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管道研究

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天然气管道空天地一体化智能巡检系统设计与实践

来源:《管道保护》杂志 作者:方嘉志 王建辉 时间:2018-10-10 阅读:

方嘉志 王建辉

陕西省天然气股份有限公司

摘 要: 目前,依赖常规巡检手段已经难以满足天然气管道安全巡护管理的要求,需要采用更科学的管理办法和技术手段。提出按照“军民融合”的发展模式,依托高分辨率对地观测卫星、长距离无人机飞行平台、地面巡逻车等构建空天地一体化测控网络,利用国产智能化地理信息云平台(GEOVIS)开展地物变化检测、隐患分析、风险识别,为相关业务人员提供情况处置和指挥决策技术依据。

关键词: 空天地一体化;智能巡检;无人机


我国天然气管道具有运行总里程长、途经地形复杂、人工巡检困难、安全事件和事故多发的特点。管道长期埋设在地下,内外壁腐蚀、地质灾害损毁、第三方损坏等各种不确定性因素的影响,对管道安全运行带来潜在的巨大危害。而依赖常规巡检无法满足安全运行的要求。

目前,工业级无人机和遥感技术、全球定位技术、地理信息系统、互联网络高度结合成为必然趋势,形成数字化、信息化的管道智能巡检系统,提高了隐患监控质量和巡护效率,能从根本上解决人工巡检花费周期长、人力成本高、巡护有盲区的问题。

运用无人机、卫星遥感、北斗导航等技术对管道空天地进行一体化监测,通过合理的航线规划、数据获取计划、实地导航核查,获取天然气管道沿线的高分辨率影像、数字表面模型,历史卫星影像等资料,对管道地表沿线地物变化及重要设施状况进行监测,排查天然气管道安全隐患,降低重大事故发生概率,节约成本。

1 技术方案

1.1 系统架构

管道空天地一体化智能巡检系统是构建“一网、一平台”的遥感信息服务模式,实时接入空、天、地融合的多时空尺度观测数据,以智能化地理信息云服务平台为核心,形成面向线路安全巡检的应用系统。系统架构如图 1所示。


图 1  系统架构


空天地对地监测网络实现多源、多时相、多尺度观测数据的接入,主要包括高分辨率卫星遥感影像、无人机、地面巡逻车加终端采集系统、气象联动监测等方式对管道本体信息、沿线环境、气象等信息的接入。

智能化地理信息云服务平台对空天地一体化数据进行引接、存储管理,对获取的航空遥感数据、卫星影像数据经过预处理、校正等,在此基础上进行变化监测、信息提取、风险评估等深层次应用,同时将评估分析结果进行二三维一体化显示,并对隐患进行流程化在线处理。

管道安全巡护监测应用包含了违章占压、第三方施工、地质灾害、场站设备设施、泄露及应急等的动态监测。

1.2 工作流程

系统工作流程包括数据采集、数据处理、数据应用管理、可视化展示平台及隐患/现场处理平台。工作流程如图 2所示。


图2 系统工作流程


(1)数据采集:利用无人机航空遥感、航天卫星遥感、地面遥感,搭载光学载荷、微波传感器对管道本体及其周边信息进行采集。

(2)数据处理:对空天地数据进行辐射归一化处理、配准处理、融合处理,对管道周边环境时序时序信息变化提取和应急抢险信息快速提取。

(3)数据服务管理:提供空天大数据接入、存储、组织、管理、共享分发和隐患评估应用服务。

(4)可视化展示平台:通过PC端、移动端设备,直观展示评估分析处理结果,及时进行信息预警、辅助决策,为安全生产保驾护航。

(5)现场处理:应急抢险人员收到疑似险情点,到达现场进行处理,并通过平台完成上报,实现隐患/事故处理流程闭环管理。

1.3 数据采集

(1)高分辨率卫星影像数据

管道地表地物主要有房屋、植被等,为观测地表地物是否发生变化,是否有对管道存在破坏和影响的开挖、施工等现象,管道监测宜使用分辨率优于1米的高分卫星影像,保障管道监测成果的正确性。高分辨率影像数据获取分两种方式:一是根据影像数据源需求,综合检索卫星数据资源库,获取监测区域遥感影像,对于库存欠缺区域结合购买商业影像数据等方式进行补充,从而尽可能多地获取库存影像数据。二是利用航天多星多任务规划能力,采用编程定制特定监测区域卫星拍摄计划,进行卫星影像的有效补充。

(2)无人机数据

对于复杂地形环境的长距离管道巡检,采用油动固定翼无人机,最大巡视范围不小于500千米,带宽范围为管道中心线两侧各200米,无人机影像分辨率优于0.2米。

通过建立地面测控站,管控中心通过测控站组网对无人机进行远程控制。按飞行计划获取沿线的影像及视频数据,通过一体化测控网络汇集传递到管控中心。无人机测控网络示意图如图 3所示。


图3 无人机测控网络示意图


相关指标要求:①像片上不应有云、烟、大面积反光、污点等缺陷。②像点位移根据飞行速度、曝光时间和像片地面分辨率计算,不宜超过1个像元,最大不大于1.5个像元。③影像航向重叠度最小不应小于70%;④像片倾角应以满足航向重叠度要求为准,一般不大于5°。

在遭遇洪水、泥石流、山体滑坡、地震等突发自然灾害中,采用多旋翼小型无人机可以全天候全天时拍摄遥感影像,并进入受灾现场勘查管道受损位置、受损情况及周边次生灾害情况,还可挂载相应设备进行扫描测绘,生成现场三维图像,利用数据链将信息传回检查站和指挥中心,为制定维护抢修方案提供情报支撑,同时定位引导后续救援维护,最大程度降低灾害。

1.4 空天遥感数据处理

采用空天大数据智能处理平台(GEOVIS iFactory)对高分辨率卫星影像数据、无人机航空影像数据进行处理,实现测绘遥感影像的智能解译、地物提取、目标识别等功能;同时GEOVIS iFactory结合多种并行策略,实现批量数据的高效率、高精度、全自动的快速处理能力。

实现多种载荷、大量数据的自动化处理,支持异源影像的自动匹配,支持不同卫星联合区域网平差,有效保证成果精度的同时大幅度提高产品的生产效 率。遥感影像自动化处理流程如图 4所示。


图 4  遥感影像自动化处理流程


1.5 地物变化检测及隐患评估分析

以高分辨率卫星正射影像与无人机正射影像为基础,结合数字化管道系统的地理信息及GPS智能巡检结果,采用GEOVIS iFactory通过变化检测、影像判读、人工智能深度学习等技术手段,对管道两侧安全距离内的建筑物进行识别分析,提取管道违章占压建筑物的数量和位置信息,为违章占压执法提供信息支持。对比不同时期影像和土地利用类型图进行安全动态监测;对场站、穿跨越、第三方施工地点、高后果区、高风险区等重点区域进行详查,形成判读报告、专题图件、隐患分析、威胁评估报告等成果。

2 案例分析

选取西安至商州输气管道试验段,线路全长132.7千米,管线穿越山坡、河流、道路、农田、村落等区域,最低点海拔335米,最高点海拔1 313米,高海拔区域约占整个管线长度的二分之一。无人机飞行航线如图 5所示。


图5  无人机飞行航线


选用彩虹CH803型无人机搭载哈苏X1D-50C相机进行试飞,完成14架次试飞试验,验证无人机巡线系统在本地区实行常态化、工业级巡线的作业能力和可行性。重点对山地起降、长距离飞行、实时通信传输、航线精度和成像效果等关键指标进行考核验证。同时验证智能化地理信息云服务平台实现对获取的航空遥感数据、卫星影像数据的处理效率及变化监测、信息提取、风险评估的精确度。

提供以下成果报告:①正射影像图。②矢量图斑:如地物类别,压占类型等。③专题图:包括沿管线压占专题图及监测区重点地物变化专题图(图 6)。④工作报告。包括管线遥感监测工作原理、工作流程、技术路线等的提炼总结及现场隐患处置工作建议等。


图 6  疑似隐患点专题图


3 结论

综上所述,在天然气管道巡检中,遥感技术等与地面人工巡查、无人机巡查协同构成管道巡检和管护的空天地协同监测网络,用于违章占压监测、管线周边施工监测、地质灾害监测和应急抢险远程指挥,提高高后果区、无人区、人员不易到达地区的监测水平,对保障天然气安全输送和公共安全将发挥越来越重要的作用。


作者:方嘉志, 1967年生, 2014年毕业于西北大学,硕士研究生学历,高级工程师,现任陕西省天然气股份有限公司总经理,从事天然气长输管道运行管理工作。

(本篇论文获第六届中国管道完整性管理技术交流大会三等奖,经作者同意,本刊转载时有删改。)

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