方嘉志 王建輝

陜西省天然氣股份有限公司

摘 要： 目前，依賴常規(guī)巡檢手段已經(jīng)難以滿足天然氣管道安全巡護管理的要求，需要采用更科學的管理辦法和技術(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測衛(wèi)星、長距離無人機飛行平臺、地面巡邏車等構(gòu)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）開展地物變化檢測、隱患分析、風險識別，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(jù)。

關(guān)鍵詞： 空天地一體化；智能巡檢；無人機

我國天然氣管道具有運行總里程長、途經(jīng)地形復(fù)雜、人工巡檢困難、安全事件和事故多發(fā)的特點。管道長期埋設(shè)在地下，內(nèi)外壁腐蝕、地質(zhì)災(zāi)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潛在的巨大危害。而依賴常規(guī)巡檢無法滿足安全運行的要求。

目前，工業(yè)級無人機和遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高度結(jié)合成為必然趨勢，形成數(shù)字化、信息化的管道智能巡檢系統(tǒng)，提高了隱患監(jiān)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、人力成本高、巡護有盲區(qū)的問題。

運用無人機、衛(wèi)星遙感、北斗導航等技術(shù)對管道空天地進行一體化監(jiān)測，通過合理的航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)獲取計劃、實地導航核查，獲取天然氣管道沿線的高分辨率影像、數(shù)字表面模型，歷史衛(wèi)星影像等資料，對管道地表沿線地物變化及重要設(shè)施狀況進行監(jiān)測，排查天然氣管道安全隱患，降低重大事故發(fā)生概率，節(jié)約成本。

1 技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

管道空天地一體化智能巡檢系統(tǒng)是構(gòu)建“一網(wǎng)、一平臺”的遙感信息服務(wù)模式，實時接入空、天、地融合的多時空尺度觀測數(shù)據(jù)，以智能化地理信息云服務(wù)平臺為核心，形成面向線路安全巡檢的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示。

圖 1  系統(tǒng)架構(gòu)

空天地對地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多源、多時相、多尺度觀測數(shù)據(jù)的接入，主要包括高分辨率衛(wèi)星遙感影像、無人機、地面巡邏車加終端采集系統(tǒng)、氣象聯(lián)動監(jiān)測等方式對管道本體信息、沿線環(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(shù)據(jù)進行引接、存儲管理，對獲取的航空遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理、校正等，在此基礎(chǔ)上進行變化監(jiān)測、信息提取、風險評估等深層次應(yīng)用，同時將評估分析結(jié)果進行二三維一體化顯示，并對隱患進行流程化在線處理。

管道安全巡護監(jiān)測應(yīng)用包含了違章占壓、第三方施工、地質(zhì)災(zāi)害、場站設(shè)備設(shè)施、泄露及應(yīng)急等的動態(tài)監(jiān)測。

1.2 工作流程

系統(tǒng)工作流程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理、可視化展示平臺及隱患/現(xiàn)場處理平臺。工作流程如圖 2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

（1）數(shù)據(jù)采集：利用無人機航空遙感、航天衛(wèi)星遙感、地面遙感，搭載光學載荷、微波傳感器對管道本體及其周邊信息進行采集。

（2）數(shù)據(jù)處理：對空天地數(shù)據(jù)進行輻射歸一化處理、配準處理、融合處理，對管道周邊環(huán)境時序時序信息變化提取和應(yīng)急搶險信息快速提取。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)管理：提供空天大數(shù)據(jù)接入、存儲、組織、管理、共享分發(fā)和隱患評估應(yīng)用服務(wù)。

（4）可視化展示平臺：通過PC端、移動端設(shè)備，直觀展示評估分析處理結(jié)果，及時進行信息預(yù)警、輔助決策，為安全生產(chǎn)保駕護航。

（5）現(xiàn)場處理：應(yīng)急搶險人員收到疑似險情點，到達現(xiàn)場進行處理，并通過平臺完成上報，實現(xiàn)隱患/事故處理流程閉環(huán)管理。

1.3 數(shù)據(jù)采集

（1）高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

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

（2）無人機數(shù)據(jù)

對于復(fù)雜地形環(huán)境的長距離管道巡檢，采用油動固定翼無人機，最大巡視范圍不小于500千米，帶寬范圍為管道中心線兩側(cè)各200米，無人機影像分辨率優(yōu)于0.2米。

通過建立地面測控站，管控中心通過測控站組網(wǎng)對無人機進行遠程控制。按飛行計劃獲取沿線的影像及視頻數(shù)據(jù)，通過一體化測控網(wǎng)絡(luò)匯集傳遞到管控中心。無人機測控網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖 3所示。

圖3 無人機測控網(wǎng)絡(luò)示意圖

相關(guān)指標要求：①像片上不應(yīng)有云、煙、大面積反光、污點等缺陷。②像點位移根據(jù)飛行速度、曝光時間和像片地面分辨率計算，不宜超過1個像元，最大不大于1.5個像元。③影像航向重疊度最小不應(yīng)小于70%；④像片傾角應(yīng)以滿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(zāi)害中，采用多旋翼小型無人機可以全天候全天時拍攝遙感影像，并進入受災(zāi)現(xiàn)場勘查管道受損位置、受損情況及周邊次生災(zāi)害情況，還可掛載相應(yīng)設(shè)備進行掃描測繪，生成現(xiàn)場三維圖像，利用數(shù)據(jù)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，同時定位引導后續(xù)救援維護，最大程度降低災(zāi)害。

1.4 空天遙感數(shù)據(jù)處理

采用空天大數(shù)據(jù)智能處理平臺(GEOVIS iFactory)對高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、無人機航空影像數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)測繪遙感影像的智能解譯、地物提取、目標識別等功能；同時GEOVIS iFactory結(jié)合多種并行策略，實現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的高效率、高精度、全自動的快速處理能力。

實現(xiàn)多種載荷、大量數(shù)據(jù)的自動化處理，支持異源影像的自動匹配，支持不同衛(wèi)星聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差，有效保證成果精度的同時大幅度提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效 率。遙感影像自動化處理流程如圖 4所示。

圖 4  遙感影像自動化處理流程

1.5 地物變化檢測及隱患評估分析

以高分辨率衛(wèi)星正射影像與無人機正射影像為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字化管道系統(tǒng)的地理信息及GPS智能巡檢結(jié)果，采用GEOVIS iFactory通過變化檢測、影像判讀、人工智能深度學習等技術(shù)手段，對管道兩側(cè)安全距離內(nèi)的建筑物進行識別分析，提取管道違章占壓建筑物的數(shù)量和位置信息，為違章占壓執(zhí)法提供信息支持。對比不同時期影像和土地利用類型圖進行安全動態(tài)監(jiān)測；對場站、穿跨越、第三方施工地點、高后果區(qū)、高風險區(qū)等重點區(qū)域進行詳查，形成判讀報告、專題圖件、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，線路全長132.7千米，管線穿越山坡、河流、道路、農(nóng)田、村落等區(qū)域，最低點海拔335米，最高點海拔1 313米，高海拔區(qū)域約占整個管線長度的二分之一。無人機飛行航線如圖 5所示。

圖5  無人機飛行航線

選用彩虹CH803型無人機搭載哈蘇X1D-50C相機進行試飛，完成14架次試飛試驗，驗證無人機巡線系統(tǒng)在本地區(qū)實行常態(tài)化、工業(yè)級巡線的作業(yè)能力和可行性。重點對山地起降、長距離飛行、實時通信傳輸、航線精度和成像效果等關(guān)鍵指標進行考核驗證。同時驗證智能化地理信息云服務(wù)平臺實現(xiàn)對獲取的航空遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的處理效率及變化監(jiān)測、信息提取、風險評估的精確度。

提供以下成果報告：①正射影像圖。②矢量圖斑：如地物類別，壓占類型等。③專題圖：包括沿管線壓占專題圖及監(jiān)測區(qū)重點地物變化專題圖（圖 6）。④工作報告。包括管線遙感監(jiān)測工作原理、工作流程、技術(shù)路線等的提煉總結(jié)及現(xiàn)場隱患處置工作建議等。

圖 6  疑似隱患點專題圖

3 結(jié)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、無人機巡查協(xié)同構(gòu)成管道巡檢和管護的空天地協(xié)同監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，用于違章占壓監(jiān)測、管線周邊施工監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和應(yīng)急搶險遠程指揮，提高高后果區(qū)、無人區(qū)、人員不易到達地區(qū)的監(jiān)測水平，對保障天然氣安全輸送和公共安全將發(fā)揮越來越重要的作用。

作者：方嘉志， 1967年生， 2014年畢業(yè)于西北大學，碩士研究生學歷，高級工程師，現(xiàn)任陜西省天然氣股份有限公司總經(jīng)理，從事天然氣長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)交流大會三等獎，經(jīng)作者同意，本刊轉(zhuǎn)載時有刪改。）