Отдалечен мониторинг на газопроводи

B интерес на всяка газова компания е да поддържа в добро състояние своите тръбопроводи и да ги предпазва ефективно от повреди, причинени от външни фактори. Благодарение на непрекъснатото развитие в областта на дистанционните наблюдения и изследвания, както и на технологията за обработка на изображения, вече е възможно да се конструират системи за мониторинг на газопроводи, използващи дистанционни сензори и контекстно-ориентиран софтуер за обработка на изображения. Последните развития на технологията на безпилотните летателни апарати показват, че те са подходящи като платформи за подобни мисии по поръчка на клиентите.

Законодателната рамка, гарантираща безопасната експлоатация и надзор на тръбопроводите за пренос на нефт и газ, се различава значително в отделните страни. В някои случаи тези различия са доста значителни. Независимо от изискванията, налагани от властите, нефтените и газовите компании сами предприемат различни мерки, за да гарантират, че техните тръбопроводи ще бъдат експлоатирани по безопасен, икономически ефективен и безвреден за околната среда начин и че ще бъдат защитени ефективно срещу повреди, причинени от външни фактори.

Методите за мониторинг, използвани най-широко спрямо тръбопроводите за пренос на природен газ, включват наземни (понякога моторизирани) патрули по трасето на тръбопровода и въздушно наблюдение с помощта на малки самолети и хеликоптери. Тези патрули предотвратяват събития и аварии, които биха създали риск за тръбопроводите с високо налягане, за техните околности и за сигурността на доставките. Въпреки че тези методи гарантират висока степен на безопасност при експлоатацията на тръбопровода, разходите за тях са много високи.

Европейската газопреносна мрежа се състои от газопроводи с високо налягане с обща дължина 200 000 километра. Повечето тръбопроводи са подземни, с покритие над темето на тръбата 1 м. В зависимост от диаметъра на тръбите за тези газопроводи са определени сервитутни ивици с ширина от 4 до 10 метра.

Задачите, свързани с мониторинг, се разпределят на детекция на обекти и ситуации с цел предотвратяване на въздействието на външни фактори, наблюдение на движенията на почвата и на утечките на газ.

Системата за детекция на емисии от природен газ трябва да може да открива малки утечки с дебит от порядъка на 0,01 -10 м3/час в началната фаза. Всички големи газови емисии, предизвикани от сериозни повреди на тръбопровода, се откриват и докладват от други системи.

Задачите, свързани с мониторинг, следва да бъдат изпълнявани през цялата година през равни интервали от време, почти винаги независимо от природните условия. Въпреки че областите, които са обект на мониторинг, се различават значително по отношение на почвените характеристики, растителността и интензивността на застрояването, много важно е бъдещите методи за дистанционно наблюдение да могат да се прилагат за всякакви теренни условия.

Мониторинг на газопроводи

За отдалечен мониторинг на газопроводи в съвремието ни все по-масово се използват оптични сензори. Принципът на действие на оптичните сензори е следният: чрез система от оптични лещи се следи количеството слънчева светлина, отразено от земята. Нормално се отчитат данни само за светлината от определен спектър, например червена, зелена или синя.

Оптичните системи с висока разделителна способност наблюдават интензитета на светлината на много малки площи от земната повърхност - от порядъка на 0,5 м до няколко метра. На базата на този принцип оптичните сензори имат известен брой важни характеристики. Те могат да работят с относително високи пространствени разделителни способности от порядъка на 0,5 м при наблюдение от космоса и до няколко сантиметра - от летателен апарат.

Ограничаващи фактори за пространствената разделителна способност са чувствителността на детекторите, размерът на лещата или огледалото и пречупването на светлината. Оптичните сензори могат да се използват само при дневна светлина и силно се влияят от облачността.

При монтираните на летателни апарати платформи от доста време се използват оптични цифрови сензори с висока разделителна способност. Днес те се подразделят на четири вида подсистеми:

Фотограметрични системи с високо качество. Понастоящем на пазара започват да се предлагат първите фотограметрични системи с практическо приложение. Разделителните способности и геометричните изисквания на тези системи са много високи. Основните им приложения са за картиране с големи мащаби и създаване на цифрови модели на терена от големи височини (Digital elevation models, DEM). Обработващият софтуер на тези системи е много сложен и почти напълно автоматизиран. Тези системи са приложими в мониторинга на газопроводи, но са с прекалено високо качество и са твърде скъпи.

Мултиспектрални системи за сканиране. Мултиспектралните скенери, монтирани на летателни апарати, съществуват от 20 години и понастоящем постоянно се появяват нови и нови видове работещи системи от този тип. Съществуват различни примери за мултиспектрални сензори, работещи във видимия (VIS) и късовълновия инфрачервен (NIR) диапазон на електромагнитния спектър. Сред тях има системи с т. нар. pushbroom скенери, както и матрични камери.

Налични са и сензори, работещи във видимия (VIS), късовълновия инфрачервен (NIR) и средновълновия инфрачервен (MIR) диапазон на електромагнитния спектър. Важно при тези системи е, че софтуерът за обработка на данни е тясно свързан със системата (сензор, радиометрия, геометрия) и поради това трябва да работи перфектно.

Системи, базирани на цифрови фотоапарати. Качеството на комерсиалните цифрови фотоапарати се повишава бързо и така те стават все по-подходящи за практическо приложение в системите за наблюдение на газопроводи. Камерите от висок клас предлагат добра детайлност и радиометрична чувствителност и осигуряват възможности за въздействие върху разделителната способност на спектралните ивици, квантоването и автоматичното разчитане на изображението.

Цифрови системи, базирани на видео. Качеството на видеокамерите също се повиши през последните няколко години, но все още броят на пикселите и чувствителността им остават ограничени. Очаква се през идните няколко години на пазара да се появят видеокамери с много висока разделителна способност от порядъка на 1000х1500 пиксела. Те биха били много подходящи за системите за мониторинг, монтирани на летателни апарати.

Радарните сензори могат да работят независимо от климатичните условия и осветеността и поради това се предлагат в много по-голямо разнообразие на пазара. Системите с радари със синтезирана апертура (Synthetic Aperture Radar - SAR) предлагат двуизмерно микровълново изображение на областта, сканирана от радара. В интерферометричен режим с тези системи могат да бъдат получени и триизмерни изображения, но това е свързано със заснемане и комбиниране на две или повече снимки на една и съща област, направени от съвсем малко различни ъгли на наблюдение.

По време на полета сензорът със синтезирана апертура периодично предава микровълнови импулси в направление под прав ъгъл спрямо посоката на полета му. Тези импулси се отразяват от обектите и се приемат и съхраняват от системата. Геометрията на земната повърхност, неравностите и електромагнитните свойства на осветените обекти, както и честотата и поляризацията на радара, влияят върху височината и фазата на отразения сигнал.

Геометричната разделителна способност по посока на полета се определя от дължината на синтетичната апертура и поради това е независима от разстоянието между обекта и сензора. По направление, перпендикулярно на полета, разделителната способност се определя от ширината на честотната лента на изпратения сигнал и също е независима от разстоянието между обекта и сензора.

За получаване на изображение на земната повърхност приетият радарен сигнал трябва да премине през процес на формиране (или обработка) на изображението. Много важен момент от тази обработка е фокусирането на системата със синтезирана апертура. Информацията в отразения от целта сигнал се разпределя в двуизмерна област във вид на необработени данни. Като всяко изображение, те съдържа чист шум.

С помощта на техника, наречена съчетано филтриране (matched filtering), информацията се компресира, така че всяка цел се появява с истинските си радиометрични и геометрични характеристики, според параметрите на системата. Нужни са допълнителни методи за обработка за корекция на изкривяванията, специфични за радарите със синтезирана апертура, свързани с геометрията и радиометрията на изображението.

Използване на обектно-ориентирана технология за анализ на изображения

За да се използват поточните данни за цифрови изображения, предавани от заснемащите сензори на спътника, самолета или безпилотния летателен апарат, изображенията трябва да бъдат анализирани с помощта на автоматизирани техники, а не само чрез обикновена визуална проверка. Характеристиките, които са се променили по трасето на тръбопровода и вероятно са свързани с подземните му участъци, трябва да бъдат открити автоматично на базата на получените цифрови изображения и да бъдат изпратени на системата за сигнализация.

Традиционният софтуер за анализ на изображения или е с тясно предназначение - оценка на цифровия сигнал, съдържащ се във всеки отделен пиксел на изображението, или е предназначен за намиране на определена цел на чрез сравнение с определен модел от пиксели. Необходимо е съдържанието на изображението да се възприема като цяло чрез анализиране на обектите в него, а информацията за обектите да се оценява според нейната надеждност.

Цялата тази информация сумарно се определя като интерпретация на изображението, на която доскоро бяха способни само хората. Съвременните решения за отдалечен мониторинг, базирани на алгоритмичен подход, използват същата процедура за откриване на потенциално опасни обекти в цифровите изображения.

Едно от най-големите практически предимства на системния мониторинг на газопроводи е общото познаване на пейзажа, което се създава след чести наблюдения на съоръженията. Ето защо една операционна система за анализ на изображенията трябва по-малко да се концентрира върху разпознаването на цялата сцена като такава, а повече върху диференциалните промени в нея, които може да са възникнали след последното наблюдение.

Използване на безпилотни летателни апарати в системи за инспекция на газопроводи

Гражданските безпилотни летателни апарати имат огромен потенциал да допринесат за подобряване на качеството на живот на населението. Те могат да работят на места, където полетите на управляваните от пилоти въздухоплавателни апарати са твърде опасни или скъпи. Има много случаи, в които използването на граждански безпилотни летателни апарати е за предпочитане пред това на пилотните - например за откриване на бури и горски пожари или инспекция на големи инфраструктурни обекти като тръбопроводи и електрически далекопроводи.

Използването на безпилотни летателни апарати понастоящем обаче е силно ограничено поради липса на норми за регулация, за да могат тези апарати да работят в гражданската среда за контрол и управление на въздушния трафик. Необходимо е да бъдат създадени и одобрени стандарти за годността на граждански безпилотни летателни апарати за безопасни полети и за тяхното сертифициране за практическо приложение.

След като проблемите с безопасността и управлението на трафика на гражданските безпилотни летателни апарати бъдат решени, те ще могат да се използват за многобройни цели с граждански характер, както и като въздушно-преносими платформи за редовна инспекция на газопроводи.

Изискванията по отношение на вида на сензорите и мащабите на експлоатационния мониторинг на газопроводите зависят от вида на гражданския безпилотен летателен апарат. За тази цел се разглеждат два различни сценария за системи за мониторинг на базата на граждански безпилотни летателни апарати:

Малки и леки безпилотни летателни апарати, работещи на ниска височина - тези апарати работят в неконтролираното (ниско) въздушно пространство и поради това се нуждаят от подходящи технологии за прогнозиране и избягване на сблъсъци и препятствия като сгради, далекопроводи или нисколетящи обекти (балони).

За целите на инспекцията на газопроводи подходяща работна височина на летателния апарат е около 100 м, което обикновено е под облачната покривка. В този случай би било достатъчно използването на система от оптични сензори или такива, работещи в инфрачервения спектър. Нещо повече - дори с по-малка по размер оптика могат да се постигнат по-високи разделителни способности.

Безпилотни летателни апарати със средни размери и средно тегло, летящи на средни височини - те работят в контролирано въздушно пространство и поради това трябва да бъдат внедрявани в среда с пълен контрол и управление на въздушния трафик. Тъй като летателният апарат работи на височина над 1000 м, т. е. в най-общия случай над облаците, е необходима система от сензори с радар със синтезирана апертура, която може да бъде допълнена от система от оптични сензори и такива с инфрачервени лъчи. Това обаче изисква летателният апарат да има допълнителен капацитет за полезен товар.