無人機自動化智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)探討

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輸電線路、輸油管道和抽油機進行定時巡檢，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，隨著無人機與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，無人機已廣泛應(yīng)用于偵察、巡邏、救援、測繪等領(lǐng)域。為了提升故障巡檢效率，降低安全監(jiān)測成本，保障石油開采安全，如何基于無人機技術(shù)開發(fā)一套高效、安全、實時的全自動智能巡檢系統(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”與無人機平臺相結(jié)合，使整個飛行平臺應(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、激光氣體探測器、多光譜、熱成像等各類掛載執(zhí)行三維測繪、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，無人機的技術(shù)優(yōu)勢仍然難以完全發(fā)揮，大規(guī)模應(yīng)用反而受到無人機操控人員數(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)由無人機自主飛行、集群調(diào)度、任務(wù)管控、智能分析、遠程實時測控、數(shù)據(jù)成果處理、通信數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)、地基增強、風險監(jiān)測等分系統(tǒng)組成。各分系統(tǒng)運行方式如下：

1.1 小隊級區(qū)域自動化巡檢

操作人員擺脫傳統(tǒng)手持遙控器手控無人機執(zhí)行巡檢任務(wù)，而在小隊級前線控制室內(nèi)，通過電腦終端對無人機進行指令操作，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)用場景。指令下達后，在小隊級簡易起降場、固定式自動機場、移動式自動機場等各類場地條件下同時起飛至少2架無人機自動執(zhí)行巡檢任務(wù)，無人機升空利用高點專用數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信號將圖像及高度、速度、經(jīng)緯度、云臺角度、鏡頭倍數(shù)等動態(tài)數(shù)據(jù)實時回傳控制室服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)二次回傳云計算中心，檢測數(shù)據(jù)完整性后進行存儲，同時高性能計算節(jié)點對圖像視頻流進行分析識別，當計算機深度學(xué)習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)控人員無人機所在位置、巡檢目標信息以及疑似問題，系統(tǒng)根據(jù)當前無人機狀態(tài)，給出處理意見，例如提示切換手動模式，執(zhí)行熱點環(huán)繞、降高、鏡頭變倍、附近無人機支援等選項，對疑似問題點進行詳細復(fù)查，或繼續(xù)執(zhí)行自動巡檢任務(wù)，或返航等。任務(wù)執(zhí)行完成，無人機自動返航。無人機落地后，后臺輸出本次飛行日志與缺陷報告，并在大屏中進行二次提醒，巡檢文件自動存儲至當次任務(wù)目錄中，供隨時調(diào)取查看和管理。

1.2 移動式作業(yè)小隊巡檢

移動式巡檢方式可填補小隊級巡查無人機航程不可達的巡檢區(qū)域，作業(yè)流程為無人機到達預(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)程后起飛無人機對所在區(qū)域生產(chǎn)設(shè)施進行例行或臨時巡檢，通過移動聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)鏈將實時數(shù)據(jù)回傳至云端服務(wù)器，獲取數(shù)據(jù)存儲、分析等服務(wù)。

1.3 廠部級指揮調(diào)度

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

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)以部署方式劃分為無人機端數(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平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集油田設(shè)備實時數(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)存儲層和數(shù)據(jù)展現(xiàn)層等幾部分，在對無人機端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸來的數(shù)據(jù)進行一系列的轉(zhuǎn)換、計算、存儲等操作后，將分析處理后的結(jié)果呈現(xiàn)給運維管理者。

云資源包含運行底層服務(wù)的各類虛擬應(yīng)用服務(wù)器，負責后臺實時監(jiān)測獲取動態(tài)數(shù)據(jù)，感知無人機運行態(tài)勢，分析潛在風險，為操控人員及決策者提供突發(fā)情況預(yù)警提示，運維和管控系統(tǒng)所有服務(wù)運行；高性能集群計算節(jié)點負責運行海量數(shù)據(jù)影像處理、AI識別分析、標準庫模型訓(xùn)練等對計算能力要求較高的進程。前端邊緣服務(wù)器負責與無人機的雙向數(shù)據(jù)鏈通信、運行指令以及實時數(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。詳細功能要求如下：

（1）支持多種多旋翼、垂直起降固定翼無人機飛行平臺接入系統(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)鏈通信距離至少達到15公里，垂直起降固定翼至少20公里。

（2）部分無人機不具備數(shù)據(jù)及圖像與無人機平臺互聯(lián)互通的條件，這時需要開發(fā)一套飛行數(shù)據(jù)獲取的補充手段，用來對無人機運轉(zhuǎn)全過程進行有效監(jiān)測，包含一套基于4G互聯(lián)網(wǎng)的外置定位裝置（固定于無人機機體上）及4G單兵模塊分別獲取無人機位置及圖像，利用移動互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)將數(shù)據(jù)回傳指揮中心。

（3）機載AI利用邊緣計算能力實現(xiàn)自主避障、實時通信、安全風險自主判斷與處置保障飛行安全。

（4）監(jiān)控中心在實景地圖中實時記錄正在執(zhí)飛無人機的運行軌跡與空中圖像，實景地圖需要顯示所對應(yīng)的巡檢目標名稱類型等信息，支持在地圖中標記疑似問題點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、實時、動態(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)計分析。

（7）航線自動規(guī)劃。①對于移動式巡檢，根據(jù)不同機型，智能規(guī)劃航線，智能分割無人機單架次航線，并規(guī)劃起降位置。②精準定位巡檢對象,根據(jù)桿塔類型、電壓智能生成準確化、細節(jié)化、安全化的巡檢航線，航線中每一航點包括坐標位置、高度、云臺角度、停留時長等信息，支持航線個性化編輯、調(diào)整。自動完成輸配電線路的精細化巡視（配合RTK實現(xiàn)厘米級定位），包括手動模式、學(xué)習模式、巡視模式，自動返航。③支持后臺二次編輯航線，包括修正起降位置、調(diào)整航高航點。④智能分配隨行車輛行進路線，匹配飛機起降位置。⑤三維/二維GIS中可視化預(yù)演飛行路線和車輛行進路線。

（8）圖像處理分系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動分揀、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）圖像識別告警系統(tǒng)。①電力巡檢隱患識別：可見光拍攝的照片/視頻，需實時識別鳥窩、線下房屋、大型施工機械、外破施工等隱患問題，智能識別絕緣子串、防振錘、掛點等部件缺陷。對于熱成像圖像，需自動判別電力線溫度，監(jiān)測到超預(yù)設(shè)值溫度的情況提醒監(jiān)控人員處理。管道巡檢隱患識別：對可見光照片/視頻中出現(xiàn)的車輛、施工人員、房屋、漏油進行識別告警，自動抽幀并鎖定隱患地理坐標，提醒監(jiān)控人員處理。②采油巡檢設(shè)施識別：對可見光照片/視頻中抽油機進行工況判斷，自動判別抽油機是否停機，對出現(xiàn)的車輛、人員、動物、漏油進行識別告警，自動抽幀并鎖定隱患地理坐標，提醒監(jiān)控人員處理。

（10）天氣預(yù)警與實時監(jiān)測，預(yù)測2小時內(nèi)天氣情況，有風力過大、下雨等天氣突變風險，無人機自動返航。

（11）后臺實時監(jiān)測無人機數(shù)據(jù)鏈信號質(zhì)量，參數(shù)包含實時流量、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同時提供圖數(shù)一體信號中繼。

3 結(jié)語

無人機技術(shù)發(fā)展已步入信息化、自動化、智能化階段，行業(yè)內(nèi)技術(shù)實力領(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)域進行試驗性應(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自動巡檢平臺的規(guī)劃建設(shè)，來突破業(yè)務(wù)發(fā)展中所面臨的瓶頸。那么，無人機自動巡檢平臺建設(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，先于市場資本有目的地建設(shè)實驗性試點，突出系統(tǒng)的先進性與適用性，形成頂端優(yōu)勢，制定相關(guān)標準，迅速占據(jù)油田市場。整套無人機智能巡檢系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)將是贏得這場沒有硝煙戰(zhàn)爭的核心競爭力，更是能否推動全油田部署無人機進行巡檢巡查、打造億元項目產(chǎn)值的關(guān)鍵。