基于無人機的山區天然氣管道智能巡檢系統設計與應用

田明亮(浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著管道里程快速增加，管道安全也愈發受到人們的重視。據統計，第三方施工和地質災害是威脅管道安全運行的最主要因素，因此管道公司需要定期對管道進行巡檢。傳統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來代替人工進行巡檢。

無人機具有體積小、激動靈活、操作方便、不受自然環境干擾的特點，可以大幅提高管道巡檢的效率和精度，眾多學者針對無人機巡檢進行了深入研究，取得了一定的成果[1]。劉凱等改進了快速擴展隨機樹(RRT)算法，改進后的算法可以讓無人機自行生成路徑短、平滑的避障路徑，有效解決了無人機飛行過程中規避的障礙物問題[2]；劉寒迪將SSD算法進行了改進，提高了航拍過程中目標檢測結果的準確性[3]；陳星輝以無人機技術為基礎，設計了一套功能強大的管道監管系統，讓一線員工時刻了解管道運行狀態[4]；為了解決無人機航拍數據多的問題，陳兆龍提出利用無人機搭載的CPU處理器自行篩選、處理航拍數據，然后再將有效的信息傳回后端處理器[5]。

可以看出，在研究無人機巡檢過程時，學者們主要進行的是共性研究，并沒有考慮到管道行業的實際需求和現狀。針對這種情況，本文從管道公司實際需求出發，將無人機定點飛行技術、圖像識別技術和4G通信技術結合，提出一種基于無人機的山區天然氣管道智能巡檢系統，可以有效識別管道周圍的非法施工和地質災害，保護管道安全。

1 相關技術

1.1 視覺識別技術

視覺識別技術是一種人工智能技術，它以輸入的外部信息和建立的樣本庫為基礎來感知外部信息、發現危險因素，可以實現24小時不間斷監控，在安防、醫療等領域應用廣泛[6]。

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

圖1 視覺識別技術原理

1.2 無人機精準定位技術

巡檢時，無人機需要在相鄰閥室、站場內進行起降作業，實現精準定位是無人機巡檢的前提條件，本文以QR碼作為定位指示物來實現無人機精準定位，它采用標準化編碼模式來存儲數據，具有讀取速度快、存儲容量大的優點，在產品追蹤、物體識別等方面受到廣泛應用。

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

1.3 通訊技術

隨著計算機及相關技術的快速發展，各行各業都開始使用這些技術，并且進一步挖掘他們的潛力[9]。

在無人機巡檢和自動飛行過程中，都需要使用4G通訊技術將無人機、起降臺連接管理后臺服務器，方便后臺作業人員時刻了解無人機的飛行狀態、飛行數據以及周圍環境情況等信息。

2 無人機智能巡檢系統設計

2.1 巡檢系統組成

無人機自動巡檢系統組成如圖2所示，圖中1、2、3、4分別代表管道、無人機、停機場、服務器。其中，起降臺上放置一個QR碼用于無人機降落時實現精準定位。

圖2 自動巡檢系統組成

2.2 無人機組成

為了完成自動巡檢任務，需要給無人機搭載攝像機、通訊器、定位器、內存卡。攝像機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的位置，幫助后臺人員了解無人機的飛行軌跡，防止無人機發生“失蹤”；內存卡用于存儲航拍過程中的數據；無人機采用MQTT協議分別連接起降臺和服務器，用于判斷起降臺的狀態、接收服務器的指令、上傳無人機飛行數據傳遞給終端服務器以及拍攝數據。

2.3 起降臺組成

停機場由停機臺、上位機、充電口以及數據收集器組成。停機臺用于供搭載無人機，數據收集器用于收集無人機的航拍數據，上位機用于感知無人機的起降申請、控制停機臺做出相應動作、控制充電口為無人機充電并且將收集的航拍數據傳送給終端服務器。

2.4 服務器組成

服務器由數據處理器、通訊單元、顯示屏組成。用于下達準備飛行指令、指定無人機的飛行模式、下達飛行指令、查看飛行數據、顯示調查地點現場圖像、終止飛行任務以及處理航拍數據等。

3 系統應用

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

圖3 巡檢系統工作流程

3.1 起飛階段

服務器向無人機和停機場發送準備起飛請求后，調取停機場周圍氣象數據和人類活動影像呈現在顯示屏上，判斷是否滿足起飛條件，如果不滿足起飛條件，則等停機場周圍環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

無人機起飛到達指定飛行高度后，開啟攝像機，按照預定航線巡查整條管道，每分鐘拍攝30張照片。同時無人機搭載的通訊模塊會將無人機的當前坐標、飛行速度、離地高度、電池電量以及距目標停機場的剩余航程實時傳輸回服務器的通訊單元。同時服務器還可以獲取無人機飛行航線上的氣象條件以及目標停機場的狀態。這些數據都可以實時呈現在終端服務器的顯示屏上，操作人員通過這些數據判斷無人機是否具備繼續飛行的能力，如果能，則繼續飛行至目標停機場，如果不能，操作人員就下達強制返程指令，接收到這一命令后，無人機將原路返回至起飛時的停機場降落。

3.3 降落階段

降落后，無人機一邊充電，一邊將航拍數據上傳給停機場上的數據收集模塊，等待下一次飛行任務。數據收集模塊采集完無人機航拍數據后，將這些數據上傳給服務器的數據處理器，操作人員根據這些數據分析管道周圍的危險因素、評估管道的安全狀態。

4 結語

本文提及的無人機智能巡檢系統可以用于山區管道定期巡檢作業，能夠及時發現管道周圍存在的非法施工作業、地質塌方等危險因素，減少一線人員的勞動量，降低他們的負擔，有效提升山區管道的安全管理水平，具備很高的推廣價值。