田明亮(浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著管道里程快速增加，管道安全也愈發(fā)受到人們的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，第三方施工和地質(zhì)災(zāi)害是威脅管道安全運(yùn)行的最主要因素，因此管道公司需要定期對管道進(jìn)行巡檢。傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在著效率低、干擾因素多的問題。因此，越來越多的公司開始使用無人機(jī)來代替人工進(jìn)行巡檢。

無人機(jī)具有體積小、激動靈活、操作方便、不受自然環(huán)境干擾的特點(diǎn)，可以大幅提高管道巡檢的效率和精度，眾多學(xué)者針對無人機(jī)巡檢進(jìn)行了深入研究，取得了一定的成果[1]。劉凱等改進(jìn)了快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(RRT)算法，改進(jìn)后的算法可以讓無人機(jī)自行生成路徑短、平滑的避障路徑，有效解決了無人機(jī)飛行過程中規(guī)避的障礙物問題[2]；劉寒迪將SSD算法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了航拍過程中目標(biāo)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]；陳星輝以無人機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套功能強(qiáng)大的管道監(jiān)管系統(tǒng)，讓一線員工時(shí)刻了解管道運(yùn)行狀態(tài)[4]；為了解決無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)多的問題，陳兆龍?zhí)岢隼脽o人機(jī)搭載的CPU處理器自行篩選、處理航拍數(shù)據(jù)，然后再將有效的信息傳回后端處理器[5]。

可以看出，在研究無人機(jī)巡檢過程時(shí)，學(xué)者們主要進(jìn)行的是共性研究，并沒有考慮到管道行業(yè)的實(shí)際需求和現(xiàn)狀。針對這種情況，本文從管道公司實(shí)際需求出發(fā)，將無人機(jī)定點(diǎn)飛行技術(shù)、圖像識別技術(shù)和4G通信技術(shù)結(jié)合，提出一種基于無人機(jī)的山區(qū)天然氣管道智能巡檢系統(tǒng)，可以有效識別管道周圍的非法施工和地質(zhì)災(zāi)害，保護(hù)管道安全。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 視覺識別技術(shù)

視覺識別技術(shù)是一種人工智能技術(shù)，它以輸入的外部信息和建立的樣本庫為基礎(chǔ)來感知外部信息、發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)因素，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷監(jiān)控，在安防、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6]。

視覺識別流程如圖1所示，主要包括5個(gè)步驟：(1)建立管道周圍兩側(cè)危險(xiǎn)因素的樣本庫，如：塌方、挖掘機(jī)作業(yè)等，分析不同視角下這些危險(xiǎn)因素的圖像特征；(2)讀取無人機(jī)航拍攝像頭拍下的管道沿線圖片資料；(3采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析圖片中的實(shí)體特征；(4)對比采集到的實(shí)體特征和樣本庫中的危險(xiǎn)因素特征，判斷管道周圍是否存在危險(xiǎn)因素；(5)檢測到危險(xiǎn)因素時(shí)，系統(tǒng)自動將相應(yīng)的圖片保存下來并發(fā)出報(bào)警信息，反之則不會有任何動作。

圖1 視覺識別技術(shù)原理

1.2 無人機(jī)精準(zhǔn)定位技術(shù)

巡檢時(shí)，無人機(jī)需要在相鄰閥室、站場內(nèi)進(jìn)行起降作業(yè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位是無人機(jī)巡檢的前提條件，本文以QR碼作為定位指示物來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)精準(zhǔn)定位，它采用標(biāo)準(zhǔn)化編碼模式來存儲數(shù)據(jù)，具有讀取速度快、存儲容量大的優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)品追蹤、物體識別等方面受到廣泛應(yīng)用。

QR碼定位主要分為三個(gè)步驟：(1)利用無人機(jī)搭載的攝像頭對QR碼圖片進(jìn)行平滑濾波，尋找具有兩個(gè)子輪廓特征的輪廓，再從篩選出的輪廓中選擇面積最接近的三個(gè)輪廓作為三角定位點(diǎn)；(2)將三角定位點(diǎn)形成的最大角所在的輪廓位置視為右上角，然后根據(jù)該角兩條邊的角度確定另外兩個(gè)定位點(diǎn)的位置，進(jìn)而判斷三角定位點(diǎn)所處的位置；(3)根據(jù)這些特征判斷無人機(jī)相對于QR碼所處的位置[7-8]。

1.3 通訊技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)都開始使用這些技術(shù)，并且進(jìn)一步挖掘他們的潛力[9]。

在無人機(jī)巡檢和自動飛行過程中，都需要使用4G通訊技術(shù)將無人機(jī)、起降臺連接管理后臺服務(wù)器，方便后臺作業(yè)人員時(shí)刻了解無人機(jī)的飛行狀態(tài)、飛行數(shù)據(jù)以及周圍環(huán)境情況等信息。

2 無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 巡檢系統(tǒng)組成

無人機(jī)自動巡檢系統(tǒng)組成如圖2所示，圖中1、2、3、4分別代表管道、無人機(jī)、停機(jī)場、服務(wù)器。其中，起降臺上放置一個(gè)QR碼用于無人機(jī)降落時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

圖2 自動巡檢系統(tǒng)組成

2.2 無人機(jī)組成

為了完成自動巡檢任務(wù)，需要給無人機(jī)搭載攝像機(jī)、通訊器、定位器、內(nèi)存卡。攝像機(jī)將管道沿線所有的信息拍攝、記錄下來；定位器用于記錄無人機(jī)的位置，幫助后臺人員了解無人機(jī)的飛行軌跡，防止無人機(jī)發(fā)生“失蹤”；內(nèi)存卡用于存儲航拍過程中的數(shù)據(jù)；無人機(jī)采用MQTT協(xié)議分別連接起降臺和服務(wù)器，用于判斷起降臺的狀態(tài)、接收服務(wù)器的指令、上傳無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)傳遞給終端服務(wù)器以及拍攝數(shù)據(jù)。

2.3 起降臺組成

停機(jī)場由停機(jī)臺、上位機(jī)、充電口以及數(shù)據(jù)收集器組成。停機(jī)臺用于供搭載無人機(jī)，數(shù)據(jù)收集器用于收集無人機(jī)的航拍數(shù)據(jù)，上位機(jī)用于感知無人機(jī)的起降申請、控制停機(jī)臺做出相應(yīng)動作、控制充電口為無人機(jī)充電并且將收集的航拍數(shù)據(jù)傳送給終端服務(wù)器。

2.4 服務(wù)器組成

服務(wù)器由數(shù)據(jù)處理器、通訊單元、顯示屏組成。用于下達(dá)準(zhǔn)備飛行指令、指定無人機(jī)的飛行模式、下達(dá)飛行指令、查看飛行數(shù)據(jù)、顯示調(diào)查地點(diǎn)現(xiàn)場圖像、終止飛行任務(wù)以及處理航拍數(shù)據(jù)等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)工作流程如圖3所示，主要分為三個(gè)階段：起飛階段、巡航階段以及降落階段。

圖3 巡檢系統(tǒng)工作流程

3.1 起飛階段

服務(wù)器向無人機(jī)和停機(jī)場發(fā)送準(zhǔn)備起飛請求后，調(diào)取停機(jī)場周圍氣象數(shù)據(jù)和人類活動影像呈現(xiàn)在顯示屏上，判斷是否滿足起飛條件，如果不滿足起飛條件，則等停機(jī)場周圍環(huán)境改變后再重新判斷，直到滿足起飛條件為止。

3.2 巡航階段

無人機(jī)起飛到達(dá)指定飛行高度后，開啟攝像機(jī)，按照預(yù)定航線巡查整條管道，每分鐘拍攝30張照片。同時(shí)無人機(jī)搭載的通訊模塊會將無人機(jī)的當(dāng)前坐標(biāo)、飛行速度、離地高度、電池電量以及距目標(biāo)停機(jī)場的剩余航程實(shí)時(shí)傳輸回服務(wù)器的通訊單元。同時(shí)服務(wù)器還可以獲取無人機(jī)飛行航線上的氣象條件以及目標(biāo)停機(jī)場的狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在終端服務(wù)器的顯示屏上，操作人員通過這些數(shù)據(jù)判斷無人機(jī)是否具備繼續(xù)飛行的能力，如果能，則繼續(xù)飛行至目標(biāo)停機(jī)場，如果不能，操作人員就下達(dá)強(qiáng)制返程指令，接收到這一命令后，無人機(jī)將原路返回至起飛時(shí)的停機(jī)場降落。

3.3 降落階段

降落后，無人機(jī)一邊充電，一邊將航拍數(shù)據(jù)上傳給停機(jī)場上的數(shù)據(jù)收集模塊，等待下一次飛行任務(wù)。數(shù)據(jù)收集模塊采集完無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理器，操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析管道周圍的危險(xiǎn)因素、評估管道的安全狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文提及的無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)可以用于山區(qū)管道定期巡檢作業(yè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道周圍存在的非法施工作業(yè)、地質(zhì)塌方等危險(xiǎn)因素，減少一線人員的勞動量，降低他們的負(fù)擔(dān)，有效提升山區(qū)管道的安全管理水平，具備很高的推廣價(jià)值。