无人机巡视系统在海上油区监测的应用研究

张阔

摘  要：海上石油生产以及海域管理形势的日益复杂，现有的海上应急信息系统及应急指挥中心溢油监测和日常的海况巡视反应速度较慢，劳动强度很大，亟需 无人机这样一种新型监测手段，弥补了现有现场监测技术手段的不足，适应海上安全、清洁生产的需要，助力应急抢险快速响应，提升应急应变综合能力。

关键词：无人机 海洋应急 监测巡视

中图分类号：TN98

一、引言

随着海上石油生产以及海域管理形势的日益复杂，海上安全、清洁生产受到了中石化、油田乃至地方政府的高度重视，胜利油田现已建设了海上应急信息系统及应急指挥中心，海上信息化框架已经建立。但是海上安全环保巡视还采用船舶巡视的方式进行，速度慢、所需时间长、劳动强度大，因此亟需建设适应海上安全、清洁生产需要的高效、快速巡视系统，助力应急抢险快速响应。

无人机作为一种新型监测手段，弥补了现有现场监测技术手段的不足，具有机动性强、成本低、效率高等特点，其所获取的影像分辨率高达0.1米，远高于卫星影像，其续航能力最大可达16小时以上，将成为国家海域动态监视监测管理系统重要的信息源。无人机机载光电吊舱、数字实时图像传输等技术，用于油田海上全海域的快速抢险救灾、油区实时图像传输、溢油监测和日常的海况巡视等能产生较好的效果;此系统接入海上应急指挥信息系统实现对海上油区实时监控，快速辅助领导进行应急指挥，提升应急应变综合能力。

二、当前海上油区安全形势及海洋应急现状

随着海上石油开发的不断深入，海上作业日益频繁，安全生产形势日益严峻。近年来发生的墨西哥湾钻井平台井喷、爆炸、原油泄漏事故、大连新港输油管道起火爆炸事故以及作业三号平台倾斜事故，对海上石油企业突发事件应急能力提出严峻的考验。海洋石油勘探开发为高风险的特殊作业，设备设施布置高度集中，作业场所各种危险、危害因素多，集中有大量的污染物质。钻井或采油平台井喷、平台火灾爆炸、海底输油管线破裂、油轮碰撞搁浅、原油装卸过程泄漏，以及台风、风暴潮、海啸等自然灾害等因素都有可能导致重大溢油事故。胜利海上油田位于黄河口附近，是自然生态保护区，并且作业海区渔业资源丰富，水产养殖业相当发达，一旦发生大规模的溢油，如果不能得到及时有效的清除抑制，将严重危及海洋生态环境，破坏渔业资源，甚至引发火災爆炸，导致海上石油作业局部停产等严重经济损失。

近年来胜利海上油田发展较快，其中埕岛油区面积达650平方公里，现建有采油、作业、钻井等各类平台110余座，其中大型油气集输平台2座;海底输油（气）、注水等各类管线220余条、400余千米;油气水井370余口（其中单井最高日产油水混合物240方），原油产能达到300万吨。垦东油区面积约500平方公里，现建有采油平台9座。青东油区勘探面积近600平方公里。随着海上设施数量和规模的不断扩大，安全隐患逐年增多，给安全、清洁生产带来重大隐患。在加大海上应急专业技术装备的同时，还需要依托信息化手段，提高各类海上应急事件的反应、决策辅助、远程指挥能力，进一步保障海洋石油安全生产。

三、存在问题简述

1、传统巡视方式效率较低。

目前海上油区的日常巡视主要依靠船舶执行，相对于大面积的海上油区，船舶巡视一次约需一天的时间，而且巡视覆盖的范围较为有限，及时发现问题的几率大大降低，不利于快速处置。

2、应急信息反馈存在时滞。

目前海上发生的应急事件，在巡视船舶无法及时发现的情况下，往往在发出警报后才能够调派船舶前往事发地点，在此期间指挥中心可能无法得到现场第一手资料，不利于及时做出决策。

3、缺乏快速、宏观的现场信息展现能力。

在前期的应急指挥信息系统建设中虽然为船舶配备了远距离视频监控、溢油雷达等设备，但是由于船舶速度慢，视角与现场处于一个平面等原因，适合局部的信息获取，无法为指挥中心提供应急现场的全景信息，不利于科学指挥。

4、巡视成本较高。

采用船舶巡视的方式极大增加了燃油消耗，巡视成本高，在当前提倡绿色低碳和精细管理的大背景下，需要采用技术手段在保证更好完成巡视任务的同时降低碳排放、节约成本。

四、解决措施和建议

利用无人机机载光电吊舱、RFID、数字实时图传等技术，建立3个接受基站，将海上油区实时图像、数据传输到陆地，接入应急信息指挥系统实现对海上油区实时监控，快速辅助领导进行应急指挥。根据现阶段无人机应用情况，结合油田海上实际，可使用固定翼和旋转翼无人机相结合的巡视解决方案。

1、固定翼无人机

我国自主研发的海鹰无人机是用于海上的长航时无人机。航程约200多公里，抗风达7级左右，任务载重10公斤左右，可以搭载专业相机、摄像机、雷达，以及实时图传等设备，适用于专业航测和应急地理信息采集的行业，海洋应急救灾、海洋溢油，海洋监控，深林防火监测、防汛抗旱、环境监测、边防监控、军事侦察和警情消防监控等行业。

海鹰固定翼无人机技术特点：技术可靠。产品依赖发达国家技术支持，发动机、舵机采用日本高度机械，性价比非常高，使用寿命长。安全可靠。可靠性和安全性高，能连续飞行10几个小时，安全返航，飞机经过上百次的飞行测试和极限参数的测试，只要通过简单的培训就可以熟练的操作飞机，进行航飞任务。飞行时间长、距离远。一个起落飞行3个小时，巡航速度110公里/小时。

2、旋转翼无人机

自主研发的SLA无人直升机，航程 20-100公里，装载专用的云台、摄像、图传等设备，可实现空中巡线、环境监测、空中动态侦查、安全监控等多用途功能。目前已经为国内军用、电力、公安、环保、农业、勘探、科研等系统选用。

技术特点：高精度悬停、精确飞行，使得飞行作业更为有效。悬停精度为+-3米误差内，可以按照指定航线 进行自动飞行，领先的高科技无人机技术使得航 拍、监控作业成效显著。远程操控，每天轻松完成数十乃至数百公里的空中巡逻作业。无人直升机系统能按照设置好的程序进行自动或半自动飞行，便捷高效而无需担心人身安全。飞机平台携带摄像、红外及图传装置可进行近距离的空中监控。即时升空、转场便捷，有效控制监控成本。飞机在2分钟内可以实现升空及降落，转场更为便捷（通常一辆小车就可以实现人机转场），单位空中巡检成本低。技术领先，彻底保障飞机安全。整套系统通过安全作业的测试，飞控自动增稳系统及多种高科技技术，让飞机更为安全稳健。

3、飞载光电吊舱系统

PY-10型昼夜光电侦察吊舱系统由稳定平台、彩色CCD摄像机（或非制冷红外线热像仪）、电缆和减振装置等组成。主要功能：

a ）对目标具有手动扫描搜索、自动扫描搜索、自动跟踪功能、跟踪/搜索、锁定、自检和保护工作模式;

b ）能输出被测目标和周围景物的稳定红外或可见光图像，都采用PAL制式全电视模拟信号;

c ）能给出锁定目标的方位角、俯仰角等信息;

d ）系统平台技术指标;

4、HAP 飞控系统

使用自适应扩展卡尔曼（EKF ）算法，把IMU、地磁传感器、GPS、气压高度计和地形匹配高度计等传感器的数据进行深度融合，在恶劣条件下也可得到高精度高可靠的导航数据。GPS模块可替换为GLONASS、GALILEO 和北斗导航系统模块。控制方面使用了自适应鲁棒控制。对风切变、任务负载突然变化等干扰有很强的鲁棒性，保证了飞行的安全。 对机械磨损任务负载、重心等变化有很强的自适应性，保证了飞行的精度和安全。HAP飞控系统在建模方面使用参数辨识算法，只需要采集手动飞行的数据便可以自动建立精确的直升机模型，然后生成控制器，不需要复杂的数学推导。大大减小了飞行控制系统集成的风险，减少了集成的时间。飞行控制系统的地面站界面支持Google Earth/MapInfo地图格式，用鼠标或触摸屏操作图形界面即可设定航路，飞行中可对航迹规划点机械能修改。除地面站外，总重量约为1千克。功耗不到5瓦。支持人工遥控、增稳遥控、计算机指令控制、设定航路的自动导航、安全返航。支持多达六种飞行模式：自动起降、定点悬停、3轴定速、机头定向定速、定高巡航、自动协调转弯。可设定多种安全保护模式。如通信中断时自动返航、传感器信号异常时自动悬停。

5、便携式地面站

便携式地面站外形尺寸：450*345*185mm，12寸高亮显示屏，具有便携防水、防压、超能量电池可连续工作3-4小時，预留有USB、RJ45、VGA、RS-232等扩展接口，DC12V供电带电压显示，专为外场作业提供控制和监测。

6、数字实时图传系统

采用MPEG2编码方式及COFDM数字调制方式，提供720*576高 清晰图像，绕射能力强，支持非视距传输，基于标准的COFDM 调制技术，高质量的数字视频处理及MPEG2视频编解码，极短的编码延时，支持高速移动传输，支持非视距（NLOS）传输，支持频率可调（频率可选UHF、1.0G—1.2GHz等频段）， 体积小、重量轻（手机大小），非视距环境下传输距离不低 于1000米， 图像清晰稳定、无马赛克、无拖尾现象。接收机支持全频段连续可调（频率范围：47M～860MHz），可在现场调整。

2609501705234