无人机油气管道巡线系统发展和应用策略研究

马晓涛

中联煤层气有限责任公司 北京 100000

无人机是指无需机载手动控制（通过遥控或自主控制）的动力驱动和可重复使用的飞行器。无人机系统主要由无人机平台、遥测、遥控和通信设备、任务载荷、信息处理设备和各种保障设备组成。无人机是航空技术与信息技术深度融合的产物。无人机行业之所以能够成为一个相对独立的行业并得到快速发展，核心因素是信息技术在航空行业的全面渗透。随着信息技术的发展，信息传输网络化、作业空间数字化、飞行平台智能化将成为无人机系统技术发展的主要趋势。无人机系统的应用不仅仅是在交通领域的范式，逐渐形成了“无人机+”的新型生产方式、服务业态和与无人机相关的作战方式。本文探究了无人机油气管道巡线系统的发展和应用策略，对于提升油气管道的安全性有重要的价值。

1 无人机监测技术原理

无人机遥感技术指的是无人机技术与遥感技术的有效融合，使用无人驾驶飞行器技术、遥测遥控技术、遥感传感器技术、通讯技术以及遥感应用技术等，实现智能化、自动化以及专用化，从而快速的得到国土资源、地震灾区、自然环境等相关空间遥感信息，同时对遥感数据进行处理、建模和分析的应用技术。因为无人机遥感系统具备了快速、机动和经济等优势，当前被广泛的用于航空摄影测量中，同时也逐渐成为了油气管道巡检领域的常用技术手段。

无人机航测则是使用无人机系统携带航摄相机等相关设备，快速得到地表的信息，获取高精度定位数据以及超高分辨率的数字影像，产生三维景观模型、三位正射影像图、DEM、三维可视化数据等，有助于在多种环境下实施应用系统的开发与应用。无人机巡检则是依托无人机机动灵活以及适应能力强等特征，加之无人机系统可以搭载各种型号的传感器，可以有效巡检油气管线，尤其是对人员无法达到的复杂地形区域，和地质灾害多发的区域，实施有效预警，避免多种不安全因素对于油气管线所产生的破坏作用。无人机巡检机型选择较为便捷，有多旋翼无人机、固定翼无人机等，固定翼无人机多用于常规巡检，比如监测管线周围是否存在地质灾害和施工的情况。多旋翼无人机则经常被用于应急性巡检，比如突发事故。在实践操作层面，多旋翼无人机能够在培训以后进行单人操作，其在突发事件中有着显著的优势。利用机载图传系统，无人机到达制定航点以后能够进行悬停，对现场完成实时拍摄，并传送画面，在紧急处理过程中有着较大优势。

2 无人机油气管道巡线系统的优势和局限性

图1 无人机遥感监测技术

相较于其他技术，无人机技术在监测能源基础设施方面具有一定优势，但也存在局限性。无人机的优势在于成本更低、操作安全性和任务灵活性都更高。而地面和载人航测技术的成本则相对较高，载人航测的安全性和灵活性也较差。此外，传统的空中平台容易受到风、云和气候因素的限制，而无人机通常在150 米以下的高度运行，因为飞行高度低于云层，使得其可以提供高分辨率的图像。此外，一些无人机是防水的，可以在极端天气条件下飞行（例如 -33℃ 的温度和50 公里/小时的风速），为风暴、北极、沙漠等恶劣气候中的载人飞行提供了安全的替代方案。耐久性是无人机商业运营的主要关注点，无论是在天气条件还是再利用方面。无人机要保证能够在很宽的温度范围和强风条件下正常运行。但气体羽流的性质决定了它可能最适合在低风条件下进行巡查。无人机损坏是导致其无法重复使用的限制因素，无人机在调查结束时飞机通过降落伞着陆时，很可能会出现某种形式的损坏。使用反光带的方法有助于最大程度地减少对激光对准产生影响的硬着陆问题；然而，最好减少发射和着陆以尽量减少损坏风险。未来的发展将着眼于使用兼具旋翼控制和固定翼续航能力的混合无人机系统，混合无人机在着陆期间可以提供更好的控制。

目前，无人机在使用过程中的最大限制在于缺乏在非隔离空域（即与有人驾驶飞机共享空间）允许其飞行的立法和法规。这一限制因素主要和飞行安全有关，因为无人机缺乏机载能力，因此无法感知和避开其他飞机。其他有待解决的方面包括数据保护和侵犯隐私权的问题。此外，人们对该技术的安全性及其发生事故的可能性持保留意见。当前，各大无人机企业和学术研究正在致力于开发感知和避免技术，并且各个国家还在尝试构建无人机相关立法体系。用于监控基础设施的无人机技术的其他局限性在于技术方面，例如需要专业知识、缺乏标准以及图像分析技术范围不够完善等。

3 无人机油气管道巡线系统的发展

配备相关传感器的无人机可以作为传统检测技术的绝佳替代品。它不仅可以节省时间，还可以降低成本。北海勘探公司进行的一项调查表明，使用无人机检查资产可以比传统检查方法快20 倍，成本降低一半。这种方法在石油和天然气行业的检油气管道巡检中应用比较广泛。到目前为止，所有的商用巡检无人机都是手动控制的。在检查过程中，无人机将由一名经验丰富的飞行员控制，而现场巡检视频由另一名经验丰富的检查工程师监控。

BP、壳牌、阿帕奇、BG集团、挪威国家石油公司等世界著名油气公司均与世界领先的无人机巡检技术Cyber hawk合作，对其设施进行巡检。Cyber hawk 使用的英特尔 Falcon 8 plus 已显示出可靠且高效的性能。英特尔猎鹰 8 plus 拥有专利的 V形设计，带有八个旋翼，使无人机更加稳定，并确保数据采集过程畅通无阻。通过搭载三个采用高效数据融合技术的冗余惯性测量单元（IMU），无人机可以在飞行过程中保证及时的响应性和可靠的稳定性。检查模块由 RGB 相机和热像仪组成，可帮助无人机导航，同时捕获用于检查管道和进一步分析的3D重建的详细数据。

另一个值得注意的检查无人机是 ELIOS，这是 Flyability 开发的第一款耐碰撞无人机。这架无人机被碳纤维外壳包围，可以保护机体免受碰撞。当与障碍物碰撞时，无人机会弹开并沿表面滚动以寻找路径。更重要的是，它利用高清摄像头、热像仪和LED照明系统，在任何光线条件下都可以完成检测任务。在无人机检测过程中，一架无人机需要两名经验丰富的工程师管理。如果无人机检查任务能够实现自动化，那么不仅可以加快检查过程，还可以通过降低工程人工费用和最大限度地减少人为操作失误造成的事故来提高成本效率。

此外，国外研究人员还开发了一种无人机自主跟踪和导航控制器，用于检查石油和天然气管道。他们的自动化系统包含四个部分：首先，高斯梯度用于提取图像序列中对象的边缘。其次，隐含HT来识别流水线。之后，设计PID控制器实现角度和横向校正，确保无人机的位置和方向与管道对齐。最后，实现了沿管道的自动导航。

3 无人机油气管道巡线系统的应用策略

合理选择用于监测石油和天然气管道的巡线系统取决于一系列因素。最重要的是完成监测任务所需的信息类型。例如，用于检查基础设施的视觉记录、用于监测环境状态的温度或树冠颜色等物理参数。周围环境的物理特性（例如可达性、地形粗糙度、到目标管道的距离）可能会限制某些系统或配置的使用（例如有限的耐力）。此外，当地法规和无人机组件的兼容性，对于专为特定任务配置的无人机系统也非常重要。

3.1 常规油气管道巡检

对于距离较近的油气管道巡检，需要短距离飞行以实现对该位置的详细观察，小型轻便的低空无人机是最恰当的选择。所需的飞行高度非常低（<50m），因为任务的重点是观察地面或附近的管道（5～10m）。在这种情况下，由电池供电并为传感器供电的具有高机动性的微型多轴飞行器就足够了（例如 DJI Phantom 3、Aibotix Aibot X6）。操作者应备有备用电池以备更换。高分辨率相机（例如 Photonis Nocturn U3、MD、GV）或带有动态传输的视频（例如 GoPro Hero4、Walkera QR X350）可以直观地识别受损的基础设施。

3.2 监测泄漏的短距离巡检

对于短到中等长度管道的监测，无人机的高度通常需要维持大约 100 米的高度（通常在云层以下）。因为油气管道的监测任务通常为重复和周期性的，飞行计划则是固定而又明确的。在这种情况下，固定翼无人机（例如 Trimble UX5）是恰当的选择，配备可见光和红外摄像机。监测的过程中要注重数据的记录，以便与以前和未来的调查数据进行比较，并使用自动算法观察监测数值和状态的变化。对于小于 100 公里的大型油气管道，需要具有更长续航能力的无人机巡线系统。可选择旋翼微型无人机 Camcopter S-100 ，它具有高度的灵活性和荷载量，能够通过 DInSAR 技术实现对潜在地面沉降监测。

3.3 监测环境状况的长距离巡检

因为单个小型无人机系统监测能力的束缚，监测偏远地区长管道（约数百公里）的难度较大，需要定期观察以检测损坏或故障。借助现有的无人机技术，这种监控场景通常由在受控空域中运行的大型无人机系统执行，因此必须在系统化的空中交通管制环境中实施。大型无人机可以由多种发动机和电机，借助燃料和电池提供动力。由于无人机在 1000 米以上运行，通常不在云层以下，因此需要使用雷达 （SAR） 传感器，光学/红外传感器系统可以予以补充。该设备又需要适当的有效载荷能力，图像处理和特征提取工作可能比以前的场景更复杂，因为雷达数据需要更专用和更具体的软件进行处理。相信在不远的将来，大规模的小型无人机能够执行这种监测任务，其中单独的无人机以中继系统的形式进行连接。想要实现这些功效，需要进行一些技术改进。首先，将每个管段末端作为基站充电，在天气条件恶劣的情况下具备自主决定充电或返回基地的能力，该领域的工作已经完成，小型无人机群技术的可行性已经通过测试，展示了单个飞行器收集和使用数据的过程中，不同无人机可以相互通信，从而完成统一任务。一旦技术成熟，成群的小型无人机预计将在救援行动中发挥重要作用。

4 结束语

油气管道巡线系统是无人机技术的重要应用领域。无人机技术将会替代传统的监测方法，如徒步巡逻和空中勘测。依托多平台设计模式，无人机系统正在发展成为用于密切检查基础设施和重复监视环境的高效工具，可用于检测、表征和跟踪油气泄漏部位。改进无人机的电池电量可以保证其执行更长或更高功率要求的任务。整体来看，无人机将来在油气管道的检测、监测和维护中发挥更加重要的作用。