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管道研究

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輸油管道“天空地”防護巡體系試點應用

來源:《管道保護》2023年第5期 作者:田磊 時間:2023-9-25 閱讀:

田磊

國家管網集團華南公司

 

摘要:以某輸油部為試點,綜合運用“天基”衛星、“空基”無人機、“地基”光纖和視頻AI監測等技術,采集多源時空數據,在數據對齊、數據挖掘和綜合分析的基礎上,對地災、第三方施工等危害因素進行全天候動態監測和預警,構建了“天空地”防護巡一體化體系,推動公共安全治理模式從被動防護向事前預防轉型。

關鍵詞:“天空地”防護巡;全天候;多源時空數據;一體化管理

 

華南公司是目前國內最大的成品油管道儲運企業,建設運營著近6000千米成品油管道,途經廣東、廣西、貴州、云南、四川和重慶,既經過山高谷深、地質災害頻發的西南地區,也經過經濟發達、第三方施工頻發的珠三角地區,穿越1913條河流,管道安全管理風險高。為了保障管道外部安全、降低公共安全風險,華南公司以川渝輸油部為試點,綜合運用衛星遙感、無人機、AI 攝像頭等天空地技術,采集多源時空數據,基于數據挖掘、融合和綜合分析等關鍵技術,對地災、第三方施工、陰保等類危害因素進行全天候動態監測和預警,實現了 “空天地”防護巡一體化(圖 1)。


圖 1 天空地防護巡一體化體系架構

1  天基防護技術

1.1  InSAR技術

利用 InSAR 衛星技術可對管道沿線進行大范圍地質風險篩查,快速獲取目標區域的地形、地貌以及表面的微小變化,通過采集管道沿線區域多個時期的 SAR 圖像并進行干涉分析,計算出地面沉降和地表形變的速率,生成形變速率專題圖,從而劃分出高、中、低不同的風險區域。

1.2  光學遙感衛星影像

利用高分辨率衛星影像數據,采用自動提取技術,結合卷積神經網絡,并基于緩沖區分析、線性參考等技術,可自動提取管道高后果區范圍的建筑物、運動場、水源等目標,并自動劃定邊界,實現長度、范圍、類型及數量等的定量識別。還可識別管道周邊高壓輸電線路、地鐵、高鐵等雜散電流干擾源的位置及分布。

2  空基巡護技術

2.1  無人機

針對常用無人機續航短,管道威脅事件識別時效性差、漏檢率高等缺點,采用無人機加機庫實現高后果區等重點部位的24小時全天候自主巡檢。運用邊緣計算,集成神經網絡、運動恢復結構等算法進行異常目標識別和定位,可實時、精準識別管道威脅事件及行為(打孔盜油、第三方施工、占壓、地災等),準確率超過90%。

無人機搭載高清攝像設備對懸索跨、橋梁、桿塔等復雜設施進行三維立體巡檢,可有效覆蓋人員難以巡檢的遠端和下端部位,進行周期性變形變化檢測,通過智能分析和建模,自動識別設施損壞、錯位等異常部件,改善人工巡檢風險高、效率低等問題。

2.2  無人機與天基技術融合

將高分辨率遙感與無人機巡檢影像結合,通過拼圖算法,構建管道帶狀走廊高精度二維正射影像模型(DOM),通過管道附屬設施、腐蝕干擾源、高后果區等多維數據疊加,進一步生產能自動定義分辨率的、帶地理坐標和管道周邊特征信息的高清 GIS 地圖,實現各專業管理的數據共享和統一。

將INSAR和無人機采集的影像相結合,經過圖像校正、配準、去除畸變等處理,可獲得準確的三維點云地理信息,模擬出現場地形地貌模型,精度達到厘米級。配合 GIS平臺可對模型進行高度、長度、面積測量,通過不同時間的分析測量,判斷是否發生地表沉降、地表變形或位移,并對災害風險點進行標記。

2.3  無人機與地基技術融合

通過無人機搭載 Mesh 自組網可覆蓋10千米以上的區域,為各類各級應急響應提供數據、語音和視頻的通信網絡支撐。無人機空中系統依靠無人機地面系統供電完成長時間飛行作業,并將無人機攜帶的 Mesh 自組網的數據通過光纖回傳到地面。

3  地基防護技術

3.1  光纖技術

(1)光柵陣列應變監測。使用光柵陣列可實時監測管道的應力變化,通過軟件對管道的整體應力分布進行擬合,形成管道應力場分布,整體判斷管道的受力狀態。

(2)分布式光纖振動。利用與管道同溝敷設的通信光纜作為伴隨傳感介質,感知管道沿線的振動信息,對管道沿線第三方施工、打孔盜油等危害管道事件進行智能識別、定位和報警?山Y合加密巡檢、添加攝像頭等,加強風險管段的重點關注,實現管道分時分段配置報警的精準布控,有效預警。

(3)光纜運維管理系統。面對光纜位置不清、光纜淺埋、偏移等問題,綜合運用光纜在線監測儀、光纜巡線定位儀、光纜識別儀、光纜夾鉗等光纖監測和定位技術,摸清光纜底數。開發光纜運維管理系統,將多種光纜監檢測數據與日常光纜管理數據和管道風險進行數據對齊,實現光纜資源數據的可視化和數字化。打通IMS系統、光纜運維系統、第三方視頻監控、無人機巡檢平臺間的通道,實現與管道光纜預警的聯動處置。通過智能視頻、光纖振動、人工巡檢等上報異常報警信息,利用智能機庫遠程控制無人機前往事發地點,對現場監測和影像實時分析,精準定位隱患位置,將信息發送到相關人員移動終端,形成管道風險隱患閉環處置流程。

3.2  智能攝像頭

在人口密集型高后果區、打孔盜油易發區安裝智能攝像頭,自動識別出威脅事件及不安全行為。智能攝像頭可與分布式光纖振動結合,自動轉向報警發生方向,實時回傳現場視頻數據。對可疑事件形成視頻告警數據,回傳到后端智能監管平臺,確保管理人員及時處置。

3.3  “簡單棒”地災監測技術

針對西南管道地災風險特點,開發了“簡單棒”監測系統,用于監測土壤水分、孔隙水壓力、傾斜角、位移以及溫度。對于高填方邊坡與松散碎石地基,布設靜力水準儀監測地面沉降變化。在特殊位置布設監控視頻設備,利用全方位云臺實現對施工現場及人員多維度監視并監控管道邊坡水位線。 綜合應用“簡單棒”、靜力水準儀和視頻監控,實現對重大管道滑坡災害多層次、多角度、多維度的全天候監測。

3.4  應急通信(網)

應急通信(網)通過Mesh自組網和衛星便攜站組成的應急通信保障系統,解決信息孤島和偏遠地區作業的通信保障;谛l星通信配置衛星便攜站通過亞太6D衛星在指定區域建立現場通信網絡,作為指揮中心網絡的延伸。在指定區域內配置Mesh自組網,同時配備衛星電話作為通信的補充。裝備了Mesh自組網設備的人員和車輛之間可以直接進行通信。

4  應用成效

自今年5月應用以來,產生報警信息255條,結合現場核實不斷修正算法,總體的報警準確率從40%提升至97%。成功預警突發第三方施工行為10次,成功監測3段管道嚴重地面沉降(圖 2)。根據風險預警結果,制定11項重點業務管理看板。結合IMS系統動態調整最優巡查時間、巡護關鍵點,優化不同時段巡護任務414個,累計設置60 049處關鍵點(遠高于集團每公里2個關鍵點的要求),確保風險點巡護到位?偨Y形成了風險管控技術矩陣表(圖 3),聚焦4類管道、18種風險,制定了“天基”衛星、“空基”無人機、“地基”光纖、視頻AI監測等9項技術的使用規程,編制天空地防護巡一體化技術體系標準。


圖 2 識別出的地災風險點

圖 3 空地防護巡一體化風險管控技術矩陣

5  結語

華南公司“天空地”一體化管理模式,實現了油氣管道威脅事件識別的各項可靠技術的融合,突破了“1+1=2”的限制,形成了可推廣應用的管道風險技術矩陣和天空地防護巡一體化技術體系標準等實踐成果。

目前在管道隧道區、河流穿越段等,還存在數據底數難以摸清或未及時更新等問題,還需要加強數據治理、數據對齊和數據挖掘工作,弄清管道的薄弱環節,從而精準施策,對不同風險管段采取針對性的風險防控措施。同時要加大數據樣本訓練,算法迭代優化,實現更精準的威脅事件識別和定位等預警,確保天空地防護巡一體化工作的經濟性、可靠性。


作者簡介:田磊,1981年生,現任國家管網集團華南公司副總經理、安全總監。研究方向為油氣儲運、管道完整性管理。


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