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油气管道安全管理中无人机巡护技术的运用

添加时间:2019/05/22
  摘要:中国长输油气管道具有运行里程长、分布范围广、沿线环境复杂等特点,研究如何提高管道安全管理水平,尤其是线路巡护方面,对减少管道安全事故、降低管道安全风险、保障管道平稳安全运行具有重要意义。受地理条件限制和自然环境影响,传统的人工巡护油气管道的方式具有一定的局限性,制约了巡护质量和效率。通过研究利用无人机技术巡护油气管道的方法,并结合油气管道企业实际情况进行了可行性验证。结果表明:无人机巡护技术可以有效地弥补人工巡护方式的不足,同时降低巡护成本,提高工作效率,能够促进油气管道企业现代化管理水平的提升,是未来管道巡护发展的重点方向。(表3,参23)
  
  关键词:无人机; 油气管道; 巡护; 安全管理
 

 
  
  管道与铁路、公路、水运、航空共同构成现代5大运输方式,管道运输是油气长距离运输的首选方案。截至2017年底,全国在役油气长输管道总里程达13.31万公里[1],油气田集输管道超过40万公里,现有70%的石油和99%的天然气通过管道进行输送[2].油气管道建成投产后,加强巡护、确保绵延数万公里的线路安全成为一项极其重要的工作。以往采用人工徒步或驾车的传统方式开展油气管道巡护工作,随着科技发展的进步,逐渐成熟的无人机技术为油气管道巡护工作带来一种新的模式,可有效降低企业管理成本,提高工作效率,为维护油气管道安全发挥重要的作用,能够有效地提升油气管道企业的现代化管理水平。基于此,研究了无人机技术发展现状及其在民用领域的应用情况,重点分析了无人机技术在油气管道巡护应用方面的优势及不足,并有针对性地提出了工作建议,为未来无人机技术在油气管道领域的深入发展应用提供参考思路。
  
  1 无人机技术发展概况
  
  1.1 无人机系统
  
  无人驾驶飞机简称“无人机”(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机系统(Unmanned Aircraft System,UAS),是指由无人机、相关控制站、所需指令与控制数据链路及批准型号设计规定的任何其他部件组成的系统。
  
  根据用途分类,无人机可分为民用无人机和国家无人机。民用无人机,指用于民用航空活动的无人机;国家无人机,指用于民用航空活动之外的无人机,包括用于执行军事、海关、警察等飞行任务的无人机。而按照运行风险大小,民用无人机又可分为微型、轻型、小型、中型、大型5类(表1)。
  
  表1 民用无人机分类 

  
  无人机动力源主要有电动力、油动力和油电混合动力3种,外观设计上分为固定翼、多旋翼和直升机等类型,起降方式有滑行起降、垂直起降、轨道弹射起飞伞降、车载起飞伞降等。固定翼无人机高巡航速度、长航时与长航程是其突出特点,多旋翼无人机在复杂城市环境下作业效果好[3].
  
  无人机飞行精度高,速度可控范围大,智能化程度高,可实现程控自主飞行及自动返航等多种功能,能做出长时间悬停、前飞、后飞、侧飞、盘旋等动作,操作相对简便,有较强的容错能力,系统性能稳定可靠,机动灵活,运营成本低。
  
  无人机可搭载的设备丰富,除了摄影、摄像装备,还有红外热像仪和紫外成像仪,在夜晚、低照度等环境下也可使用。在无人机自主飞行过程中,搭载的相关装备进行等距或定时拍照,可获得大量的影像资料[4].
  
  无人机小型化、轻量化的发展趋势加上旋翼机型的应用,在城市救灾应急指挥方面有了用武之地[5,6].由于具有机动灵活、数据获取快和低空飞行等优点,无人机能完成地质灾害监测与预警、地质灾害应急救援和灾情评估等任务,成为了地质灾害应急响应的重要组成部分[7].随着无人机相关关键技术的逐渐突破,未来无人机将越来越广泛运用在民用领域[8,9].
  
  1.2 产业发展
  
  从空中飞行器发展史可知,无人机技术仅比有人机晚十几年诞生,但其发展速度却远远落后后者[10].近年来,随着以人工智能为代表的新一轮信息技术获得突破性进展,无人机技术也迎来了高速发展的历史时期。据不完全统计,目前中国拥有400多家无人机生产企业,各类专利数量保持高速增长,形成了配套齐全的研发、制造、销售和服务体系,在研和投入应用的无人机机型多达上百种,占全球市场份额的70%以上,预计2020年中国无人机年销量将达到29万架,行业总产值超过千亿元[11].无人机产业正成为“中国制造”的典型代表,在经济社会发展的诸多领域发挥着越来越重要的作用[12,13,14].
  
  近几年,国内外都在积极推进无人机在民用领域的应用。无人机系统具有智能化程度高、易于操作、造价相对低廉等优点,在新闻直播、影视拍摄、警务执法、地质测量、气象测算、农业植保、线路巡查、抢险救灾、快递物流等诸多方面都有实际应用[15,16,17,18,19,20],逐步改变了传统行业的工作模式,且管理逐渐走向规范化。由于无人机在民用领域的迅速发展,国际民航组织已经开始为无人机系统制定标准和建议措施(SARPs)、空中航行服务程序(PANS)和指导材料,这些标准和建议预计在未来几年内逐渐成熟。目前,中国在电力领域无人机应用普及程度较高,南方电网制定了具有自主知识产权和技术特色的输电线路无人机巡检技术标准体系,覆盖无人机平台、任务载荷、测控通信、数据处理、数据管理和应用等标准规范,走在了全国前列。无人机巡检成为21世纪输电线路巡检发展的重点方向[21].在海洋领域,国家海洋局制定了7项针对无人机海洋监测业务的行业标准,包括《无人机海域监测网络化管理规范》《海域无人机平台准入标准》《无人机系统作业指导规范》等,无人机海洋作业也逐步规范化。
  
  1.3 行业应用
  
  目前,已有很多国家使用无人机开展常规化巡护油气管道服务。英国CyberHawk公司提供小型多旋翼无人机石油设施巡检服务,已进行多年的业务化运营,在欧洲、北美、亚洲地区都有业务案例,客户包括壳牌石油等国际石油公司。Aerostar公司利用无人机对巴库油田石油管道周边环境进行日常检测,主要防止第三方破坏和地质活动等影响管道安全。MDA公司使用搭载照相摄像设备及红外热像仪的固定翼无人机对加拿大油气管道基础设施开展监测服务。法国燃气网络管理企业GRTgaz公司委托Air Marine公司,对法国南部80公里的天然气管道使用无人机巡护。英国石油公司BP在美国阿拉斯加普拉德霍湾开展无人机巡护管道。香港机电工程署利用搭载摄像头和气体探测器的无人机,对大桥和难以抵达地方的管道检测安全运行情况。中国油气田、管道企业都在纷纷探索无人机技术巡护油气管道,联合无人机企业开展了不同程度的应用试验和技术攻关,在长输管道、油田集输管道上均有尝试,相关案例及数据持续增加,经验日渐丰富。中国石油管道公司在这方面起步较早,已与10余家无人机企业开展合作,积累了很多典型经验做法,目前正在起草《油气管道无人机巡护技术规范》,推动无人机巡护油气管道技术快速发展并不断走向成熟。
  
  2 无人机巡护油气管道
  
  2.1 应用场景
  
  总结起来,无人机巡护管道的场景主要有5种:一是线路日常巡护。主要观察管道附近第三方施工、管道泄漏、可疑车辆和人员情况,线路、阀室及附属设施状态,高后果区数据采集等。二是汛期、山林、农作物茂盛期和异常天气后巡护。主要针对人员及车辆难以进入的“盲区”或雨、雪、冰冻等天气后进行巡护。三是辅助应急抢险。地质灾害发生时,利用无人机监看管道及周边实时状况,为制定应急处置措施、现场抢修提供依据,还可携带相关救援物资快速投放现场。四是“震慑性”巡护。针对重点时段和易发打孔盗油管段,通过加密巡护及大噪音、高空喊话及高强度射灯等方式,起到震慑犯罪作用。五是用于实战演练。实战演练中使用无人机拍摄,可全程掌握演练情况,为演练指挥及时提供现场信息,也为演练评价、修订预案提供重要依据。
  
  (1)应用案例一。某企业对东北某条长输管道开展无人机巡护工作,选取365 km线路无人机巡护,设置2个无人机小分队,每队3人、一台越野车、一套无人机系统,两个阀室间30 km为一个巡护区段,每队巡护一个区段。无人机飞行高度60~80 m,速度30 km/h,搭载高清摄像头对管道两侧各200 m范围进行拍摄,长期试验总结出了5大类巡护目标和17小类巡护任务(表2)。
  
  表2 巡护目标和巡护任务

  
  (2)应用案例二。四川某企业2016年以来对多条所属油气集输管道开展无人机巡护,累计巡护里程3 681 km,发现并处理违章建筑、管线裸露、山体滑坡等各类隐患共计34处(表3),解决了重点集输干线和页岩气集输管线穿越高山、低谷等地势险要地段、高风险管段和人力巡护盲区以及汛期及时巡检问题。
  
  表3 无人机巡护工作量及问题统计

  
  2.2 优势与不足
  
  近年来,管道企业运用卫星遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)等技术开发了人工智能巡护系统[22,23],但由于管道线性分布的地理特征,特别是一些敷设条件较差的管段,人工巡护短板问题仍未解决:⑴受限于管道沿线的地质、气候条件等,人工巡护效率低,有一些地段难以到达,易形成巡护“盲区”;②人工巡护工作量大,加之复杂多变的野外环境,增加了巡护人员的安全风险;③管道在汛期或因第三方施工被损毁后,难以迅速了解现场情况,不利于及时开展应急抢险工作。
  
  无人机巡护作为管道日常巡护、汛期巡护、应急抢险、风险识别等方面重要的辅助手段,优势明显:①规避安全风险。在地质灾害高发区、地势险要地段,无人机巡护可填补人员难以到达的“真空地带”,有效解决巡护人员劳动强度高、危险系数大、巡护周期长的问题;②机动性强。无人机系统设备体积小、重量轻、机动灵活,可单台车辆携带,方便转场及调动;③飞行条件要求相对低。选择垂直起降的无人机,不受场地限制,GPS自主巡航,还可夜间拍摄,环境适应性强;④巡护效率高。无人机巡护管道的速度远高于人工,有限时间内可对同一管段反复巡护,在事件发生的第一时间获取信息,及时性强,效率高;⑤收集资料精准。无人机具有超低空、往复、悬停飞行特点,沿着管线坐标数据导航,拍摄图像清晰准确,搭载的设备持续拍摄管道两侧正射影像,图像清晰度可达1080P,地面分辨率可达5 cm,通过4G网络实时传输视频图像,便于及时掌握情况;⑥智能化处理。无人机拍摄的图像信息上传软件服务器进行技术处理,对影像数据进行管道标注和人工智能识别,前后两次拍摄的照片比对后,不同之处自动标记,准确定位到具体坐标,并发出报警信号。
  
  同时,无人机巡护油气管道工作也存在一定的局限性及不足之处:①环境影响。实践证明,雾、霾、阴天等能见度差的条件下对拍摄效果有一定影响,沙漠地区高大沙梁或山区密布林木对信号有影响;②资质问题。根据《民用无人驾驶航空器经营飞行活动管理办法(暂行)》,开展无人机空中拍照等经营活动的企业应取得《无人驾驶航空器经营许可证》,石油石化企业无此资质;③技术问题。石油石化企业对无人机系统、操控技术、维修保养等相关技术未能深入掌握,缺乏飞行经验,难以自行开展相关工作。此外,在油气管道巡护工作中,巡护人员可通过感官直接判定一些隐藏信息,而无人机系统暂时做不到。
  
  2.3 应用建议
  
  (1)转变观念,提高对应用无人机巡护管道重要性的认识。当前,无人机技术水平能满足基本的管道巡护需求,有能力成为油气管道巡护的重要手段。作为石油石化企业,要与时俱进、先行先试、久久为功,构建空中机巡、地面人巡、地下光纤预警相结合的全方位、立体化的管道安全巡护网。
  
  (2)持续探索,为无人机巡护管道规模应用积累经验。初期,可采取购买服务方式开展无人机巡护管道,与无人机企业联合组建专门的无人机巡护队,挑选成熟的飞手进行应用试验,同时必须考虑安全风险问题,为无人机投保第三者责任险实现风险转嫁,要勇于探索、积极推进,为无人机规模化应用积累经验。
  
  (3)固化经验,推动无人机巡护管道规范化管理。要按照“边试验、边总结、边改进”的思路,及时固化有效做法,可借鉴同为线性工程的输电线路无人机巡护经验,加紧制定出台普适性的无人机巡护管道技术规范,为无人机巡护管道规范化、科学化运行提供重要遵循。
  
  (4)紧密协同,提高巡护效率质量和应急能力。无人机和人工要协同巡护,形成互为补充、相互促进的管道巡护组合,实现降低管理成本的同时,提高巡护效率和质量。要注意无人机巡护与管道运行管理的有机融合,探索无人机巡护相关信息接入SCADA系统,提升无人机应急监测能力。
  
  (5)企地协作,增强无人机巡护管道工作的合力。工作中,要充分依靠当地党委、政府,加强与管道保护主管部门和公安机关的沟通联系,主动汇报工作,积极争取支持,增强无人机巡护管道工作的合力,共同维护油气管道安全平稳运行。
  
  3 结论
  
  无人机技术在油气管道领域的深入应用,需要石油石化企业与无人机产业相关企业共同探索,促进无人机应用技术和管理制度不断成熟,提高其在油气管道安全保护方面的能力,促进油气管道企业现代化管理水平的提升,推动油气管道事业可持续高质量发展。
      
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