無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究

舒 艷

中石化石油工程地球物理有限公司地理地質(zhì)信息勘查分公司, 湖北 武漢 430000

0 前言

近年來,無人機在油氣管線巡線中運用越來越多,特別是在山地、河流以及無人區(qū)等復(fù)雜區(qū)域,可以定期運用無人機航拍提高管線巡護效率,彌補常規(guī)巡線的不足,大大提高整體管線的監(jiān)管力度,為管線運營提供更多的第一現(xiàn)場資料和保障[1]。

油氣管線具有區(qū)域跨越大、距離長、規(guī)模大、管網(wǎng)復(fù)雜、年代跨度大等特點,量化跟蹤管理困難。隨著油氣管網(wǎng)里程的日益增加,安全隱患增多,加強管線安全巡護和科學(xué)管理的需求更加緊迫。無人機油氣管線巡線主要應(yīng)用于以下方面:

1)管線施工：無人機小巧靈活,可以全面快速了解地形地貌以及管線周邊信息,并實時傳輸圖像和視頻質(zhì)量,及時提供區(qū)域的地理空間信息,隨時查看施工進度、布置及管線走向,指導(dǎo)并監(jiān)督管線施工進程。

2)管線巡線：無人機可以高效地完成大范圍的常規(guī)巡線。搭載可見光、紅外、晝夜監(jiān)控設(shè)備,可以在指定目標上懸停查看;可以利用任務(wù)吊艙獲取管線周圍土壤、天氣、管線溫度等信息分析[2];發(fā)現(xiàn)可疑情況可立即定位報警,鎖定和跟蹤地面目標探查細節(jié)[3],配合遠程喊話器,及時發(fā)現(xiàn)、制止破壞管線和盜油等行為；提高自動化程度,降低人工巡線成本和提高巡線安全。

3)管線應(yīng)急響應(yīng)：遇洪水、泥石流和山體滑坡等自然災(zāi)害時,可通過無人機遙感拍攝遠程影像[4],進入災(zāi)害現(xiàn)場勘察,了解管線受損及周邊次生災(zāi)害情況；還可以搭載掃描視頻設(shè)備,將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街笓]中心,為搶修提供信息支撐[5],最大程度降低災(zāi)害。

1 巡線數(shù)據(jù)

無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要涉及原始數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等；原始數(shù)據(jù)包括圖片、視頻、管線、航線、地圖;生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括DEM、DOM、隱患管理、分析統(tǒng)計等數(shù)據(jù);屬性數(shù)據(jù)包括管線樁號、埋深、責任人、所屬區(qū)域、隱患點信息、歷史數(shù)據(jù)等。技術(shù)數(shù)據(jù)包括國標、行標和企標等標準,操作規(guī)范等;管理數(shù)據(jù)包括項目的方案、計劃書、流程圖、進度表、工作日志等。

常用數(shù)據(jù)格式有MP 4格式的視頻文件,tiff或者jpg格式的圖片,doc或pdf格式的文檔,shp格式的矢量以及xml格式的航線,word或者excel數(shù)據(jù)等。

在實際應(yīng)用中,因無人機油氣管線巡線需求不同,巡線數(shù)據(jù)的兼容性和變化性更需要系統(tǒng)管理。其特征有:

1)權(quán)屬單位多:管線地理區(qū)域廣,分管業(yè)主單位多,同類型數(shù)據(jù)在不同權(quán)屬業(yè)主單位均會出現(xiàn)。

2)變化快:由于業(yè)主單位眾多,分布遼闊,每天都會有無人機巡航產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)量大:無人機攜帶的拍攝設(shè)備精度高,單次巡航時間長,會產(chǎn)生大量以G為單位的照片、視頻等數(shù)據(jù)。

4)淘汰率高:油氣管線發(fā)生突發(fā)狀況的概率不高,因此在未發(fā)現(xiàn)異常狀況下,大批巡線數(shù)據(jù)在過濾后將被丟棄。

5)保密性:涉及到重要的地理信息數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù),做好數(shù)據(jù)保密。

6)及時更新:對管線路徑變化、坐標變化、隱患信息變化等基礎(chǔ)重要信息及時更新。

2 需求分析

針對無人機巡線的不同需求、數(shù)據(jù)類別和數(shù)據(jù)特點,以及油氣管線數(shù)據(jù)的涉密性和巡線海量數(shù)據(jù)管理,建立無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

2.1 全面覆蓋

無人機油氣管線巡線采用人機并線管理及同步巡線,根據(jù)不同區(qū)域、不同場景,合理安排作業(yè)模式,極大地提高效率和全區(qū)管理巡線的覆蓋率,實現(xiàn)管線的全面監(jiān)控。

2.2 數(shù)據(jù)直觀性

在無人機油氣管線巡線中,采用搭載不同的相機、雷達、紅外等感應(yīng)系統(tǒng),高清、實時拍攝,有效地得到管線的圖片、視頻、紅外信息等大量第一手現(xiàn)場資料,便于直接判讀隱患點[6]。巡線數(shù)據(jù)疊加多種管線周邊地理地質(zhì)信息、路線規(guī)劃、房屋更新等,進行可視化數(shù)據(jù)管理,提升管線的安全性。

2.3 精細管理

科學(xué)規(guī)劃無人機航線,提供每個無人機最優(yōu)路徑[7]，并落實責任人，形成閉合環(huán)。海量數(shù)據(jù)分類、分級、保密管理，提高數(shù)據(jù)利用率。隱患數(shù)據(jù)跟蹤管理、統(tǒng)計分析管理、季度或年度綜合管理，隱患定級管理，提升綜合管理水平。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整體架構(gòu)由客戶端和服務(wù)端組成[8]?？蛻舳藶榻K端用戶軟件包,服務(wù)端為軟件服務(wù)層、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)層?？蛻舳税?quán)限/登入、巡線視頻、數(shù)據(jù)預(yù)處理、航線規(guī)劃等模塊;軟件服務(wù)層提供查詢、分析、航線規(guī)劃、航線數(shù)據(jù)服務(wù);基礎(chǔ)模塊提供坐標轉(zhuǎn)換、瓦片服務(wù)、高程服務(wù)等對外網(wǎng)絡(luò)服務(wù);數(shù)據(jù)服務(wù)包括柵格、矢量數(shù)據(jù)管理、視頻管理、航拍數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫管理等。無人機油氣管線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)架-功能模塊見圖1。

圖1 無人機油氣管線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)架-功能模塊圖

4 功能模塊設(shè)計

4.1 基礎(chǔ)模塊

基于GIS的二次開發(fā),可以實現(xiàn)空間分析,疊加顯示等基礎(chǔ)功能。包括二維、三維數(shù)據(jù)疊加顯示,數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析,專題圖的制作,空間分析,3 D模型瀏覽和編輯等基礎(chǔ)空間分析功能；同時也包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、坐標的轉(zhuǎn)換、金字塔生成、瓦片生成、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等基本功能。

4.2 用戶模塊

主要是人員信息的管理,設(shè)置連接訪問門戶及數(shù)據(jù)資源,為用戶和油氣管線的相關(guān)單位提供協(xié)同交互接口,用戶根據(jù)權(quán)限做相應(yīng)操作,包括數(shù)據(jù)服務(wù)、項目服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)包括數(shù)據(jù)查詢、存儲和管理;項目服務(wù)主要由管理部門使用,查看各項任務(wù)的研制進度,編輯和管理工作日志,用戶訪問系統(tǒng)權(quán)限分配并監(jiān)管,保障整套系統(tǒng)的運行安全,維持系統(tǒng)正常運行;應(yīng)用服務(wù)為用戶提供多種協(xié)同工具和技術(shù)支援,用戶可通過該服務(wù)進行在線會議,實施設(shè)計方案的討論,傳遞工程數(shù)據(jù)和項目文件。

4.3 無人機模塊

因無人機存在不同類型、不同廠家、不同狀態(tài)和不同工作時長等情況,應(yīng)對無人機進行動態(tài)管理,對所處狀態(tài)進行自動跟蹤。無人機模塊可根據(jù)不同場景和條件,指導(dǎo)選擇合適的無人機;無人機飛行軌跡、歷史航線查詢顯示[9];對工作中的無人機進行動態(tài)顯示,對超時長的無人機進行檢修、返廠;實現(xiàn)無人機科學(xué)規(guī)劃,方便維護設(shè)備安全;對無人機組件(電池、航攝儀等)運行情況動態(tài)查詢,及時更新。

4.4 數(shù)據(jù)管理模塊

實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、分類管理、分級查詢與編輯、綜合空間分析。

4.4.1 本地數(shù)據(jù)庫的管理

實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、編輯、查詢、顯示和上傳。不同數(shù)據(jù)存在兼容和坐標轉(zhuǎn)換的情況,選擇合適的坐標系進行預(yù)處理,視頻等原始資料按規(guī)范導(dǎo)入,確保數(shù)據(jù)有效性。

4.4.2 服務(wù)端數(shù)據(jù)的管理

實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、顯示和編輯。對海量數(shù)據(jù)進行壓縮,對以往數(shù)據(jù)定時清理、進行刪除和批量處理。

4.4.3 分級管理

及時更新原始數(shù)據(jù)信息,對成果數(shù)據(jù)進行驗收優(yōu)化,對不同數(shù)據(jù)要有組織有條理地管理,設(shè)置不同權(quán)限和級別分級管理。

4.4.4 分類管理

分區(qū)域、分類別、分時間進行數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)管理。合理設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),充分考慮各單位所需數(shù)據(jù)及屬性,兼顧數(shù)據(jù)的保密性、安全性和高效性。

4.5 管線巡線模塊

根據(jù)無人機油氣管線巡線作業(yè)頻率和內(nèi)容,分為常規(guī)巡線和特殊巡線。常規(guī)巡線包括管線周邊環(huán)境檢測和管線線路管理；特殊巡線為應(yīng)急監(jiān)測、定點監(jiān)測等[10]。

4.5.1 巡線區(qū)塊管理

主要是管線長距離、大面積的航拍測繪。無人機航飛后照片和視頻,通過技術(shù)人員判讀后識別隱患,跟蹤隱患信息,并進行定位跟蹤。

1)管線的測量：包括管線長度，測算管理長度、深度,三維顯示,三維量測。

2)航線設(shè)計：根據(jù)具體項目需求,設(shè)計航線及飛行架次。

3)模擬飛行：根據(jù)規(guī)劃的航線在三維場景中動態(tài)飛行,掌握飛行路徑,與高壓線、通信塔等隱患距離量測,判斷是否可以進行航飛。

4)巡線事件管理：對巡線事件的查詢、統(tǒng)計與空間分析。

5)航線綜合管理：主要是對飛機狀態(tài)、飛行軌跡及以往歷史航線的綜合分析。

4.5.2 隱患管理

1)劃定管線沿線的安全緩沖區(qū),及周邊隱患距離的量測;提取隱患區(qū)域,并計算其面積,分析危險等級。

2)根據(jù)人工巡線判讀隱患類型及級別,輸出隱患信息。

3)對同一地區(qū)不同時間飛行成果信息對比研究,跟蹤隱患,分析變化及發(fā)展情況。

4.5.3 實時處理

當管線發(fā)現(xiàn)故障或者發(fā)現(xiàn)泄漏等緊急情況時,無人機高清、實時傳輸視頻,便于監(jiān)控。

1)遠程視頻監(jiān)控,實時監(jiān)控管線及周邊情況。

2)第三方施工等影響管線的行為,搭載喊話系統(tǒng),懸停多角度拍攝。

3)調(diào)配人員現(xiàn)場處理,分發(fā)至責任人,做到快速響應(yīng)。

4.5.4 項目管理

設(shè)計項目流程,項目立項后相關(guān)報表和文件的共享,項目進展、日志、周報、月報等情況跟蹤、完成情況統(tǒng)計、歷史顯示。

4.6 安全預(yù)警模塊

結(jié)合GIS系統(tǒng),對無人機油氣管線巡線多源數(shù)據(jù)的空間分析[11],對空間數(shù)據(jù)管理,對隱患信息綜合分析,為無人機油氣管線預(yù)警模塊提供充足空間基礎(chǔ)資料。

4.6.1 隱患定級

通過多源數(shù)據(jù)包括遙感影像、管線信息、巡線數(shù)據(jù)、DOM/DEM的疊加顯示、疊加分析,綜合判讀隱患,定量定性隱患最大影響范圍,對隱患分類定級[12]。

4.6.2 應(yīng)急預(yù)警

通過隱患數(shù)據(jù)的排查與檢索,判斷危害級別。結(jié)合其他氣象、天氣溫度、地圖等信息,預(yù)警油氣管線的易影響區(qū)域,進行預(yù)警并定位,高亮提示。

4.6.3 管線統(tǒng)計分析

對區(qū)域性管線隱患點批量分析,對經(jīng)常出現(xiàn)問題的檢修點及類別統(tǒng)計分析,提示相應(yīng)措施,實現(xiàn)自動化管理。

4.6.4 數(shù)據(jù)實時更新

隱患信息、管線信息以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)變化要實時更新,進行數(shù)據(jù)的拼接、轉(zhuǎn)換、處理。實現(xiàn)不同時期數(shù)據(jù)高精度顯示、可跟蹤、可持續(xù)更新。

4.6.5 應(yīng)急搶險

對發(fā)生事故的工區(qū)建立應(yīng)急預(yù)警響應(yīng)機制,包括快拼成圖、720度全景、事故點的實時圖傳監(jiān)控等,掌握事故區(qū)的最新動態(tài),指導(dǎo)制定合理方案。

5 應(yīng)用實例

無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一個集無人機數(shù)據(jù)管理、油氣管線巡線數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)成果管理及安全預(yù)警于一體的系統(tǒng),可以實現(xiàn)無人機動態(tài)管理、油氣管線巡線數(shù)字化管理及自動化隱患綜合分析安全預(yù)警。

該系統(tǒng)應(yīng)用于某成品油管線,管線距離長約3 000 km,涉及廣西的桂林柳州、廣東的珠海深圳茂名等地，其中山區(qū)管線占70%以上,且多數(shù)管線穿越河流、溝壑等復(fù)雜地形,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),導(dǎo)致管網(wǎng)安全風(fēng)險管控難度大。巡線多以懸翼無人機機型為主,外業(yè)巡線作業(yè)時間為2018年5月至11月。該無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括以下幾方面:

5.1 人員資產(chǎn)管理

無人機油氣管線巡線的基礎(chǔ)條件,包含參與巡線的人員、巡線所使用的無人機、無人機電池,以及配套電子文檔、電子票據(jù)等。做到資產(chǎn)在線管理,有據(jù)可查;落實到人,設(shè)備狀態(tài)一目了然。

5.2 巡線任務(wù)管理

依托人員資產(chǎn)管理模塊,展開飛行任務(wù)業(yè)務(wù)流。無人機油氣管線巡線按照月度計劃進行,巡線任務(wù)的編排、執(zhí)行、跟蹤,以及巡線時偶然發(fā)生的巡線事故(墜機等),均屬巡線任務(wù)管理之列[13]。飛行計劃嚴格按照設(shè)計-審批流程,飛行任務(wù)產(chǎn)生成果數(shù)據(jù),成果數(shù)據(jù)萃取出巡線問題,形成閉合環(huán),落實到人,全程跟蹤,有據(jù)可依。巡線任務(wù)管理流程見圖2。

圖2 巡線任務(wù)管理流程圖

5.3 巡檢數(shù)據(jù)管理

無人機油氣管線巡線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包含無人機飛行航線,以及巡線的目標管線矢量數(shù)據(jù)[14]。

航線數(shù)據(jù)根據(jù)不同管理處,按不同管線段、類別和時間命名。各大管理處各場站負責轄區(qū)內(nèi)航段設(shè)計、飛行任務(wù)審批、飛行數(shù)據(jù)管理,包括航線瀏覽、航線屬性顯示、自定義屬性編輯、視頻巡檢、視頻編輯、隱患標記、報告輸出等功能。巡檢數(shù)據(jù)管理見圖3。

圖3 巡線航線管理圖

5.4 隱患數(shù)據(jù)管理

無人機油氣管線巡線目的即為發(fā)現(xiàn)隱患,通過無人機得到照片、視頻等數(shù)據(jù),人工識別隱患，標注不同隱患信息，輸出報告，進行隱患整改并記錄。常見隱患見圖4。

5.5 智能分析管理

通過人工智能識別前后飛行照片對比,差異化識別隱患信息,并輸出報告[15]。通過采集異常目標樣本數(shù)據(jù),實現(xiàn)人工智能識別人類活動對管線的隱患信息,包括房屋、車輛、變化點等識別標注，見圖5。萃取出來的各類問題、隱患、險情,需要進行相應(yīng)的處理,處理過程全部有案可查。

a)管線安全隱患

b)房屋占壓

c)樹木呈倒伏狀,發(fā)現(xiàn)滑坡點

d)第三方施工物理隔離不規(guī)范

a)平原智能識別

b)山地識別

5.6 統(tǒng)計查詢管理

根據(jù)巡線成果數(shù)據(jù)分析檢查出的隱患、險情,記錄統(tǒng)計,并且根據(jù)不同類型問題(占壓、第三方施工、地質(zhì)災(zāi)害、附屬設(shè)施損壞、巡線通道等)分布,統(tǒng)計各管理處下屬管道的問題數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)置了問題處理流程,跟蹤巡線問題的整個閉環(huán)處理環(huán)節(jié)。隱患數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖6。

通過無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實際應(yīng)用，提高巡線工作效率,提升隱患識別能力,實現(xiàn)數(shù)據(jù)權(quán)限管理和分類管理,保證數(shù)據(jù)的有效性及可追蹤,提升管線安全性。

圖6 隱患數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

1)提高巡線工作效率及數(shù)據(jù)完整性。對經(jīng)過高山、河流的管線,人工徒步巡線往往要耗費4 h以上,現(xiàn)在通過查看視頻檢查管線周邊情況,只需要15～20 min,大大提高了巡線工作效率。同時可以獲取整體管線巡查資料,實現(xiàn)全面巡線。

2)智能巡線。人工瀏覽視頻檢查管線隱患精度高,但工作量大,任務(wù)緊且易產(chǎn)生疲勞造成隱患漏選。采用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能識別技術(shù),對管線范圍內(nèi)的異常目標,如異常車輛、工程車、違建房屋等特征目標進行快速識別與檢測,結(jié)合人工判別方法，發(fā)現(xiàn)隱患,跟蹤隱患,統(tǒng)計隱患,整改隱患,實現(xiàn)動態(tài)管理。落實到人,實現(xiàn)可追蹤式管理,提高數(shù)據(jù)管理水平,保證管線安全性。

7 結(jié)論

本文針對無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)的特點,設(shè)計了包含基礎(chǔ)模塊、用戶模塊、無人機模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、管線巡線模塊以及安全預(yù)警模塊的無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),保證油氣管線的保密性、安全性,保證無人機可追蹤,保證數(shù)據(jù)的高效利用,解決以往資料數(shù)據(jù)歸檔不規(guī)范的問題,提高管線巡線效率及智能化程度;確保管線的全面覆蓋,挖掘油氣管線預(yù)警系統(tǒng),保證無人機油氣管線巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整體的協(xié)作性及應(yīng)用終端的通用性。

隨著數(shù)據(jù)的不斷更新和完善,結(jié)合GIS分析的綜合功能有待進一步完善和加強。