史寧崗1 袁勛1 黃盛華2 石燕茹3

1.中石油北京天然氣管道有限公司；

2.中國石油管道局工程有限公司國際事業部；

3.德州智遙航空科技有限公司

摘 要： 在智慧管道建設各種基礎數據的獲取中，無人機相關技術得到了廣泛應用。介紹了無人機航測技術、遙感系統等技術特點以及在管道設計、建設、運營各階段的應用。分析了傾斜攝影系統、數據傳輸系統、視頻識別系統等相關技術的研究現狀。并提出了無人機合規化管理問題。

關鍵詞： 無人機；管道巡檢；三維建模；中繼通信；跟蹤云臺；無人機監管

石油天然氣是全球能源支柱。截至2016年底，僅中國石油在國內運營的油氣管道總里程就達到了81 191公里。隨著管道業務的“標準化、模塊化、信息化”水平不斷提高，在管道設計、建設、運營過程中，逐漸引入了大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術，提供了對智能管道智慧管網建設中的數據支持。在各種基礎數據的獲取中，無人機相關技術也得到了廣泛應用。

1 無人機航測和遙感系統

無人機航測體現了無人機與測繪的緊密結合，同時也提供了更高效的測繪方式。經實驗證明，無人機航測技術完全可以達到國家航空攝影測量規范的要求。相比野外實測，無人機航測回避了飛行員的人身安全風險，操作員的培養周期相對較短；具有周期短、效率高、成本低等特點。

無人機遙感系統有如下優點。

（1）無人機可以超低空飛行，可在云下飛行航攝，彌補了衛星光學遙感和普通航空攝影經常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。

（2）由于低空接近目標，因此能以比衛星遙感和普通航攝低得多的代價得到更高分辨率的影像。

（3）能實現適應地形和地物的導航與攝像控制，從而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持構建城市三維景觀模型，而不局限于衛星遙感與普通航攝的正射影像常規產品。將無人機遙感系統進行工程化、實用化開發，借助其機動、快速、經濟等優勢，在陰天、輕霧天也能獲取合格的彩色影像，從而將大量的野外工作轉入室內作業，既能減輕勞動強度，又能提高作業的技術水平和精度。

2 無人機應用

2.1 管道踏勘設計階段

在管道勘察設計階段，需要廣泛搜集沿途各種資料，以確保施工方案的可操作性，并對施工過程中潛在的危險進行評估。傳統的管道線路選擇采用手工方式，費時費力且效率低下。使用無人機通過傾斜攝影技術、正射影像技術，可以全面快速地了解地形地貌、植被、水文等信息，從而為管道選線提供依據[1]。

2.2 管道建設階段

在施工建設前期，利用無人機了解施工現場的地形、道路、周圍環境等情況，便于施工人員及設備進入現場，盡快開展施工。在施工進行階段，可以利用無人機拍攝現場施工進度、物料使用情況、機具布置情況、管道走向等，及時調整人員和設備，按設計要求進行施工。

2.3 管道運行階段

管道運行管理中，將逐漸建成2D、 3D引擎，ArcGIS引擎，實現對二維矢量圖層、影像、 GIS地圖、三維模型等統一生成和數據疊加，通過大屏、 PC端、移動終端等方式展示。無人機在巡檢過程中所獲取的各種影像數據，可應用于管道及場站實體可視化應用及綜合建模展示，也可應用于管網數據可視化展示。能夠提供管網分布、走向及完整性數據二維展示及三維場景，查看場站內各區域分布及運行數據建模支持。

通過無人機航測，實現站內設備設施三維展示，可建立與現實情況高度一致的設施設備模型，站內關鍵設備能按零部件拆解實現三維可視化，有效支持基層員工檢維修作業[2]。

在高后果區、防汛重點地段、第三方施工等關鍵部位采用無人機航測巡檢，可實現遠程視頻監視，補充運行期間周邊道路橋架、電力線路、建構筑物、地下隱蔽設施信息，實現周邊環境數據可視化應用[3]。

在管道周邊突發事件的應急搶險中，通過無人機圖傳系統可將現場情況實時傳給應急指揮通信車，車載視頻以流媒體形式通過衛星遠傳至應急指揮中心，實現事故現場與指揮中心應急數據快速錄入、發布和推送，以及圖像、語音、視頻等現場實時信息的交互提供。

借助人工智能中的圖像處理技術、圖像識別技術，實現無人機拍攝影像的實時比對分析，加強對管道周邊環境變化的對比分析，實現人員、房屋、車輛等對象的自動識別，深入挖掘人員行為特征和環境突發情況特征，實現管道風險識別的智能化。

3 相關技術研究

3.1 傾斜攝影系統

傾斜攝影技術發展的前期，各家從業公司采取的辦法均是將單相機進行簡單集成，且多是外向式設計原理；后期，考慮到減重，續航，穩定性等，部分廠家對單相機進行深度拆解和定制，在相機重量，焦距鏡頭，控制上均下了很大功夫，且均采用內向式布局。硬件方面，多旋翼掛載五鏡頭和固定翼掛載多鏡頭是兩個不同的研發方向。

根據油氣管線特點，航拍作業面呈帶狀分布，故選擇固定翼機型最為合適。傾斜攝影模型

凸顯了以下幾個特點。

（1）時效性：在某些管道沿線，地質自然災害發生頻繁，管道應急搶險是重中之重。無人機傾斜攝影可以及時傳遞災害地的具體信息，為后續的應對決策提供支持[4]。

（2）機動靈活性：通常發生山體滑坡或泥石流災害地區，其地形氣候都相對復雜，信息收集靠人力無法實現。而無人機能夠在復雜地形環境下完成高質量的信息采集。

（3）信息高質量：衛星拍攝和普通的航空飛行空間信息采集由于飛行高度限制，因云層的氣象因素使收集的成像信息產生一定的誤差。而無人機的低空特性使分辨率得到了質的提 高，并且多角度拍攝形成的紋理影像也避免了遮擋的問題 [5]。

3.2 數據傳輸系統

無人機作業過程中，信息數據的傳輸是制約固定翼無人機飛行距離的主要原因。管道建設初期，管道沿線都會鋪設光纜作為閥室及站場的數據通信鏈路。無人機數據傳輸可借用伴行光纜安裝中繼通信設備進行數據遠傳。

此外，可以結合閥室視頻監控系統云臺攝像機增加定向天線自動控制功能，使其在平時作為普通云臺攝像機使用，無人機作業時可切換到天線跟蹤模式。天線自動控制系統是通過GPS采集定向天線的經緯度和高度等位置信息，通過數字羅盤采集定向天線的方位角和俯仰角等姿態信息，結合無人機位置、高度等飛行數據，經微處理器計算出定向天線對準無人機接收天線所需的方位角、俯仰角，然后通過驅動云臺伺服電機使天線實現自動跟蹤，以此方法提高無人機數據傳輸的效率及距離。

3.3 視頻識別系統

通過分析無人機拍攝的大量圖片、視頻信息，可有效地監控管道沿線的第三方作業、高后果區狀態。基于視頻和圖像處理的自動車型識別、人員識別、物體識別、狀態識別等方法，給現場狀態改變發出預警信息。

結合智慧管道智能管網建設要求，借助人工智能中的圖像處理技術、圖像識別技術，實現無人機拍攝影像的實時比對分析，加強對管道周邊環境變化的對比分析，深入挖掘人員行為特征和環境突發情況特征，實現管道風險識別的智能化。

4 無人機合規化管理

無人機技術使用中需高度重視飛行空域、飛行監管、作業規范等相關法律法規的適用性問題。民航局飛行標準司批準的《U-Cloud（優云）系統》《U-Care無人機綜合監管云系統》是目前國內僅有的兩套無人機監管系統。應借鑒該系統，設計石油行業無人機多級監管系統，以期達到監管部門與管道公司各級部門間的協同管理，實現多終端云同步、飛行計劃快速報批、飛行數據實時上報、飛行數據云存儲、支持多種數據鏈路接入等。

參考文獻：

[1]康煜姝 武斌.無人機在油氣長輸管道中的應用[J].當代化工， 2015 ， (8): 2 045-2 047.

[2]余志光.遙感與GIS在油氣管道線路選擇中的應用研究[D].北京:清華大學,2011.

[3]張侃.多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的運用及發展[J].現代工業經濟和信息化， 2013(16):72-73.

[4]武海彬 .無人機系統在油氣管道巡檢中的應用研究[J].中國石油和化工標準與質量， 2014，(09):105-106.

[5]李能國，無人機傾斜攝影模型在應急救災中的應用[J].中國新技術新產品， 2017， (14):138-139.

作者：史寧崗，男， 1974年生，畢業于長江大學，中石油北京天然氣管道有限公司，工程師，從事無人機應用、通信技術、人工智能、 TRIZ萃智理論行業應用等工作。

（本篇論文獲第六屆中國管道完整性管理技術交流大會二等獎，經作者同意，本刊轉載時有刪改。）