无人机在管道应急抢险中的应用

吴杰，刘洋，田明亮，易欣，刘翔，杨璟辰，赖帝丞

(国家管网集团浙江省天然气管网有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

随着工业化水平逐年提高，天然气作为一种清洁能源，其在我国能源结构中的占比也在逐年增加。根据《中长期油气管网规划》，到2025 年，我国油气管网里程将达到24×104km[1]。管道里程数的快速增加，使得管道面临的风险也在日益增多，如第三方破坏、泥石流、落石、滑坡等，这些事故不仅会严重损坏管道本体安全，还会严重威胁管道周围居民生命财产安全。

无人机作为一种新兴的探测设备，由于其具有体积小、操作简单、携带方便的优点，在管道安全领域使用越来越广泛。目前，油气行业使用的无人机主要有三种，分别是固定翼无人机、无人直升机以及旋翼无人机。固定翼无人机一般用于长输管线日常巡检及定点核查；无人直升机一般用于环境(天气、地质)恶劣时的巡检任务；旋翼无人机一般用于小范围内开展巡检工作。

众多学者也针对无人机开展了应用研究。陈兆龙等[2]提出一种无人机实时检测系统，该系统可以将无人机采集的视频进行实时处理并识别出危险因素，然后将危险因素的信息和位置发送至后台。张秀璋[3]设计了使用无人机搭载高清摄像头和激光甲烷遥测设备开展城市燃气管线巡检的方案，认为该方案比人工巡检方式更为有效。田明亮[4]使用无人机开展山区天然气管道巡检，可以有效识别管道周围危险因素，保证管道安全、平稳运行。毕娜等[5]用无人机开展地质灾害勘测，详细介绍了勘测系统的组成及应用效果，取得了较好的成果。

可以看出，目前无人机主要用于开展管道巡检作业，对管道保护中的其他业务如维抢修作业等，描述的文献较少。本文基于企业管道业务需求，针对无人机可以高空悬停的特点，提出一种无人机在管道应急抢险中的应用方案，可以为管道维抢修作业提供便利。

2 无人机功能及相关技术

2.1 无人机功能设计

以某管道公司为例，该公司所辖管道途经地段环境变化较大，既有陡峭崎岖的山地，也有遍地泥泞的水域，还有人类活动频繁的郊区。同时由于地处沿海省份的原因，每年7—9 月都会经受台风的洗礼，滑坡、泥石流等地质灾害频繁发生，给管道安全造成严重威胁。每次台风过后，该公司都会安排专人开展专项巡检作业，一旦发现管道处于裸露、悬空等不安全状态，便会立即开展应急抢险作业。

根据管道应急抢险作业需求，无人机的功能应包括空中悬停、照明、定点核查、泄漏检测、土方测量、行为识别、实时视频等。

2.2 相关技术

2.2.1 泄漏检测技术

激光检测器是利用可调谐激光吸收谱技术(TDLAS)开发的一款天然气泄漏检测装置，其原理是不同种类、浓度的气体对激光的吸收能力存在差异，该设备主要包含三个部分，即激光发生器、探测器、透镜。激光发生器向被检测区域发射一束激光，当该区域内存在天然气时，该激光会被天然气的主要成分(甲烷)吸收，降低了探测器检测到的激光强度。由于气体对激光的吸收能力受到浓度的影响，因此可以根据激光强度的减弱程度得到该区域内的天然气浓度，浓度值达到报警阈值时探测器就会发出报警。

2.2.2 视觉行为识别技术

近几年，视觉行为识别技术在管道行业逐渐兴起，它是通过将拍摄到的外部影像信息与样本库中各个事件、行为的特征进行对比，进而发现危险因素的技术。

识别流程共分为4 个步骤：(1)建立管道周围危险因素、事件、物体的特征库，如挖掘机、塌方、落石、不规范作业等，分析它们在航拍角度下的图像特征；(2)读取无人机摄像头拍摄的视频资料，并将这些视频材料转化为图片；(3)采用卷积神经网络的方式提取图片中的实体特征；(4)将图片与样本库进行比对，若出现相似特征，则判断管道周围存在异常，并将结果推送至电脑或手机客户端，通知作业人员前往核查。

2.2.3 倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影技术是指一种测量技术，利用无人机搭载多镜目摄像头从不同方向拍摄某一物体的影像，经软件处理分析，得到所需测量物体的尺寸、面积等参数。

倾斜摄影技术包括以下步骤：(1)规划飞行线路。根据摄影目标和目的设置飞行路线以及采集角度。(2)数据采集。无人机飞到待测量物体上方后，开启摄像头，从不同角度拍摄该物体的影像。(3)数据处理。处理得到的影像数据，包括图像匹配、三维重建以及制图等，生成高精度的地理信息数据，利用专业软件生成该物体的三维模型。(4)数据应用。根据需要，开展数据分析应用工作，包括尺寸测量、变形分析等。

2.2.4 信息传输技术

随着计算机和网络技术的快速发展，以物联网为代表的信息传输技术逐渐应用于社会生产各个方面，油气行业也在不断挖掘它的价值，该技术的特征是利用数字化方式将各个设备(传感器、硬件)和物理世界联系起来，然后通过一定的协议接入互联网进行通讯和控制。本文中无人机携带的通讯器就是通过MQTT协议与后台进行数据交互。

2.2.5 视频直播技术

一般来说，视频监控系统均布置在固定的场所，且需要专门的网络才能进行监控，这一缺点极大限制了监控系统的使用范围[6]。与之相比，采用无人机对作业现场开展监控就能避免这个缺陷。

3 无人机应用分析

3.1 无人机应急抢险系统设计

3.1.1 组成

为了完成这些功能，无人机需要搭载多种设备，基于无人机的应急抢险系统构成如图1 所示。

3.1.2 功能

基于无人机的应急抢险主要由三个部分组成：(1)无人机本体及搭载的设备；(2)用于连接无人机和后台终端的基站和服务器；(3)后台终端，包括手机终端和电脑终端，作业人员通过终端来检查无人机提供的信息，也通过终端给无人机发送操作指令。

图1中各个设备的功能如表1 所示。

表1 无人机搭载设备及功能

3.2 照明及泄漏检测

无人机应用于应急抢险照明、泄漏检测工作时，往往需要在地面放置一个大容量电池，无人机携带大功率照明灯、激光检测器悬停在应急抢险区域上空，用照明灯为施工人员提供照明。同时，无人机搭载的激光检测器可以从空中大范围地检测施工现场附近的天然气浓度，一旦发现施工区域附近天然气浓度超过设定阈值，就会发出报警，提醒施工人员可能存在管道泄漏的情况。

3.3 第三方施工核查

无人机用于开展第三方施工核查时，往往会与沿管道敷设的光纤监测系统配合使用。当光纤监测系统感受到管道周围存在异常施工活动时，便会将异常坐标位置发送给后台，后台将该信息发送给距离最近的一个无人机，无人机携带摄像头、喇叭根据提供的坐标信息自动前往异常区域开展检查、取证。当无人机飞临指定位置上空时，打开携带的摄像头，将现场实时影像传递至后台的作业人员，一旦发现管道周围确实存在违规施工活动，便可以通过喇叭对其进行喊话，阻止该活动。

3.4 地质灾害核查

无人机用于地质灾害核查可以分为两种情况：一种是在大范围强降雨、地震等自然灾害后，利用无人机沿管道飞行，检查管道周围是否存在地质灾害发生，这种情况与无人机日常巡检任务目标一致；另一种是对管道周围发生的地质灾害规模进行勘察，为制定持续监测方案或应急抢险措施提供宝贵的现场材料。在这种情况下，无人机需要携带多镜目摄像头，从多个不同的角度对管道周围的环境进行拍照、录像，当飞行任务结束后，将这些数据上传至后台服务终端。

4 结语

本文针对无人机在应急抢险作业中的应用情况开展研究，详细分析了应急抢险作业时无人机的功能需求，并介绍了相关的前沿技术原理及实现方式，设计了一款基于无人机的应急抢险系统，介绍了该系统的组成和功能，主要得出以下结论：

(1)无人机在执行飞行任务时，通过搭载不同的设备可以实现不同的任务，管道企业在使用无人机时，可以根据自己的需求来开发无人机的功能。

(2)无人机搭载照明灯以及激光检测器可以为应急抢险作业提供照明，并检测天然气管道是否发生泄漏。

(3)无人机与光纤监测系统联动可以有效检查管道周围的施工活动，减少响应时间。

(4)使用无人机开展地质灾害测量可以为制定管道保护措施提供一手资料。