无人机在油气管道巡检管理中的应用前景分析_李凯.pdf

2023 NO.8 安 全 与 防 灾SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION无人机在油气管道巡检管理中的应用前景分析李凯(天津市天科数创科技股份有限公司 天津 300110)摘要：目前，国内外对于无人机技术的发展研究不断增多，无人机的应用领域也在不断扩大。针对无人机在油气管道巡检管理中的应用，目前已经有了较为成熟的案例。该文将在目前无人机技术发展现状的基础上对无人机在油气管道巡检的应用进行分析，同时讨论了传统油气管道巡检模式与无人机巡检模式对比和油气管道无人机巡检系统构成，此外还分析了现有的以及将来可能实现的可用于油气管道巡检的无人机新兴技术，阐明了无人机在油气管道巡检管理中具有广阔的应用前景。关键词：无人机 油气管道巡检 应用前景 巡检模式中图分类号：TE973文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)08-0126-04Analysis of the Application Prospect of UAVs in Oil and Gas Pipeline Inspection ManagementLI Kai(Tianjin Tianke Digital Innovation Science&Technology Co.,Ltd.,Tianjin,300110 China)Abstract:At present,the research on the development of UAV technology is increasing at home and abroad,and the application field of UAVs is also expanding.For the application of UAVs in oil and gas pipeline inspection management,there are already relatively mature cases at present.Base on the current status of the UAV technology development,this paper will analyze the application of UAVs in oil and gas pipeline inspection,and discuss the comparison between the traditional oil and gas pipeline inspection mode and the UAV inspection mode and the composition of the UAV inspection system of oil and gas pipelines,also analyze the existing and possible emerging technologies of UAVs that can be used for oil and gas pipeline inspection,and clarify the broad application prospect of UAVs in oil and gas pipeline inspection management.Key Words:Unmanned aerial vehicle;Oil and gas pipeline inspection;Application prospect;Inspection mode随着科技的进一步发展，目前国内外的无人机技术日渐成熟，商业化以及科研用途的无人机不断更新自身“功能库”，在工业、农业、军事、医疗等领域皆得到广泛的应用。20世纪20年代，第一架军用无人机进入人们的视野，自此，无人机技术正式翻开飞行领域的新篇章。截至目前，我国的无人机发展史已逾40年，其在油气管道中的遥控巡检也成为一种运用于现代企业管理的辅助型手段。针对无人机在油气管道巡检管理应用的成熟度目前已得到了一定程度的证实，对于其将来在该领域的应用和发展仍面临着一些关键要点亟待解决，要想将人工巡检油气管道完全以无人机巡检替代仍需很长的路要走。但不可否认，无人机在油气管道巡检管理的应用将成为未来无人机行业极具前景的领域之一。1 无人机技术在油气管道巡检中的发展现状目前，人工智能的迅速发展带动了无人机技术的跨越式进步，随着市场需求的不断扩大，目前无人机产DOI：10.16661/ki.1672-3791.2206-5042-3867作者简介：李凯（1990），男，本科，工程师，研究方向为人工智能、无人机、无人机器人。126安 全 与 防 灾 2023 NO.8 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯品不断迭代升级，从无人战斗机到民用无人机，从大型无人机走向微型无人机，电子、机械、材料、计算机等学科的进步正催生无人机的下一步革新。值得指出的是，无人机技术不仅仅局限于文章所讨论的油气管道巡检管理应用的范畴，还包括许多民用、军用等各类领域，此文仅以无人机技术在油气管道巡检中的应用作为讨论基础1。在油气管道巡检应用中，对比人工巡检，无人机巡检具有高效率、高安全性、高精度、易操作等优势，同时不受恶劣环境和复杂地形的影响，能够有效完成巡检任务。目前针对无人机技术在油气管道巡检中的研究主要集中在机体设计、控制策略、检验算法等方面。针对国内无人机技术在油气管道巡检中的应用，无人机遥感技术在2011年的兰成渝输油管道中首次得到应用。1年后，无人机管道巡检的飞行试验在西气东输公司得到印证。此后，包括中石油西南管道公司、中石化销售华南分公司等陆续将无人机技术应用于管道巡检的实践当中，故目前无人机在油气管道巡检中已取得了较为成熟的结果。无人机技术在油气管道巡检中的发展历程主要可以总结出如下几个重要的成功应用案例：2017 年，山西煤层气安泽项目部进行无人机煤层气巡检，这一过程完整且高效率地完成了无人机在下雨的情况下（恶劣天气演练）能够无死角地完成巡检任务，说明了无人机对施工现场巡检的有效性。2017 年 7 月，华北石油采油一厂在白洋淀进行水上应急救援演练，在包括布桩、收油等众多流程在内的应急情况进行高精度以及变焦拍摄，很好地完成了无人机的高空巡检拍摄任务。2021年7月，广东分公司全面启用无人机，正式开启了“科技航油”新征程。为做好无人机在中国航油系统内的首次应用，广东分公司早计划、细安排、严要求，以广州第二航油管道作为无人机巡检的试点单元，在“无飞行经验、无案例参考、无现成体系”的情况下，不断优化飞行航线、完善合规飞行材料，建立无人机飞行风险识别与作业指导书，逐步建立无人机巡查体系，为无人机推广工作奠定基础2。2 传统油气管道巡检模式与无人机巡检模式对比因输油管道往往具有距离长、节点拐角多、输量较大、管径较大等特点，尤其是埋地油气管道，因其所在路况复杂，同时容易遭受土壤腐蚀和人为破坏的危害，随着使用年限的增加极易出现穿孔漏油的情况，对油气输送造成巨大的损害。针对油气管道的巡检内容如表1所示。针对表1列举的无人机在油气管道巡检内容，最右侧已经列出了无人机系统工作所需载体，而针对巡检内容，以下将分为人为巡检模式和无人机巡检模式进行对比讨论。2.1 传统人为巡检模式目前，许多油田公司已建立自属的巡检队伍，其对油气管道定期进行沿管道检查，对人为发现的管道泄漏等问题进行及时反馈。但显而易见的是，该种巡检方式极耗人力物力，而且非常容易受到恶劣天气和难以人为行进的复杂路况的影响，巡检工作量大，工作辛苦，甚至可能在一定程度上危害技术人员的身体健康。另外，因为巡检内容还包括人为破坏、油气盗窃等问题，单纯以人工方式进行巡检可能会发生工作人员的安全性问题。此外，对纯人工进行的油气管道巡检工作，因可能受到人为因素的影响，巡检效果也可能大打折扣3。表1 无人机在油气管道巡检内容序号123456789巡检类别常规巡检应急监测巡检内容管道附近是否有打孔盗窃或者人为破坏现象管道周围是否有违章建筑，是否存在占压管道的情况管道的基本设施（包括标注桩、测试桩、里程桩等）有无缺损管道配件有无缺损管道周边环境灾害情况地上管道是否受到锈蚀地下管道是否存在裸露现象管道地质灾害情况管道是否泄露，泄露点坐标在何处无人机系统工作所需载体可见光、红外可见光可见光可见光可见光可见光可见光、激光雷达可见光、甲烷传感器石油、红外127 2023 NO.8科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 安 全 与 防 灾SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯2.2 无人机巡检模式目前因无人机技术的成熟和制造工艺手段的进步，无人机制造的成本低廉。且由于机电一体化技术的发展以及微机电系统的升级，无人机逐步朝着微型化演变，其便于运输和操作，而且后期维护也十分简单。针对许多工作人员不易进入的地域，无人机可轻松飞行，利用视觉图像采集、气体传感和无线传输等技术将巡检过程中获取到的数据及时反馈给终端，与管理中心进行实时对接。对于夜间工作人员不易进行的巡检工作，无人机可以通过热成像技术等在夜间对人为破坏等进行实时监测。该种方式能够极大节省人力投入，同时可以实现信息反馈的即时性和精确性。而且目前国内外的无人机技术十分成熟，能够有效解决目前巡检中存在的各类问题4。3 油气管道的无人机巡检系统构成目前，用于油气管道巡检的无人机巡检系统一般由航路检测、地面控制和数据处理模块组成，其主要模块功能以及构成元件如下。3.1 航路监测模块一般情况下，航路检测模块是由无人机搭载多种传感器（包括特殊气体传感器、红外传感器等）组成，并且携带的影像监测装置可以生成指定区域视频及照片，从而获取三维建模原始数据。航路监测模块有助于获取传达给中枢处理模块的有效信息，从而使工作人员可以有效地对巡检获得的结果制订下一步的处理方案。3.2 地面控制模块地面控制模块是通过无线信号与航路检测模块进行通信，实现工作人员对无人机飞行状态的实时控制和调节。地面控制模块主要由工作人员进行主动控制，也可以在其中加入部分无人操作的自动指令，将大量任务（包括规定轨道路线、指定时间间隔拍摄/摄影任务等）集成化嵌入无人机系统中。地面控制模块主要是针对突发状况以及人为监测无人机运行时进行控制的模块。3.3 中枢处理模块中枢处理模块能够将航路监测模块获取并且进行实时反馈的包括图像、音频、气体传感等数据进行集中处理，对前期设定的管道巡检情况进行分析。例如：目前有部分研究针对无人机采集的视频图像进行实时处理，对航路监测模块获取到的信息进行比对、强化等处理。另外，也有研究者制定了人工智能技术与管道感知技术结合的技术路线，该种方法能够有效实现对机场的无人机巡检，其也为该文讨论的无人机在油气管道巡检中的应用提供有力支持5。4 无人机在油气管道巡检中的现有技术手段针对表1提到的无人机在油气管道的常规巡检，其数据处理主要基于可见光图像的处理，包括图像拼接、特征提取、图像标定等技术手段。依赖于可见光、红外等载体，特定传感器以及信号接收器能够在巡检过程中截取到所需要的图像或者视频信息，从而达成所需要的要求。智能图像对比分析是对于无人机巡检油气管道过程中另外一个十分重要的技术手段，它能够实现将中枢（控制端）感兴趣的地貌特征、房屋情况等信息和本身拍摄到的图像进行智能比对，分析油气管道可能出现的漏油、破坏、施工等各类情况，同时也可以在一定程度上实现动态监测，将各种不同时态、不同场景下的图片进行拼接合成，与过去某个标准时期的图像进行比对，若是发生了改变或者不良状态，立即通过反馈系统将信息发送给控制端，实现问题的即时解决。针对应急监测的巡检内容，常用的是位置标注、气体传感等技术手段。针对气体泄露的情况，无人机依赖甲烷传感器等气体传感器，通过测定气体浓度或者气体类型等监测是否泄露；利用可见光等载体实现确定自然灾害是否发生、发生了何种灾害的目的。另外，参照无人机图像识别技术在输电线路缺陷分析中的应用，目前多数利用的是深度卷积神经网络算法，对油气管道是否存在缺陷/泄露识别进行分析。无人机图像识别技术的应用，是在管道缺陷识别与分析处理的基础上，对管道缺陷的图像处理过程、缺陷图像分析等方面进行优化，满足管道缺陷识别与分析的综合需求。基于深度卷积神经网络算法的应用，可对油气管道的不同缺陷进行分类与识别，满足油气管道缺陷识别分析需求6。5 可用于油气管道巡检的无人机新兴技术5.1 3S技术3S 技术指的是遥感技术（Remote Sensing Technique，RS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的总称，是多学科交叉的信息技术、计算机技术、传感技术等的集中结合，能够对空间信息进行采集、处理、分析等，是目前“互联网+”以及“智慧化”建设等项目中较为常见的一项新型技术。将3S技术应用于无人机油气管道巡检，可以实现多种技术的有机结合，以强大的技术体系支撑油气管道巡检过程中的快速信息读取、信息处理和可靠更新等要求。故考虑将3S技术应用在无人机油气管道巡检中具有现实可操作性，同时也具有广阔的发展前景。128安 全 与 防 灾 2023 NO.8 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯5.2 图像增强和智能识别技术目前基于无人机采集的图像数据采用机器学习、算法分析等关键技术。考虑加强无人机在油气管道中的应用功能，可以在算法中采用高清特征提取器、管道走向标注等办法加强获取识别到的图像像素。在油气管道巡检中，无人机的图像增强和智能识别技术能够大大提高识别泄露管道图像的精确性，同时也对日/夜间巡检人为盗窃/破坏等行为具有更好的捕捉能力。5.3 无人机集群智能技术目前针对油气管道巡检的无人机大部分是按照特定指令完成特定任务的单一无人机体。目前，在人工智能领域，“群智”概念成为热门。在此研究背景下，可以考虑将无人机集群智能技术运用到油气管道巡检中，采用多数量、多功能的无人机系统相互配合完成任务。例如：各类型无人机分别完成通过基于终端发射的不同指令，同时进行任务执行。该种方法能够有效避免单一无人机故障的局面，也适用于远距离管道巡检的前提条件，与现有的网格化管理更加适配，相互补充结合，形成立体化、多样化的多功能无人机群巡检网络。5.4 无人机避障技术在目前的无人机技术中，常见的避障系统包括超声波避障、雷达避障、红外避障、三维地图无线技术避障以及输电线路电磁场避障，相对来说，红外避障作用距离比较近，超声避障最大作用距离是10 m，三维地图避障技术在使用中需要实时更新地图。考虑到在油气管道巡检中应用的无人机无可避免地会遇到需要避障的难题，故需要考虑一种理想的、低成本的、有效的避障方法。目前较可实现的是一种基于电磁场的避障技术，但其基于直角坐标系的基础对于无人机在油气管道巡检过程中可能会产生一些难以控制的问题，故尚需考虑一种更加切实可行的避障方法。6 无人机技术在油气管道巡检应用的发展展望随着科学技术的发展，信息化水平的提高，无人机技术也逐渐地发展和成熟，目前无人机技术在油气管道巡检管理的有效应用已得到了良好的印证，并且在未来的油气管道巡检中起到难以替代的作用。虽然无人机技术在一定程度上降低了人工巡检强度，但也有可能会带来新的问题，如合规飞行、无人机续航能力不足、管道微渗无法发现等。如今，无人机技术的不断成熟，但如何更好地符合社会发展的要求，达成所需经济效益、环境效益、社会效益的要求，在未来的发展进程中还可以考虑以下几个方面。6.1 开展无人机续航能力研究目前，使用无人机技术对油气管道进行巡检排查，因油气管道运输距离较长，如何增强无人机续航能力是一个重要的思考点。目前常用的电池包括锂电池、燃料电池等，如何延长电池寿命，提高电池续航能力或许都可以为无人机技术再添发展新动力。6.2 开展无人机即时通信研究加强无人机实时通信远传技术研究，结合目前的5G技术，可以开展 5G 应用于无人机巡线，提升图像传输速度，来达到更好的实时反馈、实时处理的效果。目前，无人机接收到必要信息（例如采集到相关图像，获取到气体信息等），确认后传输到地面控制中心的整个过程，因为信息延迟和可能发生的中断状况，往往无法避免会出现信息来不及及时处理，造成成本浪费的问题。6.3 开发无人机自识别算法因目前运用在油气管道巡检的无人机技术大部分依赖于将拍摄的图像传输给中枢控制系统，由人工来进行后续处理。可以考虑开发一套基于人工智能的无人机自识别算法，将遭破坏的管道或者受到侵蚀的泄露管道直接进行标定处理，减少后续工作程序的繁冗以及后续的人为所需的工作。7 结语无人机技术在油气管道巡检中的应用充分反映了无人机技术纵向发展的优势，目前针对油气管道巡检的无人机技术系统较为成熟和全面，其能够取代传统的纯人工巡检方式，充分利用现有前沿技术，在油气管道巡检中发挥出了巨大作用。此外，用于管道巡检的无人机技术且有望在未来有机会融合更多新兴技术，在无人机领域内迎来新一轮的更大发展。参考文献1 钟武军.基于3S技术的无人机油气管道巡检研究与应用J.信息系统工程,2020(12):37-38.2 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 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