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管道研究

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无人机在智慧管道建设管理中的应用研究

来源:《管道保护》杂志 作者:史宁岗 袁勋 黄盛华 石燕茹 时间:2018-10-16 阅读:

史宁岗1 袁勋1 黄盛华2 石燕茹3

1.中石油北京天然气管道有限公司;

2.中国石油管道局工程有限公司国际事业部;

3.德州智遥航空科技有限公司


摘 要: 在智慧管道建设各种基础数据的获取中,无人机相关技术得到了广泛应用。介绍了无人机航测技术、遥感系统等技术特点以及在管道设计、建设、运营各阶段的应用。分析了倾斜摄影系统、数据传输系统、视频识别系统等相关技术的研究现状。并提出了无人机合规化管理问题。

关键词: 无人机;管道巡检;三维建模;中继通信;跟踪云台;无人机监管



石油天然气是全球能源支柱。截至2016年底,仅中国石油在国内运营的油气管道总里程就达到了81 191公里。随着管道业务的“标准化、模块化、信息化”水平不断提高,在管道设计、建设、运营过程中,逐渐引入了大数据、云计算、物联网等新一代信息技术,提供了对智能管道智慧管网建设中的数据支持。在各种基础数据的获取中,无人机相关技术也得到了广泛应用。

1 无人机航测和遥感系统

无人机航测体现了无人机与测绘的紧密结合,同时也提供了更高效的测绘方式。经实验证明,无人机航测技术完全可以达到国家航空摄影测量规范的要求。相比野外实测,无人机航测回避了飞行员的人身安全风险,操作员的培养周期相对较短;具有周期短、效率高、成本低等特点。

无人机遥感系统有如下优点。

(1)无人机可以超低空飞行,可在云下飞行航摄,弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷。

(2)由于低空接近目标,因此能以比卫星遥感和普通航摄低得多的代价得到更高分辨率的影像。

(3)能实现适应地形和地物的导航与摄像控制,从而得到多角度、多建筑面的地面景物影像,用以支持构建城市三维景观模型,而不局限于卫星遥感与普通航摄的正射影像常规产品。将无人机遥感系统进行工程化、实用化开发,借助其机动、快速、经济等优势,在阴天、轻雾天也能获取合格的彩色影像,从而将大量的野外工作转入室内作业,既能减轻劳动强度,又能提高作业的技术水平和精度。

2 无人机应用

2.1 管道踏勘设计阶段

在管道勘察设计阶段,需要广泛搜集沿途各种资料,以确保施工方案的可操作性,并对施工过程中潜在的危险进行评估。传统的管道线路选择采用手工方式,费时费力且效率低下。使用无人机通过倾斜摄影技术、正射影像技术,可以全面快速地了解地形地貌、植被、水文等信息,从而为管道选线提供依据[1]。

2.2 管道建设阶段

在施工建设前期,利用无人机了解施工现场的地形、道路、周围环境等情况,便于施工人员及设备进入现场,尽快开展施工。在施工进行阶段,可以利用无人机拍摄现场施工进度、物料使用情况、机具布置情况、管道走向等,及时调整人员和设备,按设计要求进行施工。

2.3 管道运行阶段

管道运行管理中,将逐渐建成2D、 3D引擎,ArcGIS引擎,实现对二维矢量图层、影像、 GIS地图、三维模型等统一生成和数据叠加,通过大屏、 PC端、移动终端等方式展示。无人机在巡检过程中所获取的各种影像数据,可应用于管道及场站实体可视化应用及综合建模展示,也可应用于管网数据可视化展示。能够提供管网分布、走向及完整性数据二维展示及三维场景,查看场站内各区域分布及运行数据建模支持。

通过无人机航测,实现站内设备设施三维展示,可建立与现实情况高度一致的设施设备模型,站内关键设备能按零部件拆解实现三维可视化,有效支持基层员工检维修作业[2]。

在高后果区、防汛重点地段、第三方施工等关键部位采用无人机航测巡检,可实现远程视频监视,补充运行期间周边道路桥架、电力线路、建构筑物、地下隐蔽设施信息,实现周边环境数据可视化应用[3]。

在管道周边突发事件的应急抢险中,通过无人机图传系统可将现场情况实时传给应急指挥通信车,车载视频以流媒体形式通过卫星远传至应急指挥中心,实现事故现场与指挥中心应急数据快速录入、发布和推送,以及图像、语音、视频等现场实时信息的交互提供。

借助人工智能中的图像处理技术、图像识别技术,实现无人机拍摄影像的实时比对分析,加强对管道周边环境变化的对比分析,实现人员、房屋、车辆等对象的自动识别,深入挖掘人员行为特征和环境突发情况特征,实现管道风险识别的智能化。



3 相关技术研究

3.1 倾斜摄影系统

倾斜摄影技术发展的前期,各家从业公司采取的办法均是将单相机进行简单集成,且多是外向式设计原理;后期,考虑到减重,续航,稳定性等,部分厂家对单相机进行深度拆解和定制,在相机重量,焦距镜头,控制上均下了很大功夫,且均采用内向式布局。硬件方面,多旋翼挂载五镜头和固定翼挂载多镜头是两个不同的研发方向。

根据油气管线特点,航拍作业面呈带状分布,故选择固定翼机型最为合适。倾斜摄影模型

凸显了以下几个特点。

(1)时效性:在某些管道沿线,地质自然灾害发生频繁,管道应急抢险是重中之重。无人机倾斜摄影可以及时传递灾害地的具体信息,为后续的应对决策提供支持[4]。

(2)机动灵活性:通常发生山体滑坡或泥石流灾害地区,其地形气候都相对复杂,信息收集靠人力无法实现。而无人机能够在复杂地形环境下完成高质量的信息采集。

(3)信息高质量:卫星拍摄和普通的航空飞行空间信息采集由于飞行高度限制,因云层的气象因素使收集的成像信息产生一定的误差。而无人机的低空特性使分辨率得到了质的提 高,并且多角度拍摄形成的纹理影像也避免了遮挡的问题 [5]。

3.2 数据传输系统

无人机作业过程中,信息数据的传输是制约固定翼无人机飞行距离的主要原因。管道建设初期,管道沿线都会铺设光缆作为阀室及站场的数据通信链路。无人机数据传输可借用伴行光缆安装中继通信设备进行数据远传。

此外,可以结合阀室视频监控系统云台摄像机增加定向天线自动控制功能,使其在平时作为普通云台摄像机使用,无人机作业时可切换到天线跟踪模式。天线自动控制系统是通过GPS采集定向天线的经纬度和高度等位置信息,通过数字罗盘采集定向天线的方位角和俯仰角等姿态信息,结合无人机位置、高度等飞行数据,经微处理器计算出定向天线对准无人机接收天线所需的方位角、俯仰角,然后通过驱动云台伺服电机使天线实现自动跟踪,以此方法提高无人机数据传输的效率及距离。

3.3 视频识别系统

通过分析无人机拍摄的大量图片、视频信息,可有效地监控管道沿线的第三方作业、高后果区状态。基于视频和图像处理的自动车型识别、人员识别、物体识别、状态识别等方法,给现场状态改变发出预警信息。

结合智慧管道智能管网建设要求,借助人工智能中的图像处理技术、图像识别技术,实现无人机拍摄影像的实时比对分析,加强对管道周边环境变化的对比分析,深入挖掘人员行为特征和环境突发情况特征,实现管道风险识别的智能化。

4 无人机合规化管理

无人机技术使用中需高度重视飞行空域、飞行监管、作业规范等相关法律法规的适用性问题。民航局飞行标准司批准的《U-Cloud(优云)系统》《U-Care无人机综合监管云系统》是目前国内仅有的两套无人机监管系统。应借鉴该系统,设计石油行业无人机多级监管系统,以期达到监管部门与管道公司各级部门间的协同管理,实现多终端云同步、飞行计划快速报批、飞行数据实时上报、飞行数据云存储、支持多种数据链路接入等。


参考文献:

[1]康煜姝 武斌.无人机在油气长输管道中的应用[J].当代化工, 2015 , (8): 2 045-2 047.

[2]余志光.遥感与GIS在油气管道线路选择中的应用研究[D].北京:清华大学,2011.

[3]张侃.多旋翼无人机在输电线路巡检中的运用及发展[J].现代工业经济和信息化, 2013(16):72-73.

[4]武海彬 .无人机系统在油气管道巡检中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量, 2014,(09):105-106.

[5]李能国,无人机倾斜摄影模型在应急救灾中的应用[J].中国新技术新产品, 2017, (14):138-139.

作者:史宁岗,男, 1974年生,毕业于长江大学,中石油北京天然气管道有限公司,工程师,从事无人机应用、通信技术、人工智能、 TRIZ萃智理论行业应用等工作。

(本篇论文获第六届中国管道完整性管理技术交流大会二等奖,经作者同意,本刊转载时有删改。)

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