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黔西南山区管道无人机巡检与监测系统
巩玉良 王庆 胡博
国家管网集团西南管道公司贵阳输油气分公司
摘要：在黔西南州晴隆县境内的中缅天然气管道，选址搭建管道智能巡检与监测系统，利用无人机技术探索开展协同管道远程监测技术的管道智能巡检工作，提升山区管道巡检工作质量和效率。总结了实践经验，为今后工作提供参考。
关键词：黔西南；中缅管道；无人机；巡检；飞行高度
山区管道因地形地貌、特殊地理环境及测控技术限制，通信技术适配不佳等原因，人工干预环节成本高，管道巡检效率低，遇到突发紧急情况，传统人工巡检模式已不能适应管道安全要求。结合黔西南州晴隆县境内约60公里长中缅天然气管道及周边地区远程监测装置，运用无人机技术探索建立智能巡检与监测系统。
1 智能巡检与监测系统
系统由两部分组成（图?1），分别为晴隆县数据汇聚节点和贵阳市远端监测点。
图?1??系统构成框图
1.1 数据汇聚点数据汇聚点为设备提供了展开撤收、临时搭建和应急运营的现场实施环境，同时满足无人机维护及起飞等需求。在晴隆县境内中缅天然气管道南北两侧，结合实际地形、海拔、通视条件等因素，每隔约12公里均匀散落分布五座信号中继塔。中继塔选择就近地势相对较高的铁塔公司为电信运营商提供基站专用塔，并在顶端架设带有全向天线的20公里军品级数据链。中继终端采用军品级L波段链路与无人机无线通讯和中继接力。从无人机上电自检开始，链路会自主选择相对信号较强的中继链路作为主要通信设备，同时接收可以握手的其他链路设备，当飞行距离较远，当前通信用数据链信号质量滑落时，自动切换至下一个信号较强的数据链。在塔上搭载的五个数据链通过专用数据网络将数据统一汇聚至数据汇聚点，完成对无人机的远程测控。1.2 测控设备构成（1）无人机平台。复合翼无人机同时具备固定翼无人机长航时需求和多旋翼飞行器可垂直起降的优点，在山麓起伏不定的地区仅需一小块平整空地即可完成起飞任务，执行任务时搭载高清图像云台实时正射航线下方的管道环境。无人直升机可携带较大重量任务载荷，在验证某些实验环境时可以更加灵活的进行任务载荷的测试。（2）任务载荷。选取中国电子科技集团公司生产的30倍可见光吊舱、红外吊舱及大量程甲烷气体浓度监测载荷。其中30倍可见光吊舱适用于空气质量较好、能见度较高的正常环境，结合实时变倍，可为巡检人员提供便捷清晰的图像素材；红外吊舱可为能见度较低的大雾天气和夜间飞行等特殊要求提供服务，能满足应急状态下的日常巡检需求。（3）地面控制站。采用中国电子科技集团公司数据链路配套的地面双屏本，该终端具有强大的三方特性，适应多种极端恶劣环境，并提供强大的计算处理性能。地面控制站使用上下双触控屏设计，在满足扩展界面显示信息的条件下尽可能的节约其他设备空间，显著提高在特殊条件下应急地面架设的机动性。1.3 远端监测点远端监测点由一台定制大型塔式工作站实现。工作站在运行期间3×30×24小时不间断工作，随时记录并转发由数据汇聚点传来的数据。远端展示平台为两面75英寸4K高清显示屏，一面用来全屏实时展示远端无人机返回管道图像信息，另一面实时展示不同节点链路状态，通过对大数据学习算法应用提供管道异常状态实时比对，管理不同节点图像历史记录，回放查看等。
2 系统应用
2.1 实地选址晴隆县地处贵州省西南部黔西南州的西北角，位于云贵高原中段，介于东经105°01′～105°25′，北纬25°33′～26°11′之间。区域内中缅天然气管道所处外部环境错综复杂，既有山地丘陵、梯田、牧场等农业用地，又有人口密集聚居区的山村、县城等。由于没有成熟或公开可行的方案和经验作参考，在选取相对符合需求的数据汇聚点时攀爬考察了管道附近每一个架设铁塔的山头，总结出如下选址要点。（1）中继塔选择地势较高的地区，与其他中继塔形成事实上的通视。（2）数据汇聚点交通便利，可驱车快速往返于驻地和数据汇聚点。（3）数据汇聚点应临近铁塔机房，最大限度避免线路传输损耗，便于进入铁塔下机房进行调试。（4）有充裕的临时贮藏空间，避免多次往返搬运带来不必要的损耗。管道走势大致呈东西向排列，走势高度起伏不定，最大高差在1500米左右（图?2）。中继塔选择相对地势较高的山顶（图?3）。
图?2??天然气管道走势及高差
图?3??中继塔位置分布（绿色部分为实际塔点）
通过飞行实践和分析总结，表明当航线飞行真高在1800米左右时，吊舱可以完美实现对航线下方管道的正射任务。在飞行时根据下方地形的实际状态，海拔高度，动态调整飞行的航线真高来实现地形跟随飞行，此时图像吊舱可以获取更佳的实时巡检效果。2.2 经验总结（1）无人机在放飞后如同风筝一般，通信链路就是保障系统全部设备安全工作的生命线，其质量的可靠程度是重中之重，务必作为系统核心环节第一要素选型设计。如有效保证不间断连续工作时长，在雨雾雷电等复杂环境下保证链路通讯质量稳定可靠等。（2）晴隆县与贵阳市两地相距200多公里，数据汇聚点与贵阳市的远端监测点的实时通讯务必通过高可靠性的传输线路连接。（3）复合翼无人机可以避免传统固定翼飞行器起飞时需要滑跑助飞的过程。（4）利用铁塔公司现有基站塔可以有效节省中继链路的架设成本。（5）一个好的数据汇聚点可以使巡检任务事半功倍，节约反复搭建成本，提升工作效率。（6）务必选取可以在高原长航时工作的无人机平台。（7）山区气候复杂多变，湿气较重，为避免出现安全隐患，应尽量选取军品级高可靠性航电设备。
作者简介：
巩玉良，1976年生，助理工程师，毕业于中国石油大学（华东），主要从事长输油气管道保护及管理工作。联系方式：16685001237，2079885445@qq.com。
来源：《管道保护》2021年第1期（总第56期）
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