無人機管理系統(tǒng)的初建與效果分析

孫麗麗

（大慶油田信息技術(shù)公司無人機項目經(jīng)理部，黑龍江 大慶 163000）

2019年，通過對大慶油田20 家單位的需求調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大慶油田地域面積廣闊，各類井、站、管線、電線多區(qū)域分布，而且大部分環(huán)境復雜，人員巡檢難度大，這些現(xiàn)實問題恰好為無人機在油田中提供了廣闊的展示空間。按照油田公司的要求，信息技術(shù)公司先后完成無人機業(yè)務資質(zhì)申請、空域?qū)徟⒃O(shè)備招標、飛手培訓等工作。但通過大量的驗證飛行后發(fā)現(xiàn)，按部就班地采用無人機開展業(yè)務以來，工作效率上升到一個瓶頸，再次提高需另辟蹊徑。經(jīng)工作人員根據(jù)油田發(fā)展現(xiàn)狀，并綜合國內(nèi)國際無人機工作模式的發(fā)展趨勢，要提高就要建成一套擁有健全的無人機運行管理體系、完備的監(jiān)管手段、先進的無人機數(shù)據(jù)處理與管控技術(shù)的系統(tǒng)。

1 功能實現(xiàn)目標概述

無人機管理與服務系統(tǒng)是一套集人員、設(shè)備、任務、數(shù)據(jù)管理于一體的綜合性管理系統(tǒng)。

1.1 規(guī)范化管理，信息化指揮，專業(yè)化監(jiān)管，節(jié)約整體投資

無人機管理與服務系統(tǒng)對無人機操作人員、無人機及掛載設(shè)備的運行、維護進行系統(tǒng)化的指引。提示操作人員資格核審、安全飛行，強調(diào)設(shè)備的合法合規(guī)使用和維護保養(yǎng)。統(tǒng)籌考慮大慶油田無人機應用的整體規(guī)劃，針對不同專業(yè)領(lǐng)域規(guī)劃操作規(guī)程與巡檢規(guī)范細則，規(guī)范化管理，信息化指揮，專業(yè)化監(jiān)管，滿足生產(chǎn)實際需求，節(jié)約整體投資的目的。

1.2 降本增效

目前，無人機采集的視頻數(shù)據(jù)通過移動存儲設(shè)備進行轉(zhuǎn)存，如大規(guī)模應用無人機進行飛行作業(yè)，在信息傳遞和成果遞交的過程中，不但巡檢時效性和數(shù)據(jù)存儲安全性無法保證，并且在交付成果過程中，存在交通成本和時間成本。無人機管理與服務系統(tǒng)將無人機采集得到的影像數(shù)據(jù)資料統(tǒng)一存儲，可以對數(shù)據(jù)資料進行系統(tǒng)化管理，不但便于各部門及時按需調(diào)取查看，還能為計算機深度學習提供數(shù)據(jù)支撐，為后期研發(fā)更多如車輛車牌智能識別、違章施工自動告警等功能模塊完善算法。

1.3 增強數(shù)據(jù)處理時效性

無人機采集的數(shù)據(jù)分為視頻數(shù)據(jù)和照片數(shù)據(jù)，照片數(shù)據(jù)通常為高清照片和正射影像，在以往的測繪制圖領(lǐng)域，正射影像需要專業(yè)的工具進行拼接，成果用于高精度專題地圖和遙感影像分析。傳統(tǒng)的影像處理方法周期較長、效率較低，對于油田設(shè)施巡檢，主要目的為識別目標發(fā)現(xiàn)問題，時效性要求更強，不要求高精度定位，所以需要研究正射影像快速拼接技術(shù)，采用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)分析影像，及時反饋現(xiàn)場信息，為油田生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成依據(jù)前期用戶實際生產(chǎn)需求調(diào)研分析的結(jié)果，充分發(fā)揮任務部署的效能，保證飛行作業(yè)的安全合規(guī)執(zhí)行，并確保建設(shè)方案順利實施。據(jù)此研究、論證，設(shè)計管理與服務系統(tǒng)由五個模塊構(gòu)成：人員與設(shè)備信息管理、任務管理、飛行作業(yè)管理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理。

2.1 人員與設(shè)備信息管理

該模塊應具備人員及設(shè)備臺賬管理，飛手執(zhí)照到期提醒，無人機保險到期提醒，飛手、無人機及其載荷、地面站的健康管理，電池使用次數(shù)統(tǒng)計計數(shù)等功能。

2.2 任務管理

為保障飛行作業(yè)安全高效、符合規(guī)程，該模塊須開發(fā)飛行任務管理各項功能，包括作業(yè)任務制定和下發(fā)、航線規(guī)劃與推送、位置信息臺賬管理、歷史任務、航線查詢等。

2.3 飛行作業(yè)管理

該模塊具備無人機圖像實時回傳、無人機巡查目標車輛及車牌識別、圖像資料存儲、飛行日志記錄、空域申請報批、氣象情報實時更新與記錄、無人機飛行參數(shù)監(jiān)控、軌跡跟蹤與記錄、無人機故障信息告警、電子圍欄建立、無人機越界告警的綜合管控功能。系統(tǒng)基于BD/GPS 或移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對無人機運行數(shù)據(jù)（包括位置、高度、速度等）進行實時動態(tài)監(jiān)測，對無人機飛行進行定位、跟蹤、記錄、分析，并將相應參數(shù)記錄入庫，存儲備查。

2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

（1）正射影像拼接。①原始影像采集，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》對于飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量的要求，進行飛行作業(yè)采集原始圖像和POS 數(shù)據(jù)信息。②圖像預處理，密集點云糾正相片中地物，將原始圖像進行畸變矯正。③影像匹配，加地面控制點，解析空中三角測量。④建立模型，輸出DEM。

（2）正射影像圖像對比分析。利用影像中目標特征信息組合的方式，構(gòu)建分類規(guī)則和模糊分類規(guī)則，通過反復試驗，不斷調(diào)整這些特征的閾值，獲得最優(yōu)的分類規(guī)則，以此對比分析兩期或多期正射影像的變化，對于大范圍的正射影像巡檢數(shù)據(jù)而言，更有利于管理人員快速了解巡檢區(qū)域的變化情況，針對這些區(qū)域進行對應的工作安排。

2.5 系統(tǒng)管理

該模塊為其他模塊服務，管理其他各模塊中操作和查詢者的權(quán)限分配和設(shè)定，劃分組織架構(gòu)，日志存儲的和使用。

3 技術(shù)解決方案

（1）平臺系統(tǒng)解決方案部分。系統(tǒng)整體框架分應用層、服務層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)架構(gòu)四個層次。通過選用合適的云服務與云服務器組成具備云計算、物聯(lián)網(wǎng)、流媒體處理、大數(shù)據(jù)集群、圖形處理、云存儲、安全防護、信息交互等能力的云平臺系統(tǒng)，并依托強大的虛擬硬件環(huán)境開發(fā)實現(xiàn)管理與服務系統(tǒng)的各項功能。

（2）飛行作業(yè)信息化管理解決方案。①飛行作業(yè)調(diào)度人員接到飛行任務后，根據(jù)現(xiàn)場情況和任務需求制定飛行任務計劃書，任務編輯模塊可以新建或讀取數(shù)據(jù)庫的已建臺賬信息，選取飛手、無人機及配套設(shè)備、禁飛區(qū)域，并填寫任務執(zhí)行時間、期限、地點等信息。②輸入飛行任務目標GPS信息，管理系統(tǒng)為無人機自動設(shè)定最優(yōu)航線，航線應自動規(guī)避禁飛區(qū)域及限飛區(qū)域。③飛行作業(yè)管理人員審查飛行作業(yè)計劃書和航線信息符合要求后，上傳管理系統(tǒng)。④作業(yè)人員獲取任務更新提醒，下載任務作業(yè)書和航線信息，飛手可以根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應調(diào)整。⑤現(xiàn)場作業(yè)完成后，飛手通過終端回執(zhí)任務完成情況。

（3）無人機電子圍欄功能實現(xiàn)。實現(xiàn)電子圍欄管理與無人機越界告警功能，需要完成的實物工作量：管理系統(tǒng)電子圍欄數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建，動態(tài)發(fā)布機制制定，無人機系統(tǒng)接口標準匹配，防侵入（告警）建模，無人機與監(jiān)管系統(tǒng)電子圍欄測試。

實現(xiàn)禁飛區(qū)規(guī)劃、管理、越界告警功能，可防止無人機侵入軍事、政治、經(jīng)濟等重要目標區(qū)域。按照其在水平面投影幾何形狀可以分為三種：民用航空機場障礙物限制面、扇區(qū)形、多邊形。無人機圍欄模型采用4 維空間結(jié)構(gòu)，包括平面地理區(qū)域經(jīng)度、緯度，限制高度，禁飛時間。

研究和制定基于無人機云系統(tǒng)的機載電子圍欄數(shù)據(jù)接口，使管理系統(tǒng)的電子圍欄數(shù)據(jù)服務于無人機系統(tǒng)。接入管理系統(tǒng)的無人機應實時上傳飛行數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)對侵入無人機圍欄的無人機具有報警功能。

管理系統(tǒng)與現(xiàn)行軍民航空管系統(tǒng)（通用航空飛行服務站等）實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建涵蓋有人、無人飛行器的完整低空飛行監(jiān)控體系；建立無人機主動、被動加入云平臺的監(jiān)管機制，明確接口數(shù)據(jù)規(guī)范；實時采集各類低空通信、導航、監(jiān)視數(shù)據(jù)，準確監(jiān)控各類飛行動態(tài)。

（4）無人機影像實時回傳與車輛信息識別。要實現(xiàn)終端實時觀看無人機影像，需無人機廠商開放SDK 后，對無人機SDK 進行封裝分析、接口調(diào)試，再與平臺服務器端口進行對接。

飛行作業(yè)影像數(shù)據(jù)實時回傳指揮中心，經(jīng)校驗合格后，上傳至云存儲服務器。如果需要識別車輛信息包括車牌號碼，調(diào)用計算機圖像識別功能進行實現(xiàn)。

影像數(shù)據(jù)根據(jù)權(quán)限可以隨時調(diào)用，同時也可根據(jù)企業(yè)管理的需求，和其他生產(chǎn)指揮系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，如：通過平臺進行隱患標注可進行隱患的實時通知，可直接對接至相關(guān)應急管理部門相應平臺，通知相關(guān)人員進行及時處理。

4 效果分析

自2020年9月，無人機管理與服務系統(tǒng)正式上線試運行。該系統(tǒng)是大慶油田首個實現(xiàn)了基于無人機的生產(chǎn)指揮、任務管控、數(shù)據(jù)處理、服務共享于一身的系統(tǒng)平臺，面向管理決策層、任務執(zhí)行層、終端用戶層提供了一套綜合性的無人機應用解決方案，實現(xiàn)全業(yè)務、全鏈條的綜合管控。結(jié)合行業(yè)規(guī)范、企業(yè)規(guī)范，建立了適應大慶油田的無人機運行管理體系，實現(xiàn)了無人機運行管理制度、操作規(guī)范、作業(yè)流程的網(wǎng)絡(luò)化、平臺化。

通過對飛控系統(tǒng)的二次研發(fā)，實現(xiàn)天空端到服務端的飛行數(shù)據(jù)實時回傳，使監(jiān)控中心可以對開機運行的無人機進行實時監(jiān)測。針對大慶油田地表較為平坦且精度需求不高的情況，改進現(xiàn)有圖像拼接處理技術(shù)，適當減少圖像預處理環(huán)節(jié)的計算步驟，降低圖像配準精度，優(yōu)化空三測量算法，實現(xiàn)對油田地表的快速勘察測量，實測成果輸出效率是行業(yè)成熟軟件的2 倍。實現(xiàn)了不同類型無人機作業(yè)成果類型的數(shù)據(jù)處理和分析方法，包括巡檢隱患標注、空間測量、實時軌跡輸出等技術(shù)。

5 結(jié)語

該項目完成了設(shè)計之初的全部研究推廣任務，達到了預期目標，下一階段結(jié)合具體應用場景，重點研究智能圖像分析識別技術(shù)和無人機通信數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，推進等保測評整改進度，提升無人機自動化、智能化技術(shù)水平，擴大無人機應用覆蓋面，促進無人機技術(shù)能夠更好地為油田與企業(yè)服務。