張學(xué)冬

（大慶油田信息技術(shù)公司，黑龍江 大慶 163453）

我國石油資源分布相對(duì)分散，且大多集中在自然環(huán)境惡劣的沙漠、山地、高原、沼澤等地區(qū)，這為石油開采工作的開展帶來了諸多困難。其中，油田電力線路損壞、輸油管道泄漏及抽油機(jī)故障是目前制約石油開采工作正常開展的重要問題。油田傳統(tǒng)生產(chǎn)方式需要消耗大量人力物力對(duì)輸電線路、輸油管道和抽油機(jī)進(jìn)行定時(shí)巡檢，但由于其范圍大、跨度廣、地形復(fù)雜、數(shù)量眾多等特點(diǎn)導(dǎo)致人力巡檢方法成本高、效率低、安全性差。近年來，隨著無人機(jī)與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)已廣泛應(yīng)用于偵察、巡邏、救援、測(cè)繪等領(lǐng)域。為了提升故障巡檢效率，降低安全監(jiān)測(cè)成本，保障石油開采安全，如何基于無人機(jī)技術(shù)開發(fā)一套高效、安全、實(shí)時(shí)的全自動(dòng)智能巡檢系統(tǒng)成為目前亟待解決的問題。

隨著電子科技領(lǐng)域的飛速發(fā)展，以往只能在地面上應(yīng)用部署的設(shè)備做到微型化、集成化、輕便化后，各類型“高精尖”傳感器改造“上天”與無人機(jī)平臺(tái)相結(jié)合，使整個(gè)飛行平臺(tái)應(yīng)用面更加靈活、多元，其不僅可以搭配可見光鏡頭執(zhí)行常規(guī)日間巡檢巡查任務(wù)，還可以裝配激光雷達(dá)、激光氣體探測(cè)器、多光譜、熱成像等各類掛載執(zhí)行三維測(cè)繪、地表工業(yè)品、農(nóng)作物勘察、夜間安全防衛(wèi)等特種任務(wù)，但對(duì)于大慶油田這種生產(chǎn)設(shè)施密集且幅員遼闊的特殊情景，無人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)仍然難以完全發(fā)揮，大規(guī)模應(yīng)用反而受到無人機(jī)操控人員數(shù)量、技術(shù)水平、培訓(xùn)成本制約，管理難度隨之加大，與引入無人機(jī)降本增效的初衷相悖。

1 系統(tǒng)組成與功能分析

系統(tǒng)由無人機(jī)自主飛行、集群調(diào)度、任務(wù)管控、智能分析、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)控、數(shù)據(jù)成果處理、通信數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)、地基增強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)等分系統(tǒng)組成。各分系統(tǒng)運(yùn)行方式如下：

1.1 小隊(duì)級(jí)區(qū)域自動(dòng)化巡檢

操作人員擺脫傳統(tǒng)手持遙控器手控?zé)o人機(jī)執(zhí)行巡檢任務(wù)，而在小隊(duì)級(jí)前線控制室內(nèi)，通過電腦終端對(duì)無人機(jī)進(jìn)行指令操作，根據(jù)生產(chǎn)情景與環(huán)境線上預(yù)設(shè)飛行計(jì)劃任務(wù)，任務(wù)類型可覆蓋集輸管道巡檢、采油設(shè)施巡檢、電力線路設(shè)備巡檢等應(yīng)用場(chǎng)景。指令下達(dá)后，在小隊(duì)級(jí)簡易起降場(chǎng)、固定式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)、移動(dòng)式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)等各類場(chǎng)地條件下同時(shí)起飛至少2架無人機(jī)自動(dòng)執(zhí)行巡檢任務(wù)，無人機(jī)升空利用高點(diǎn)專用數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信號(hào)將圖像及高度、速度、經(jīng)緯度、云臺(tái)角度、鏡頭倍數(shù)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳控制室服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)二次回傳云計(jì)算中心，檢測(cè)數(shù)據(jù)完整性后進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)圖像視頻流進(jìn)行分析識(shí)別，當(dāng)計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)算法匹配到電力系統(tǒng)、采油設(shè)施等隱患疑似問題后，數(shù)據(jù)返回前端控制室，并提示監(jiān)控人員無人機(jī)所在位置、巡檢目標(biāo)信息以及疑似問題，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前無人機(jī)狀態(tài)，給出處理意見，例如提示切換手動(dòng)模式，執(zhí)行熱點(diǎn)環(huán)繞、降高、鏡頭變倍、附近無人機(jī)支援等選項(xiàng)，對(duì)疑似問題點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)復(fù)查，或繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)巡檢任務(wù)，或返航等。任務(wù)執(zhí)行完成，無人機(jī)自動(dòng)返航。無人機(jī)落地后，后臺(tái)輸出本次飛行日志與缺陷報(bào)告，并在大屏中進(jìn)行二次提醒，巡檢文件自動(dòng)存儲(chǔ)至當(dāng)次任務(wù)目錄中，供隨時(shí)調(diào)取查看和管理。

1.2 移動(dòng)式作業(yè)小隊(duì)巡檢

移動(dòng)式巡檢方式可填補(bǔ)小隊(duì)級(jí)巡查無人機(jī)航程不可達(dá)的巡檢區(qū)域，作業(yè)流程為無人機(jī)到達(dá)預(yù)定區(qū)域內(nèi)，利用手持控制端同步任務(wù)數(shù)據(jù)，執(zhí)行安全操作規(guī)程后起飛無人機(jī)對(duì)所在區(qū)域生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行例行或臨時(shí)巡檢，通過移動(dòng)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)鏈將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳至云端服務(wù)器，獲取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析等服務(wù)。

1.3 廠部級(jí)指揮調(diào)度

通過企業(yè)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)同步獲取生產(chǎn)地域內(nèi)所有無人機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)，通過大數(shù)據(jù)可視化交互界面掌握無人機(jī)可在指揮中心實(shí)時(shí)查看任意作業(yè)中的無人機(jī)空中圖像，調(diào)取掌控全局實(shí)現(xiàn)一體化管理、一體化運(yùn)行、一體化調(diào)控的油田生產(chǎn)指揮體系，為生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、產(chǎn)能運(yùn)行、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)保障、運(yùn)行監(jiān)控、報(bào)警預(yù)警、調(diào)度運(yùn)行、應(yīng)急管理提供決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以部署方式劃分為無人機(jī)端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和云端系統(tǒng)兩大部分，正在巡檢的各無人機(jī)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集油田設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并發(fā)送給云端系統(tǒng)。云端系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)展現(xiàn)層等幾部分，在對(duì)無人機(jī)端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換、計(jì)算、存儲(chǔ)等操作后，將分析處理后的結(jié)果呈現(xiàn)給運(yùn)維管理者。

云資源包含運(yùn)行底層服務(wù)的各類虛擬應(yīng)用服務(wù)器，負(fù)責(zé)后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，感知無人機(jī)運(yùn)行態(tài)勢(shì)，分析潛在風(fēng)險(xiǎn)，為操控人員及決策者提供突發(fā)情況預(yù)警提示，運(yùn)維和管控系統(tǒng)所有服務(wù)運(yùn)行；高性能集群計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)運(yùn)行海量數(shù)據(jù)影像處理、AI識(shí)別分析、標(biāo)準(zhǔn)庫模型訓(xùn)練等對(duì)計(jì)算能力要求較高的進(jìn)程。前端邊緣服務(wù)器負(fù)責(zé)與無人機(jī)的雙向數(shù)據(jù)鏈通信、運(yùn)行指令以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步、核心服務(wù)熱備份以及系統(tǒng)支撐服務(wù)的獲取等職能。詳細(xì)功能要求如下：

（1）支持多種多旋翼、垂直起降固定翼無人機(jī)飛行平臺(tái)接入系統(tǒng)，可根據(jù)需要重新匹配原有遙控器。多旋翼圖數(shù)一體數(shù)據(jù)鏈通信距離至少達(dá)到15公里，垂直起降固定翼至少20公里。

（2）部分無人機(jī)不具備數(shù)據(jù)及圖像與無人機(jī)平臺(tái)互聯(lián)互通的條件，這時(shí)需要開發(fā)一套飛行數(shù)據(jù)獲取的補(bǔ)充手段，用來對(duì)無人機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)全過程進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，包含一套基于4G互聯(lián)網(wǎng)的外置定位裝置（固定于無人機(jī)機(jī)體上）及4G單兵模塊分別獲取無人機(jī)位置及圖像，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)將數(shù)據(jù)回傳指揮中心。

（3）機(jī)載AI利用邊緣計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)自主避障、實(shí)時(shí)通信、安全風(fēng)險(xiǎn)自主判斷與處置保障飛行安全。

（4）監(jiān)控中心在實(shí)景地圖中實(shí)時(shí)記錄正在執(zhí)飛無人機(jī)的運(yùn)行軌跡與空中圖像，實(shí)景地圖需要顯示所對(duì)應(yīng)的巡檢目標(biāo)名稱類型等信息，支持在地圖中標(biāo)記疑似問題點(diǎn)并以文本形式錄入信息。

（5）地圖引擎，要求可以導(dǎo)入CC、PIX4D、大疆制圖輸出的傾斜攝影模型和正射影像圖像成果，以地圖瓦片的形式在地圖引擎中進(jìn)行360度展示，格式包括OBJ、OSGB、TIFF格式。

（6）大數(shù)據(jù)中心圖形化、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示歷史任務(wù)相關(guān)信息，支持任務(wù)檢索與詳情查看，數(shù)據(jù)匯總與統(tǒng)計(jì)分析。

（7）航線自動(dòng)規(guī)劃。①對(duì)于移動(dòng)式巡檢，根據(jù)不同機(jī)型，智能規(guī)劃航線，智能分割無人機(jī)單架次航線，并規(guī)劃起降位置。②精準(zhǔn)定位巡檢對(duì)象,根據(jù)桿塔類型、電壓智能生成準(zhǔn)確化、細(xì)節(jié)化、安全化的巡檢航線，航線中每一航點(diǎn)包括坐標(biāo)位置、高度、云臺(tái)角度、停留時(shí)長等信息，支持航線個(gè)性化編輯、調(diào)整。自動(dòng)完成輸配電線路的精細(xì)化巡視（配合RTK實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位），包括手動(dòng)模式、學(xué)習(xí)模式、巡視模式，自動(dòng)返航。③支持后臺(tái)二次編輯航線，包括修正起降位置、調(diào)整航高航點(diǎn)。④智能分配隨行車輛行進(jìn)路線，匹配飛機(jī)起降位置。⑤三維/二維GIS中可視化預(yù)演飛行路線和車輛行進(jìn)路線。

（8）圖像處理分系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動(dòng)分揀、命名照片，通過窗口界面批量更改文件路徑、名稱、增刪等，減少圖像整理工作量。

（9）圖像識(shí)別告警系統(tǒng)。①電力巡檢隱患識(shí)別：可見光拍攝的照片/視頻，需實(shí)時(shí)識(shí)別鳥窩、線下房屋、大型施工機(jī)械、外破施工等隱患問題，智能識(shí)別絕緣子串、防振錘、掛點(diǎn)等部件缺陷。對(duì)于熱成像圖像，需自動(dòng)判別電力線溫度，監(jiān)測(cè)到超預(yù)設(shè)值溫度的情況提醒監(jiān)控人員處理。管道巡檢隱患識(shí)別：對(duì)可見光照片/視頻中出現(xiàn)的車輛、施工人員、房屋、漏油進(jìn)行識(shí)別告警，自動(dòng)抽幀并鎖定隱患地理坐標(biāo)，提醒監(jiān)控人員處理。②采油巡檢設(shè)施識(shí)別：對(duì)可見光照片/視頻中抽油機(jī)進(jìn)行工況判斷，自動(dòng)判別抽油機(jī)是否停機(jī)，對(duì)出現(xiàn)的車輛、人員、動(dòng)物、漏油進(jìn)行識(shí)別告警，自動(dòng)抽幀并鎖定隱患地理坐標(biāo)，提醒監(jiān)控人員處理。

（10）天氣預(yù)警與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)2小時(shí)內(nèi)天氣情況，有風(fēng)力過大、下雨等天氣突變風(fēng)險(xiǎn)，無人機(jī)自動(dòng)返航。

（11）后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信號(hào)質(zhì)量，參數(shù)包含實(shí)時(shí)流量、歷史數(shù)據(jù)、日志、數(shù)據(jù)延遲、丟包數(shù)。

（12）處在同一局域網(wǎng)絡(luò)的多套天線為大疆無人機(jī)同時(shí)提供圖數(shù)一體信號(hào)中繼。

3 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)發(fā)展已步入信息化、自動(dòng)化、智能化階段，行業(yè)內(nèi)技術(shù)實(shí)力領(lǐng)先的廠家已經(jīng)推出了許多成熟的解決方案，并在眾多領(lǐng)域進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用，取得了令人滿意的效果，現(xiàn)有條件足以支撐油田開展無人機(jī)自動(dòng)巡檢平臺(tái)的規(guī)劃建設(shè)，來突破業(yè)務(wù)發(fā)展中所面臨的瓶頸。那么，無人機(jī)自動(dòng)巡檢平臺(tái)建設(shè)應(yīng)超前規(guī)劃、提前布局，依托大慶油田產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢(shì)，先于市場(chǎng)資本有目的地建設(shè)實(shí)驗(yàn)性試點(diǎn)，突出系統(tǒng)的先進(jìn)性與適用性，形成頂端優(yōu)勢(shì)，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，迅速占據(jù)油田市場(chǎng)。整套無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)將是贏得這場(chǎng)沒有硝煙戰(zhàn)爭(zhēng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，更是能否推動(dòng)全油田部署無人機(jī)進(jìn)行巡檢巡查、打造億元項(xiàng)目產(chǎn)值的關(guān)鍵。