无人机在石油管线巡检中的解决方案.docx
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无人机在石油管线巡检中的解决方案
2.系统概述
2.1现状
对于石油管线的巡检项目，尤其是长距离输油输气管道（长度在400km以内）、区域性油气田断块系统（面积在100km2左右）而言，这些项目经常要求“短平快”，测量周期短、任务重、质量高，区域内地形、地貌复杂多变，常常穿越无人区如沙漠戈壁、森林、高山等，有时测量人员、仪器设备无法到达。
传统的石油管线巡检工作主要是通过安检员的定期巡查和上级督查部门的不定期抽查两种方式：
在巡查地点或设备处放置一可拨动式表盘，安检员每到一个地方后，拨动表盘时钟指向巡查时间；还有的是通过投纸条，安检员把写有巡检时间的纸条放入纸箱内，以此来记录巡查情况。
上级部门再对安检员的巡查情况进行抽查。
由此可以看出，这种考核方式是很不科学的，很难核实时间，又很容易让某些安检员放松警觉，很可能因为一个小的操作失误就有可能导致灾难性的后果。
这种测量方法，采用人工接触方式，其劳动强度大、作业程序复杂、资源配置臃肿繁多、工效低、周期较长，特别是在困难地段往往无法按时保质保量完成测量任务。
2.2新技术应用
测量新技术给上述测量工作带来了极大便利，航空摄影测量及卫星遥感技术很快就渗透了进来，卫星遥感技术适合于可研阶段测量需要，受到空间卫星遥感平台受轨道的限制，每天过顶的时间固定，无法实现应急观测；航空载人摄影测量受到天气、空管、高成本等多方面影响，适合于上千千米线路管道、上千平方公里大型油气田开发项目，不适合于中短程管道线路测量、中小型油气田开发项目。
无人机航空摄影是以获取低空高分辨率遥感影像数据为应用目标，集成了无人驾驶飞行器、遥感及GPS导航定位等高科技产品和技术，建立起来的一种高机动性、低成本、小型化、专用化的航测系统。
非常适合于中短程管道测量、中小型油气田开发项目，非常适合应急处理及巡查。
2.3无人机航摄简介
无人机低空航拍摄影技术作为一项空间数据获取的重要手段，具有续航时间相对长、影像实时存储传输、成本低、高分辨率、机动灵活等优点，特别适合于应急侦察与高危地区勘测，是载人机航空摄影测量与卫星遥感有力补充，在国外已得到广泛应用。
近几年来，随着我国信息化建设和科学技术的不断提升，无人机航测研究得到了快速推进和发展，生产制造和实际应用能力有了长足的进步，现阶段国家测绘地理信息局、各省测绘地理信息局、其他有实力测绘单位基本上装备了无人机航测设备，使得无人机低空航测在国家地理信息、基础测绘、城市规划、应急抢险、重点工程项目等方面发挥越来越大的作用。
2.4无人机航测原理及系统
无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）是利用无线电遥控设备和自备的过程控制装置操纵的不载人飞机。
无人机航测遥感系统是高分辨率及高精度遥感影像获取和处理的崭新技术。
它以无人驾驶飞行器为飞行平台，负载数码相机、数码摄录机等数字遥感设备进行拍摄和记录，通过遥感数据处理技术进行影像的同步传输，以实现对地理信息的实时调查与监测。
无人机遥感系统以获取高分辨率遥感数据为应用目标，通过3S技术在系统中的集成应用，达到实时对地观测能力和遥感数据快速处理能力。
要使其成为理想的遥感平台，选用的遥感传感器应具备数字化、体积小、重量轻、精度高、存储量大和性能优异等特点。
遥感传感器的控制系统要能够根据预先设定的航摄点、摄影比例尺、重叠度等参数以及飞行控制系统实时提供的飞行高度、飞行速度等数据自动计算并自动控制遥感传感器的工作，使获取的遥感数据在精度、比例尺、重叠度等方面满足遥感的技术要求。
对于抗风能力弱、飞行稳定性差的无人机，应给遥感设备加装三轴稳定平台，以保证获取稳定的、清晰的高质量影像，遥感
传感器的位置数据和姿态数据最好能够实时记录并存储，以便用于遥感数据的处理，提高工作效率。
无人机低空摄影测量系统所采用的无人机是按照国际上通用标准设计，并且其研制的目的主要是作为遥感平台。
在进行航空立体成像时，飞机携带相机沿飞行线（或条带）获取垂直航空像片。
由于实际应用中多选用航空像片的立体像对。
因而成功的飞行，航向重叠应为55%-65%，至少50%，一般为60%，旁向重叠大致30%。
像片重叠意味着，在相隔一定距离的不同位置拍摄同一目标。
存在视差可以构成立体像对，并可进一步获得立体模型。
然后通过内业的数字测图软件可以制作高精度的各种地形图。
下面是无人机低空摄影测量的平台框图和运营系统结构：
图1无人机低空摄影测量的平台框图和运营系统结构
2.5低空飞行限制少
国家有关部门对1000m以下空域实行登记备案制度，空域申请便利，不实行强制管制。
无人机降低了对气象条件的要求，可依据成图比例尺、地面分辨率低空飞行，完成大比例尺地形图航测任务。
飞行系统对起降场地要求不高、升空准备时间短、运输便利，可迅速到达测区，完成云下飞行，具有快速机动反应能力。
2.6自身性能
可获取超高分辨率数字影像和定位数据，并可针对特殊监测目标搭载全色波段、单波段、多波段等传感器，并可进行多角度摄影，能够获取高重叠度的影像，增强了后续处理的可靠性。
在局部信息获取方面有着巨大的优势。
2.7成本低廉
无人机低空摄影测量相对于载人机成本较为廉价，实施便利、运输维护、作业成本较低。
基于上述特点，不仅可以完成长输管道、油气田领域内可行性研究、初设、施工图各阶段测量工作，还可以开展管道监测与维护工作。
可以省去耗时耗力的人工测量，航测成图速度快，信息反馈及时，提高工作效率。
2.8无人机系统构成
无人机空间信息采集完整的工作平台可分为五个部分，飞行系统部分、航电系统部分、任务设备系统部分、起降系统部分和地面保障系统五个部分。
图2无人机低空摄影测量结构框图
图3华测无人机系统-P700实物图
2.9无人机作业流程
无人机摄影测量一般一个小组配备三人左右即可，航拍任务结束后对数据进行检查，合格后即可进行后续的数据处理工作。
图4无人机作业流程图
3.华测无人机石油管线巡检方案介绍
采用无人机进行石油线路巡检作业能极大地降低管道故障率，降低失窃率，降低石油线路运营成本，提高管网维护工作效率，变故障处置为隐患控制。
因此，该技术必将成为石油管网运行、监控、维护、地理图实时成像更新的有力工具，是一项体现石油管网运营单位自主创新能力的高科技项目，也是一次石油管网监控手段的重大革新。
3.1无人机车载地面终端模式
无人机配合车载地面终端可近距离、通视、快速巡视。
该模式主要是执行巡线任务的任务机距离地面测控车较近，且没有障碍物遮挡，任务机可以通过无线链路直接与地面车载设备进行数据通信。
任务机和吊舱拍摄到的视频信号和遥测数据经过任务机终端压缩和调制等处理后，传输到地面车载终端。
地面车载终端的遥控数据也直接发送到任务机终端，控制任务机的工作状态。
3.1.1系统组成
系统主要由固定翼无人机、高清图传收发设备、天线、馈线、天线自动跟踪器（可选）、车载信息终端组成。
3.1.2系统性能指标
项目
参数描述
续航时间（h）
4
抗风能力
>6级
有效载荷（kg）
6~8
巡航速度（km/h）
80~140
通讯中继设备
无中继
3.1.3图传技术参数
参数
参数描述
产品型号
PXW-208G
调制方式
COFDM、16QAM
工作频率
50M-2.5G可调
信道带宽
2M-8M（步进1M可调，8M为全高清）
输出功率
0.5W-2W可调
向前纠错
1/2、2/3、3/4、7/8
保护间隔
1/32、1/16、1/8、1/4
视音频输入
HDMI接口：
支持HD108060P；108050P；108030P；108025P；108024P；108060I；108050I；72060P；72050P；
视频压缩
符合H.264技术标准
音频格式
MPEG-2@ML4:
2:
0
加密方式
AES加密128位
射频接口
SMA母头
工作电压
DC7.2-14.8V
工作温度
-20℃～75℃
产品重量
300g
产品尺寸
110*62*34mm
适用范围（km）
最大定向40公里，全向8公里
3.2任务机加空中中继机模式
无人机（任务机）+空中中继（固定翼/旋翼无人机）模式。
该模式的中继机采用固定翼无人机，利用固定翼无人机续航时间长、抗风能力强、成本低、飞行和控制操作简单等特点，有效提高中继的灵活性。
该模式可用于石油管道与车载地面终端较远的环境。
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2
3.2.1系统组成
系统主要由无人任务机、无人中继机、高清图传收发设备、高清图传中继设备、天线、馈线、天线自动跟踪器（可选）、车载信息终端组成。
3.2.2系统性能指标
项目
参数描述
续航时间（h）
4
抗风能力
>6级
有效载荷（kg）
6~8
巡航速度（km/h）
80~140
通讯中继设备
1台中继
图传技术参数
见第1.3节
3.3任务机加地面固定中继模式
无人机（任务机）+地面中继基站模式。
该模式适用于任务机无法直接与地面测控车进行数据通信的情况，即任务机距离地面测控车距离超过直视范围，或任务机与地面测控车之间有障碍物阻隔，如下图所示。
任务机采集到的图像和遥测信号首先通过无线链路发送给塔架中继终端，中继终端再转发给地面测控车载终端，地面测控车的控制指令也通过塔架中继终端转发给任务机终端，控制任务机的工作状态。
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3.3.1系统组成
系统主要由无人机（固定翼或旋翼）、高清图传收发设备、高清图传中继设备、天线、馈线、天线自动跟踪器（可选）、中继塔架、车载信息终端组成。
3.3.2系统性能指标
项目
参数描述
续航时间（h）
4
抗风能力
>6级
有效载荷（kg）
6~8
巡航速度（km/h）
80~140
通讯中继设备
地面固定中继
图传技术参数
见第1.3节
3.4任务机加多点地面固定中继模式
任务机+多点地面固定中继模式。
该模式适用于任务机远距离飞行。
如下图所示，任务机采集到的图像和遥测信号首先通过无线链路发送给塔架中继终端，通过多点塔架中继转发给监控中心。
监控中心的数据也通过多点塔架中继的无线链路转发给任务机终端，控制任务机的工作状态。
工作人员只需要在监控中心即可实现远程遥控与跟踪。
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3.4.1系统组成
系统主要由无人机（固定翼或旋翼）、高清图传收发设备、地面中继塔架、高清图传中继设备、天线、馈线、天线自动跟踪器（可选）、信息终端组成。
3.4.2系统性能指标
项目
参数描述
续航时间（h）
4
抗风能力
>6级
有效载荷（kg）
6~8
巡航速度（km/h）
80~140
通讯中继设备
多点中继
图传技术参数
见第1.3节
3.5无人机航飞作业标准
序号
标准代号
规范名称
1
GB/T19294-2003
航空摄影技术设计规范
2
GB/T7931-2008
1:
5001:
10001:
2000地形图航空摄影测量外业规范
3
GB/T7930-2008
1:
5001:
10001:
2000地形图航空摄影测量内业规范
4
CH/T8021-2010
数字航摄仪鉴定规程
5
CH/Z3001-2010
无人机航摄安全作业基本要求
6
CH/Z3002-2010
无人机航摄系统技术要求
7
CH/Z3003-2010
低空数字航空摄影测量内业规范
8
CH/Z3004-2010
低空数字航空摄影测量外业规范
9
CH/Z3005-2010
低空数字航空摄影规范
10
GB/T18316-2008
数字测绘成果质量检查与验收
3.6主要技术指标及工作流程
3.6.1主要技术指标
（1）所获取影像为真彩色数字影像。
（2）按20cm地面分辨率进行技术设计。
（3）航线按图廓中心线敷设。
（4）航片倾角不大于5°最大不超过12°，数码相机旋偏角不大于15°。
3.6.2工作流程
本次无人机数码航空摄影测量采用基于GPS辅助空中三角测量的摄影测量方案，具体流程见下图。
图6无人机低空摄影测量具体作业流程
3.7结构图
图7石油管线巡查结构图
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