进行改进，从原来直径8cm 增大至18cm，使其能够提供更大的动力冗余，适合北方气象条件作业。同时在续航上，推出双电池仓，维持动力与供电系统的平衡，使飞机的续航能力能够满足任务的要求，如图3 所示。

机载设备是完成巡检任务的重要组成，根据需求研发人员提供了——高清变焦相机和红外热成像仪两款较成熟的机载设备。但为保证现场人员使用上的方便，在云台与设备的接口处还设计了标准化的快接接口，使设备的更换缩短至3s 左右，提高了效率。

图像传输系统是以无线电技术为基础，搭载特有的通讯传输解决方案，能够实现无人机到地面站之间在无干扰无遮挡的理想环境下，传输实时图像的直线距离达到10km，速率达2～3m/s，视频图像质量为1080p。

地面站系统不仅是图传系统的显示设备，也是无人机的控制核心。作业人员会根据任务要求，并结合现场环境特点，合理规划并形成最终的任务航线。通过内置的编辑器，规划好飞机在飞行中的航速、高度、悬停等任务后，将航线和规划上传至无人机飞控系统中，从而使无人机能够自主地完成全部巡检作业并返航，全程无需人员进行干预和操作。目前项目已通过现场检验和系统运行，无人机系统的实用及时效性也得到了用户的认可。经测算，应用无人机系统后，该项工作的巡检效率提升了89%，而巡检成本却降低了67%。而且还开辟了现场基于热力图的夜间巡检新模式，实现了区域24 小时动态监控的目的，人员的安全也得到了有效的保障。

四、结束语

可以看到，在石油石化企业这种特殊的环境形势下，无人机系统特别是在巡检领域，发挥了不可忽视的作用，实现人工巡检远远达不到的效率和效果。无人机巡检可以说是在科技創新下产生的一种，更高效更安全的巡检新模式。但不可否认，无人机还存在一些问题制约其应用的发展，如：受恶劣天气影响大；成本偏高，寿命短；续航时间短，负重能力差；空域申请条件仍比较高等。

因此，对于无人机的应用，我们必须要认清现实，不能忽视了客观条件而盲目地采用无人机作业，这样很可能起到相反的效果。

预测未来无人机系统发展的几个可能性：

①无人机集群化应用；

②基于图像学习的智能巡检；

③与云平台的结合的远程控制。

通过现代科技的支持，无人机的水平将不断进步，其优越的性能、较强的适应环境的能力，将打造出更富生命力的新兴产业。