马文

中国电子科技集团公司第五十四研究所

 

 

摘  要：传统的油气管道巡检采用人工方式，受制于山区地形、气候影响，存在人力成本高、劳动强度大、效率低等问题。设计了一种基于测控走廊的油气管道无人机巡检系统，开展了无人机应用于山区等复杂地形地貌进行远距离大范围巡检作业的关键技术研究。系统应用于贵州晴隆天然气管道巡检作业，表明可以满足管道巡检工作需要。

关键词：油气管道；山区；测控走廊；巡检系统；无人机

 

山区管道所处区域大多山高林密、人迹罕至、交通不便，传统巡检方法工作量大、巡检效率低，特别在高海拔大落差和跨越大江大河等管段，以及发生冰灾、水灾、地震、滑坡时和夜晚开展巡查，很难做到实时性、有效性和全覆盖。

近年来，由于无人机具备经济性、安全性、易操作、反应快、作业范围广等特点，基于云数据、视频图像识别等新技术的智能无人机越来越广泛地应用于油气管道巡检工作[1-3]，但存在远距离作业能力欠缺，数据完整性和实时性不足，以及数据传输安全性问题。

笔者设计了基于测控走廊的无人机油气管道巡检系统，通过测控走廊将无人机采集的实时数据和监测画面回传给地面数据处理平台，经应用于贵州晴隆天然气管道巡检作业，可以满足无人机巡检远距离、大范围、实时性、安全性、完整性的要求。

1 系统总体设计方案

1.1 系统架构

基于测控走廊的无人机管道巡检系统组成见图 1。系统主要由无人机测控网、无人机载荷和软件平台组成，无人机测控网包括机载数据终端、地面数据终端和光纤宽带，软件平台包括飞行管理、数据管理、无人机监控、图像处理等。

1.2 测控走廊设计

测控走廊指沿管道布设形成的无人机测控网络，由地面数据终端、地面控制站、机载数据终端和宽带光纤组合而成，是管道全区间内实现对无人机无缝测控和数据传输的重要保证，是无人机飞行的无线电空 中通道，结构如图 2所示。

2 技术特点

基于测控走廊的无人机管道巡检系统，在保证无人机飞行和数据信息安全的前提下，可实现无人机远距离作业、图像实时回传、实时处理和实时预警[4,5]。

2.1 超远距离作业能力和扩展能力

通过测控走廊，实现了无人机实时控制、无人机状态信息和管道图像信息的实时回传，采用网络接力、自主切换、频谱感知等方法实现各基站之间超远距离接力和无缝覆盖[6]，非常适合管道巡检使用。巡检管道距离越长，测控走廊的优势越明显。

2.2 多用户作业能力

克服了目前巡检无人机采用的测控链路一站一机模式，采用H.265图像压缩标准，当传输的载荷数据为1080 p高清图像时，测控走廊一个基站可实现4架无人机同时测控和数据传输，按照巡检200 km管道计算，布置6～7个基站，理论上可支持20多架无人机同时作业。

2.3 实时传输和数据服务能力

无人机获取的管道图像数据通过测控走廊实时传输到数据中心，数据中心对数据进行实时处理、实时分析、实时告警和信息分发，是一个强实时数据传输和数据处理系统，不但能够满足常态化巡检需要，还能够在管道异常和紧急情况下为决策者提供重要的数据支撑。

2.4 数据安全性和保密性好

数据传输的安全性包括反控制和抗干扰二个方面，测控走廊基站采用抗干扰波形设计技术和专用的加密认证技术，保证了测控走廊系统的抗干扰性和安全性。

2.5 电磁环境污染极低

测控走廊采用低功率发射和唤醒设计技术，电磁辐射远远低于目前巡检无人机数据链采用的连续波发射方式，因此对地面人员、设施和飞行活动以外的其他方面影响小。

2.6 系统兼容性和环境适应能力强

测控走廊设备采用通用化电气和机械接口进行连接，基于网络协议进行数据传输，具有较强的兼容能力。系统设备采用防雨、防潮、防风沙和宽温度设计，能够保证系统在不同季节、气候条件下设备的可靠性和稳定性。

3 系统应用

3.1 项目背景

中缅天然气管道贵州晴隆管段，如图 3蓝色段曲线所示，全长约80 km，穿越高陡冲沟27处，其中大型高陡边坡4处；穿越公路34次，其中等级公路3次；大开挖穿越小型河流2处（北盘江、新寨河及支流）。全段位于山区，地质条件复杂，地形多为冲沟、陡坡，起伏大，约10 km管段穿越西泌河二级水源地，管道沿线海拔在605～1760 m之间，相对高差超过1100 m。

3.2 项目实施

首先，在该管段35#阀室至37#阀室之间，沿途选择5个点作为测控走廊基站位置，安装地面数据终端，通过专用宽带组网，组成测控走廊，如图 4所示。随后采用无人机管道巡检系统开展巡检作业。

管道线路蜿蜒分布，根据实地勘察预先规划无人机飞行航线，采用曲线航点执行飞行任务，航线规划如图 5所示。由于巡检地区海拔高度在1350～1600 m范围内变化，不同航点之间存在海拔高度差，如图 6 的蓝色地形高度曲线所示。规划航线时航点高度选用绝对海拔高度，管道海拔低则规划航点高度也低，海拔高则航点高度也高，如图 6所示黄色航线高度，实现仿地等高飞行。

3.3 测试结果

经多次飞行验证，计算得出无人机巡检的合理飞行高度：在晴朗无风天气，建议最低飞行高度为110 m，在此高度下，可见光吊舱对天然气管道附近的地形地貌有清晰全面的反馈，可以清楚地识别线路有无裸露，附近是否有施工及违停车辆等。

无人机巡线视频通过测控走廊实时传输至贵阳分公司，实现远程监控，利用数据中心处理软件实现实时分析告警，为管理决策提供数据支撑。

4 结论

实地试验充分验证了基于测控走廊的无人机巡检系统在油气管道距离长、铺设范围广，所处区域地形、地貌复杂，气候环境多变条件下应用的可行性、实用性，为今后山区等复杂地形条件下无人机巡检作业提供了可靠的示范。未来将在两个方面实现突破。一是多无人机集群，重点发展无人机集群和协同作业等技术，实现无人机统一调度和指挥，提升巡检作业的时效性。二是多源数据融合，考虑利用无人机挂载多种检测仪，将采集数据通过智能算法进行处理，提高巡检作业的准确性。

 

参考文献：

[1] 李器宇，张拯宇，柳建斌，等. 无人机遥感在油气管道巡检中的应用[J]. 红外， 2014， 35(3)： 37-42.

[2] 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， 34(9)：105-106.

[3] 刘松林，朱永丰，张哲，等. 基于卷积神经网络的无人机油气管线巡检监察系统[J]. 计算机系统应用， 2018， 27(12)： 40-46.

[4] 翁松伟，赖斯聪，陈海雄，等. 基于小型四旋翼无人机的道路交通巡检系统[J].电子设计工程，2016， 24(3)： 78-81.

[5] 王庆国，王兴宁.无人机管道巡检系统在输气管道的应用[J]. 煤气与热力， 2018， 38(12)： 43-46.

[6] 周焱.无人机地面站发展综述[J].航天电子技术，2010(01)： 1-6.

 

作者简介：马文， 1967年生，工程师，毕业于中国人民解放军空军导弹学院雷达工程专业，现从事通信与测控专业方向的研究工作。联系方式： 13582199611， cetcmw@126.com。