田磊

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司

摘要：以某輸油部為試點(diǎn)，綜合運(yùn)用“天基”衛(wèi)星、“空基”無人機(jī)、“地基”光纖和視頻AI監(jiān)測(cè)等技術(shù)，采集多源時(shí)空數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)對(duì)齊、數(shù)據(jù)挖掘和綜合分析的基礎(chǔ)上，對(duì)地災(zāi)、第三方施工等危害因素進(jìn)行全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，構(gòu)建了“天空地”防護(hù)巡一體化體系，推動(dòng)公共安全治理模式從被動(dòng)防護(hù)向事前預(yù)防轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：“天空地”防護(hù)巡；全天候；多源時(shí)空數(shù)據(jù)；一體化管理

華南公司是目前國(guó)內(nèi)最大的成品油管道儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)，建設(shè)運(yùn)營(yíng)著近6000千米成品油管道，途經(jīng)廣東、廣西、貴州、云南、四川和重慶，既經(jīng)過山高谷深、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的西南地區(qū)，也經(jīng)過經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、第三方施工頻發(fā)的珠三角地區(qū)，穿越1913條河流，管道安全管理風(fēng)險(xiǎn)高。為了保障管道外部安全、降低公共安全風(fēng)險(xiǎn)，華南公司以川渝輸油部為試點(diǎn)，綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、AI 攝像頭等天空地技術(shù)，采集多源時(shí)空數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)挖掘、融合和綜合分析等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)地災(zāi)、第三方施工、陰保等類危害因素進(jìn)行全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了 “空天地”防護(hù)巡一體化（圖 1）。

圖 1 天空地防護(hù)巡一體化體系架構(gòu)

1  天基防護(hù)技術(shù)

1.1  InSAR技術(shù)

利用 InSAR 衛(wèi)星技術(shù)可對(duì)管道沿線進(jìn)行大范圍地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)篩查，快速獲取目標(biāo)區(qū)域的地形、地貌以及表面的微小變化，通過采集管道沿線區(qū)域多個(gè)時(shí)期的 SAR 圖像并進(jìn)行干涉分析，計(jì)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

1.2  光學(xué)遙感衛(wèi)星影像

利用高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用自動(dòng)提取技術(shù)，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并基于緩沖區(qū)分析、線性參考等技術(shù)，可自動(dòng)提取管道高后果區(qū)范圍的建筑物、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、水源等目標(biāo)，并自動(dòng)劃定邊界，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、范圍、類型及數(shù)量等的定量識(shí)別。還可識(shí)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(hù)技術(shù)

2.1  無人機(jī)

針對(duì)常用無人機(jī)續(xù)航短，管道威脅事件識(shí)別時(shí)效性差、漏檢率高等缺點(diǎn)，采用無人機(jī)加機(jī)庫(kù)實(shí)現(xiàn)高后果區(qū)等重點(diǎn)部位的24小時(shí)全天候自主巡檢。運(yùn)用邊緣計(jì)算，集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)等算法進(jìn)行異常目標(biāo)識(shí)別和定位，可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)識(shí)別管道威脅事件及行為（打孔盜油、第三方施工、占?jí)骸⒌貫?zāi)等），準(zhǔn)確率超過90%。

無人機(jī)搭載高清攝像設(shè)備對(duì)懸索跨、橋梁、桿塔等復(fù)雜設(shè)施進(jìn)行三維立體巡檢，可有效覆蓋人員難以巡檢的遠(yuǎn)端和下端部位，進(jìn)行周期性變形變化檢測(cè)，通過智能分析和建模，自動(dòng)識(shí)別設(shè)施損壞、錯(cuò)位等異常部件，改善人工巡檢風(fēng)險(xiǎn)高、效率低等問題。

2.2  無人機(jī)與天基技術(shù)融合

將高分辨率遙感與無人機(jī)巡檢影像結(jié)合，通過拼圖算法，構(gòu)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(shè)施、腐蝕干擾源、高后果區(qū)等多維數(shù)據(jù)疊加，進(jìn)一步生產(chǎn)能自動(dòng)定義分辨率的、帶地理坐標(biāo)和管道周邊特征信息的高清 GIS 地圖，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)管理的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一。

將INSAR和無人機(jī)采集的影像相結(jié)合，經(jīng)過圖像校正、配準(zhǔn)、去除畸變等處理，可獲得準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云地理信息，模擬出現(xiàn)場(chǎng)地形地貌模型，精度達(dá)到厘米級(jí)。配合 GIS平臺(tái)可對(duì)模型進(jìn)行高度、長(zhǎng)度、面積測(cè)量，通過不同時(shí)間的分析測(cè)量，判斷是否發(fā)生地表沉降、地表變形或位移，并對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。

2.3  無人機(jī)與地基技術(shù)融合

通過無人機(jī)搭載 Mesh 自組網(wǎng)可覆蓋10千米以上的區(qū)域，為各類各級(jí)應(yīng)急響應(yīng)提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻的通信網(wǎng)絡(luò)支撐。無人機(jī)空中系統(tǒng)依靠無人機(jī)地面系統(tǒng)供電完成長(zhǎng)時(shí)間飛行作業(yè)，并將無人機(jī)攜帶的 Mesh 自組網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過光纖回傳到地面。

3  地基防護(hù)技術(shù)

3.1  光纖技術(shù)

（1）光柵陣列應(yīng)變監(jiān)測(cè)。使用光柵陣列可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的應(yīng)力變化，通過軟件對(duì)管道的整體應(yīng)力分布進(jìn)行擬合，形成管道應(yīng)力場(chǎng)分布，整體判斷管道的受力狀態(tài)。

（2）分布式光纖振動(dòng)。利用與管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為伴隨傳感介質(zhì)，感知管道沿線的振動(dòng)信息，對(duì)管道沿線第三方施工、打孔盜油等危害管道事件進(jìn)行智能識(shí)別、定位和報(bào)警。可結(jié)合加密巡檢、添加攝像頭等，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管段的重點(diǎn)關(guān)注，實(shí)現(xiàn)管道分時(shí)分段配置報(bào)警的精準(zhǔn)布控，有效預(yù)警。

（3）光纜運(yùn)維管理系統(tǒng)。面對(duì)光纜位置不清、光纜淺埋、偏移等問題，綜合運(yùn)用光纜在線監(jiān)測(cè)儀、光纜巡線定位儀、光纜識(shí)別儀、光纜夾鉗等光纖監(jiān)測(cè)和定位技術(shù)，摸清光纜底數(shù)。開發(fā)光纜運(yùn)維管理系統(tǒng)，將多種光纜監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)與日常光纜管理數(shù)據(jù)和管道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)光纜資源數(shù)據(jù)的可視化和數(shù)字化。打通IMS系統(tǒng)、光纜運(yùn)維系統(tǒng)、第三方視頻監(jiān)控、無人機(jī)巡檢平臺(tái)間的通道，實(shí)現(xiàn)與管道光纜預(yù)警的聯(lián)動(dòng)處置。通過智能視頻、光纖振動(dòng)、人工巡檢等上報(bào)異常報(bào)警信息，利用智能機(jī)庫(kù)遠(yuǎn)程控制無人機(jī)前往事發(fā)地點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和影像實(shí)時(shí)分析，精準(zhǔn)定位隱患位置，將信息發(fā)送到相關(guān)人員移動(dòng)終端，形成管道風(fēng)險(xiǎn)隱患閉環(huán)處置流程。

3.2  智能攝像頭

在人口密集型高后果區(qū)、打孔盜油易發(fā)區(qū)安裝智能攝像頭，自動(dòng)識(shí)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(dòng)結(jié)合，自動(dòng)轉(zhuǎn)向報(bào)警發(fā)生方向，實(shí)時(shí)回傳現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)。對(duì)可疑事件形成視頻告警數(shù)據(jù)，回傳到后端智能監(jiān)管平臺(tái)，確保管理人員及時(shí)處置。

3.3  “簡(jiǎn)單棒”地災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)

針對(duì)西南管道地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，開發(fā)了“簡(jiǎn)單棒”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)土壤水分、孔隙水壓力、傾斜角、位移以及溫度。對(duì)于高填方邊坡與松散碎石地基，布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)地面沉降變化。在特殊位置布設(shè)監(jiān)控視頻設(shè)備，利用全方位云臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)及人員多維度監(jiān)視并監(jiān)控管道邊坡水位線。 綜合應(yīng)用“簡(jiǎn)單棒”、靜力水準(zhǔn)儀和視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)重大管道滑坡災(zāi)害多層次、多角度、多維度的全天候監(jiān)測(cè)。

3.4  應(yīng)急通信（網(wǎng))

應(yīng)急通信（網(wǎng)）通過Mesh自組網(wǎng)和衛(wèi)星便攜站組成的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)，解決信息孤島和偏遠(yuǎn)地區(qū)作業(yè)的通信保障。基于衛(wèi)星通信配置衛(wèi)星便攜站通過亞太6D衛(wèi)星在指定區(qū)域建立現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，作為指揮中心網(wǎng)絡(luò)的延伸。在指定區(qū)域內(nèi)配置Mesh自組網(wǎng)，同時(shí)配備衛(wèi)星電話作為通信的補(bǔ)充。裝備了Mesh自組網(wǎng)設(shè)備的人員和車輛之間可以直接進(jìn)行通信。

4  應(yīng)用成效

自今年5月應(yīng)用以來，產(chǎn)生報(bào)警信息255條，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)不斷修正算法，總體的報(bào)警準(zhǔn)確率從40%提升至97%。成功預(yù)警突發(fā)第三方施工行為10次，成功監(jiān)測(cè)3段管道嚴(yán)重地面沉降（圖 2）。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果，制定11項(xiàng)重點(diǎn)業(yè)務(wù)管理看板。結(jié)合IMS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整最優(yōu)巡查時(shí)間、巡護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)，優(yōu)化不同時(shí)段巡護(hù)任務(wù)414個(gè)，累計(jì)設(shè)置60 049處關(guān)鍵點(diǎn)（遠(yuǎn)高于集團(tuán)每公里2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的要求），確保風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)巡護(hù)到位。總結(jié)形成了風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)矩陣表（圖 3），聚焦4類管道、18種風(fēng)險(xiǎn)，制定了“天基”衛(wèi)星、“空基”無人機(jī)、“地基”光纖、視頻AI監(jiān)測(cè)等9項(xiàng)技術(shù)的使用規(guī)程，編制天空地防護(hù)巡一體化技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)。

圖 2 識(shí)別出的地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

圖 3 空地防護(hù)巡一體化風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)矩陣

5  結(jié)語(yǔ)

華南公司“天空地”一體化管理模式，實(shí)現(xiàn)了油氣管道威脅事件識(shí)別的各項(xiàng)可靠技術(shù)的融合，突破了“1+1=2”的限制，形成了可推廣應(yīng)用的管道風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)矩陣和天空地防護(hù)巡一體化技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)踐成果。

目前在管道隧道區(qū)、河流穿越段等，還存在數(shù)據(jù)底數(shù)難以摸清或未及時(shí)更新等問題，還需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)對(duì)齊和數(shù)據(jù)挖掘工作，弄清管道的薄弱環(huán)節(jié)，從而精準(zhǔn)施策，對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)管段采取針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防控措施。同時(shí)要加大數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練，算法迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的威脅事件識(shí)別和定位等預(yù)警，確保天空地防護(hù)巡一體化工作的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。

作者簡(jiǎn)介：田磊，1981年生，現(xiàn)任國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司副總經(jīng)理、安全總監(jiān)。研究方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)運(yùn)、管道完整性管理。