馬文

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

摘  要：傳統(tǒng)的油氣管道巡檢采用人工方式，受制于山區(qū)地形、氣候影響，存在人力成本高、勞動強(qiáng)度大、效率低等問題。設(shè)計了一種基于測控走廊的油氣管道無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，開展了無人機(jī)應(yīng)用于山區(qū)等復(fù)雜地形地貌進(jìn)行遠(yuǎn)距離大范圍巡檢作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)研究。系統(tǒng)應(yīng)用于貴州晴隆天然氣管道巡檢作業(yè)，表明可以滿足管道巡檢工作需要。

關(guān)鍵詞：油氣管道；山區(qū)；測控走廊；巡檢系統(tǒng)；無人機(jī)

山區(qū)管道所處區(qū)域大多山高林密、人跡罕至、交通不便，傳統(tǒng)巡檢方法工作量大、巡檢效率低，特別在高海拔大落差和跨越大江大河等管段，以及發(fā)生冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡時和夜晚開展巡查，很難做到實時性、有效性和全覆蓋。

近年來，由于無人機(jī)具備經(jīng)濟(jì)性、安全性、易操作、反應(yīng)快、作業(yè)范圍廣等特點，基于云數(shù)據(jù)、視頻圖像識別等新技術(shù)的智能無人機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于油氣管道巡檢工作[1-3]，但存在遠(yuǎn)距離作業(yè)能力欠缺，數(shù)據(jù)完整性和實時性不足，以及數(shù)據(jù)傳輸安全性問題。

筆者設(shè)計了基于測控走廊的無人機(jī)油氣管道巡檢系統(tǒng)，通過測控走廊將無人機(jī)采集的實時數(shù)據(jù)和監(jiān)測畫面回傳給地面數(shù)據(jù)處理平臺，經(jīng)應(yīng)用于貴州晴隆天然氣管道巡檢作業(yè)，可以滿足無人機(jī)巡檢遠(yuǎn)距離、大范圍、實時性、安全性、完整性的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于測控走廊的無人機(jī)管道巡檢系統(tǒng)組成見圖 1。系統(tǒng)主要由無人機(jī)測控網(wǎng)、無人機(jī)載荷和軟件平臺組成，無人機(jī)測控網(wǎng)包括機(jī)載數(shù)據(jù)終端、地面數(shù)據(jù)終端和光纖寬帶，軟件平臺包括飛行管理、數(shù)據(jù)管理、無人機(jī)監(jiān)控、圖像處理等。

1.2 測控走廊設(shè)計

測控走廊指沿管道布設(shè)形成的無人機(jī)測控網(wǎng)絡(luò)，由地面數(shù)據(jù)終端、地面控制站、機(jī)載數(shù)據(jù)終端和寬帶光纖組合而成，是管道全區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)對無人機(jī)無縫測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾�保證，是無人機(jī)飛行的無線電空 中通道，結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

2 技術(shù)特點

基于測控走廊的無人機(jī)管道巡檢系統(tǒng)，在保證無人機(jī)飛行和數(shù)據(jù)信息安全的前提下，可實現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)距離作業(yè)、圖像實時回傳、實時處理和實時預(yù)警[4,5]。

2.1 超遠(yuǎn)距離作業(yè)能力和擴(kuò)展能力

通過測控走廊，實現(xiàn)了無人機(jī)實時控制、無人機(jī)狀態(tài)信息和管道圖像信息的實時回傳，采用網(wǎng)絡(luò)接力、自主切換、頻譜感知等方法實現(xiàn)各基站之間超遠(yuǎn)距離接力和無縫覆蓋[6]，非常適合管道巡檢使用。巡檢管道距離越長，測控走廊的優(yōu)勢越明顯。

2.2 多用戶作業(yè)能力

克服了目前巡檢無人機(jī)采用的測控鏈路一站一機(jī)模式，采用H.265圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)傳輸?shù)妮d荷數(shù)據(jù)為1080 p高清圖像時，測控走廊一個基站可實現(xiàn)4架無人機(jī)同時測控和數(shù)據(jù)傳輸，按照巡檢200 km管道計算，布置6～7個基站，理論上可支持20多架無人機(jī)同時作業(yè)。

2.3 實時傳輸和數(shù)據(jù)服務(wù)能力

無人機(jī)獲取的管道圖像數(shù)據(jù)通過測控走廊實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理、實時分析、實時告警和信息分發(fā)，是一個強(qiáng)實時數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不但能夠滿足常態(tài)化巡檢需要，還能夠在管道異常和緊急情況下為決策者提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

2.4 數(shù)據(jù)安全性和保密性好

數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�性包括反控制和抗干擾二個方面，測控走廊基站采用抗干擾波形設(shè)計技術(shù)和專用的加密認(rèn)證技術(shù)，保證了測控走廊系統(tǒng)的抗干擾性和安全性。

2.5 電磁環(huán)境污染極低

測控走廊采用低功率發(fā)射和喚醒設(shè)計技術(shù)，電磁輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前巡檢無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈采用的連續(xù)波發(fā)射方式，因此對地面人員、設(shè)施和飛行活動以外的其他方面影響小。

2.6 系統(tǒng)兼容性和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)

測控走廊設(shè)備采用通用化電氣和機(jī)械接口進(jìn)行連接，基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較強(qiáng)的兼容能力。系統(tǒng)設(shè)備采用防雨、防潮、防風(fēng)沙和寬溫度設(shè)計，能夠保證系統(tǒng)在不同季節(jié)、氣候條件下設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 項目背景

中緬天然氣管道貴州晴隆管段，如圖 3藍(lán)色段曲線所示，全長約80 km，穿越高陡沖溝27處，其中大型高陡邊坡4處；穿越公路34次，其中等級公路3次；大開挖穿越小型河流2處（北盤江、新寨河及支流）。全段位于山區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，地形多為沖溝、陡坡，起伏大，約10 km管段穿越西泌河二級水源地，管道沿線海拔在605～1760 m之間，相對高差超過1100 m。

3.2 項目實施

首先，在該管段35#閥室至37#閥室之間，沿途選擇5個點作為測控走廊基站位置，安裝地面數(shù)據(jù)終端，通過專用寬帶組網(wǎng)，組成測控走廊，如圖 4所示。隨后采用無人機(jī)管道巡檢系統(tǒng)開展巡檢作業(yè)。

管道線路蜿蜒分布，根據(jù)實地勘察預(yù)先規(guī)劃無人機(jī)飛行航線，采用曲線航點執(zhí)行飛行任務(wù)，航線規(guī)劃如圖 5所示。由于巡檢地區(qū)海拔高度在1350～1600 m范圍內(nèi)變化，不同航點之間存在海拔高度差，如圖 6 的藍(lán)色地形高度曲線所示。規(guī)劃航線時航點高度選用絕對海拔高度，管道海拔低則規(guī)劃航點高度也低，海拔高則航點高度也高，如圖 6所示黃色航線高度，實現(xiàn)仿地等高飛行。

3.3 測試結(jié)果

經(jīng)多次飛行驗證，計算得出無人機(jī)巡檢的合理飛行高度：在晴朗無風(fēng)天氣，建議最低飛行高度為110 m，在此高度下，可見光吊艙對天然氣管道附近的地形地貌有清晰全面的反饋，可以清楚地識別線路有無裸露，附近是否有施工及違停車輛等。

無人機(jī)巡線視頻通過測控走廊實時傳輸至貴陽分公司，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用數(shù)據(jù)中心處理軟件實現(xiàn)實時分析告警，為管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

實地試驗充分驗證了基于測控走廊的無人機(jī)巡檢系統(tǒng)在油氣管道距離長、鋪設(shè)范圍廣，所處區(qū)域地形、地貌復(fù)雜，氣候環(huán)境多變條件下應(yīng)用的可行性、實用性，為今后山區(qū)等復(fù)雜地形條件下無人機(jī)巡檢作業(yè)提供了可靠的示范。未來將在兩個方面實現(xiàn)突破。一是多無人機(jī)集群，重點發(fā)展無人機(jī)集群和協(xié)同作業(yè)等技術(shù)，實現(xiàn)無人機(jī)統(tǒng)一調(diào)度和指揮，提升巡檢作業(yè)的時效性。二是多源數(shù)據(jù)融合，考慮利用無人機(jī)掛載多種檢測儀，將采集數(shù)據(jù)通過智能算法進(jìn)行處理，提高巡檢作業(yè)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：馬文， 1967年生，工程師，畢業(yè)于中國人民解放軍空軍導(dǎo)彈學(xué)院雷達(dá)工程專業(yè)，現(xiàn)從事通信與測控專業(yè)方向的研究工作。聯(lián)系方式： 13582199611， cetcmw@126.com。