方嘉志 王建輝

陜西省天然氣股份有限公司

摘 要： 目前，依賴(lài)常規巡檢手段已經(jīng)難以滿(mǎn)足天然氣管道安全巡護管理的要求，需要采用更科學(xué)的管理辦法和技術(shù)手段。提出按照“軍民融合”的發(fā)展模式，依托高分辨率對地觀(guān)測衛星、長(cháng)距離無(wú)人機飛行平臺、地面巡邏車(chē)等構建空天地一體化測控網(wǎng)絡(luò )，利用國產(chǎn)智能化地理信息云平臺（GEOVIS）開(kāi)展地物變化檢測、隱患分析、風(fēng)險識別，為相關(guān)業(yè)務(wù)人員提供情況處置和指揮決策技術(shù)依據。

關(guān)鍵詞： 空天地一體化；智能巡檢；無(wú)人機

我國天然氣管道具有運行總里程長(cháng)、途經(jīng)地形復雜、人工巡檢困難、安全事件和事故多發(fā)的特點(diǎn)。管道長(cháng)期埋設在地下，內外壁腐蝕、地質(zhì)災害損毀、第三方損壞等各種不確定性因素的影響，對管道安全運行帶來(lái)潛在的巨大危害。而依賴(lài)常規巡檢無(wú)法滿(mǎn)足安全運行的要求。

目前，工業(yè)級無(wú)人機和遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、地理信息系統、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )高度結合成為必然趨勢，形成數字化、信息化的管道智能巡檢系統，提高了隱患監控質(zhì)量和巡護效率，能從根本上解決人工巡檢花費周期長(cháng)、人力成本高、巡護有盲區的問(wèn)題。

運用無(wú)人機、衛星遙感、北斗導航等技術(shù)對管道空天地進(jìn)行一體化監測，通過(guò)合理的航線(xiàn)規劃、數據獲取計劃、實(shí)地導航核查，獲取天然氣管道沿線(xiàn)的高分辨率影像、數字表面模型，歷史衛星影像等資料，對管道地表沿線(xiàn)地物變化及重要設施狀況進(jìn)行監測，排查天然氣管道安全隱患，降低重大事故發(fā)生概率，節約成本。

1 技術(shù)方案

1.1 系統架構

管道空天地一體化智能巡檢系統是構建“一網(wǎng)、一平臺”的遙感信息服務(wù)模式，實(shí)時(shí)接入空、天、地融合的多時(shí)空尺度觀(guān)測數據，以智能化地理信息云服務(wù)平臺為核心，形成面向線(xiàn)路安全巡檢的應用系統。系統架構如圖 1所示。

圖 1  系統架構

空天地對地監測網(wǎng)絡(luò )實(shí)現多源、多時(shí)相、多尺度觀(guān)測數據的接入，主要包括高分辨率衛星遙感影像、無(wú)人機、地面巡邏車(chē)加終端采集系統、氣象聯(lián)動(dòng)監測等方式對管道本體信息、沿線(xiàn)環(huán)境、氣象等信息的接入。

智能化地理信息云服務(wù)平臺對空天地一體化數據進(jìn)行引接、存儲管理，對獲取的航空遙感數據、衛星影像數據經(jīng)過(guò)預處理、校正等，在此基礎上進(jìn)行變化監測、信息提取、風(fēng)險評估等深層次應用，同時(shí)將評估分析結果進(jìn)行二三維一體化顯示，并對隱患進(jìn)行流程化在線(xiàn)處理。

管道安全巡護監測應用包含了違章占壓、第三方施工、地質(zhì)災害、場(chǎng)站設備設施、泄露及應急等的動(dòng)態(tài)監測。

1.2 工作流程

系統工作流程包括數據采集、數據處理、數據應用管理、可視化展示平臺及隱患/現場(chǎng)處理平臺。工作流程如圖 2所示。

圖2 系統工作流程

（1）數據采集：利用無(wú)人機航空遙感、航天衛星遙感、地面遙感，搭載光學(xué)載荷、微波傳感器對管道本體及其周邊信息進(jìn)行采集。

（2）數據處理：對空天地數據進(jìn)行輻射歸一化處理、配準處理、融合處理，對管道周邊環(huán)境時(shí)序時(shí)序信息變化提取和應急搶險信息快速提取。

（3）數據服務(wù)管理：提供空天大數據接入、存儲、組織、管理、共享分發(fā)和隱患評估應用服務(wù)。

（4）可視化展示平臺：通過(guò)PC端、移動(dòng)端設備，直觀(guān)展示評估分析處理結果，及時(shí)進(jìn)行信息預警、輔助決策，為安全生產(chǎn)保駕護航。

（5）現場(chǎng)處理：應急搶險人員收到疑似險情點(diǎn)，到達現場(chǎng)進(jìn)行處理，并通過(guò)平臺完成上報，實(shí)現隱患/事故處理流程閉環(huán)管理。

1.3 數據采集

（1）高分辨率衛星影像數據

管道地表地物主要有房屋、植被等，為觀(guān)測地表地物是否發(fā)生變化，是否有對管道存在破壞和影響的開(kāi)挖、施工等現象，管道監測宜使用分辨率優(yōu)于1米的高分衛星影像，保障管道監測成果的正確性。高分辨率影像數據獲取分兩種方式：一是根據影像數據源需求，綜合檢索衛星數據資源庫，獲取監測區域遙感影像，對于庫存欠缺區域結合購買(mǎi)商業(yè)影像數據等方式進(jìn)行補充，從而盡可能多地獲取庫存影像數據。二是利用航天多星多任務(wù)規劃能力，采用編程定制特定監測區域衛星拍攝計劃，進(jìn)行衛星影像的有效補充。

（2）無(wú)人機數據

對于復雜地形環(huán)境的長(cháng)距離管道巡檢，采用油動(dòng)固定翼無(wú)人機，最大巡視范圍不小于500千米，帶寬范圍為管道中心線(xiàn)兩側各200米，無(wú)人機影像分辨率優(yōu)于0.2米。

通過(guò)建立地面測控站，管控中心通過(guò)測控站組網(wǎng)對無(wú)人機進(jìn)行遠程控制。按飛行計劃獲取沿線(xiàn)的影像及視頻數據，通過(guò)一體化測控網(wǎng)絡(luò )匯集傳遞到管控中心。無(wú)人機測控網(wǎng)絡(luò )示意圖如圖 3所示。

圖3 無(wú)人機測控網(wǎng)絡(luò )示意圖

相關(guān)指標要求：①像片上不應有云、煙、大面積反光、污點(diǎn)等缺陷。②像點(diǎn)位移根據飛行速度、曝光時(shí)間和像片地面分辨率計算，不宜超過(guò)1個(gè)像元，最大不大于1.5個(gè)像元。③影像航向重疊度最小不應小于70%；④像片傾角應以滿(mǎn)足航向重疊度要求為準，一般不大于5°。

在遭遇洪水、泥石流、山體滑坡、地震等突發(fā)自然災害中，采用多旋翼小型無(wú)人機可以全天候全天時(shí)拍攝遙感影像，并進(jìn)入受災現場(chǎng)勘查管道受損位置、受損情況及周邊次生災害情況，還可掛載相應設備進(jìn)行掃描測繪，生成現場(chǎng)三維圖像，利用數據鏈將信息傳回檢查站和指揮中心，為制定維護搶修方案提供情報支撐，同時(shí)定位引導后續救援維護，最大程度降低災害。

1.4 空天遙感數據處理

采用空天大數據智能處理平臺(GEOVIS iFactory)對高分辨率衛星影像數據、無(wú)人機航空影像數據進(jìn)行處理，實(shí)現測繪遙感影像的智能解譯、地物提取、目標識別等功能；同時(shí)GEOVIS iFactory結合多種并行策略，實(shí)現批量數據的高效率、高精度、全自動(dòng)的快速處理能力。

實(shí)現多種載荷、大量數據的自動(dòng)化處理，支持異源影像的自動(dòng)匹配，支持不同衛星聯(lián)合區域網(wǎng)平差，有效保證成果精度的同時(shí)大幅度提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效 率。遙感影像自動(dòng)化處理流程如圖 4所示。

圖 4  遙感影像自動(dòng)化處理流程

1.5 地物變化檢測及隱患評估分析

以高分辨率衛星正射影像與無(wú)人機正射影像為基礎，結合數字化管道系統的地理信息及GPS智能巡檢結果，采用GEOVIS iFactory通過(guò)變化檢測、影像判讀、人工智能深度學(xué)習等技術(shù)手段，對管道兩側安全距離內的建筑物進(jìn)行識別分析，提取管道違章占壓建筑物的數量和位置信息，為違章占壓執法提供信息支持。對比不同時(shí)期影像和土地利用類(lèi)型圖進(jìn)行安全動(dòng)態(tài)監測；對場(chǎng)站、穿跨越、第三方施工地點(diǎn)、高后果區、高風(fēng)險區等重點(diǎn)區域進(jìn)行詳查，形成判讀報告、專(zhuān)題圖件、隱患分析、威脅評估報告等成果。

2 案例分析

選取西安至商州輸氣管道試驗段，線(xiàn)路全長(cháng)132.7千米，管線(xiàn)穿越山坡、河流、道路、農田、村落等區域，最低點(diǎn)海拔335米，最高點(diǎn)海拔1 313米，高海拔區域約占整個(gè)管線(xiàn)長(cháng)度的二分之一。無(wú)人機飛行航線(xiàn)如圖 5所示。

圖5  無(wú)人機飛行航線(xiàn)

選用彩虹CH803型無(wú)人機搭載哈蘇X1D-50C相機進(jìn)行試飛，完成14架次試飛試驗，驗證無(wú)人機巡線(xiàn)系統在本地區實(shí)行常態(tài)化、工業(yè)級巡線(xiàn)的作業(yè)能力和可行性。重點(diǎn)對山地起降、長(cháng)距離飛行、實(shí)時(shí)通信傳輸、航線(xiàn)精度和成像效果等關(guān)鍵指標進(jìn)行考核驗證。同時(shí)驗證智能化地理信息云服務(wù)平臺實(shí)現對獲取的航空遙感數據、衛星影像數據的處理效率及變化監測、信息提取、風(fēng)險評估的精確度。

提供以下成果報告：①正射影像圖。②矢量圖斑：如地物類(lèi)別，壓占類(lèi)型等。③專(zhuān)題圖：包括沿管線(xiàn)壓占專(zhuān)題圖及監測區重點(diǎn)地物變化專(zhuān)題圖（圖 6）。④工作報告。包括管線(xiàn)遙感監測工作原理、工作流程、技術(shù)路線(xiàn)等的提煉總結及現場(chǎng)隱患處置工作建議等。

圖 6  疑似隱患點(diǎn)專(zhuān)題圖

3 結論

綜上所述，在天然氣管道巡檢中，遙感技術(shù)等與地面人工巡查、無(wú)人機巡查協(xié)同構成管道巡檢和管護的空天地協(xié)同監測網(wǎng)絡(luò )，用于違章占壓監測、管線(xiàn)周邊施工監測、地質(zhì)災害監測和應急搶險遠程指揮，提高高后果區、無(wú)人區、人員不易到達地區的監測水平，對保障天然氣安全輸送和公共安全將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

作者：方嘉志， 1967年生， 2014年畢業(yè)于西北大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，高級工程師，現任陜西省天然氣股份有限公司總經(jīng)理，從事天然氣長(cháng)輸管道運行管理工作。

（本篇論文獲第六屆中國管道完整性管理技術(shù)交流大會(huì )三等獎，經(jīng)作者同意，本刊轉載時(shí)有刪改。）