無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)項(xiàng)目經(jīng)理部，黑龍江 大慶 163000）

2019年，通過對(duì)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(fù)雜，人員巡檢難度大，這些現(xiàn)實(shí)問題恰好為無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)資質(zhì)申請(qǐng)、空域?qū)徟?、設(shè)備招標(biāo)、飛手培訓(xùn)等工作。但通過大量的驗(yàn)證飛行后發(fā)現(xiàn)，按部就班地采用無(wú)人機(jī)開展業(yè)務(wù)以來(lái)，工作效率上升到一個(gè)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(guó)內(nèi)國(guó)際無(wú)人機(jī)工作模式的發(fā)展趨勢(shì)，要提高就要建成一套擁有健全的無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理體系、完備的監(jiān)管手段、先進(jìn)的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理與管控技術(shù)的系統(tǒng)。

1 功能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)概述

無(wú)人機(jī)管理與服務(wù)系統(tǒng)是一套集人員、設(shè)備、任務(wù)、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(wú)人機(jī)管理與服務(wù)系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)操作人員、無(wú)人機(jī)及掛載設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)化的指引。提示操作人員資格核審、安全飛行，強(qiáng)調(diào)設(shè)備的合法合規(guī)使用和維護(hù)保養(yǎng)。統(tǒng)籌考慮大慶油田無(wú)人機(jī)應(yīng)用的整體規(guī)劃，針對(duì)不同專業(yè)領(lǐng)域規(guī)劃操作規(guī)程與巡檢規(guī)范細(xì)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(shí)際需求，節(jié)約整體投資的目的。

1.2 降本增效

目前，無(wú)人機(jī)采集的視頻數(shù)據(jù)通過移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)存，如大規(guī)模應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)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(shí)效性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性無(wú)法保證，并且在交付成果過程中，存在交通成本和時(shí)間成本。無(wú)人機(jī)管理與服務(wù)系統(tǒng)將無(wú)人機(jī)采集得到的影像數(shù)據(jù)資料統(tǒng)一存儲(chǔ)，可以對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行系統(tǒng)化管理，不但便于各部門及時(shí)按需調(diào)取查看，還能為計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)支撐，為后期研發(fā)更多如車輛車牌智能識(shí)別、違章施工自動(dòng)告警等功能模塊完善算法。

1.3 增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理時(shí)效性

無(wú)人機(jī)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(cè)繪制圖領(lǐng)域，正射影像需要專業(yè)的工具進(jìn)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(zhǎng)、效率較低，對(duì)于油田設(shè)施巡檢，主要目的為識(shí)別目標(biāo)發(fā)現(xiàn)問題，時(shí)效性要求更強(qiáng)，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(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)研分析的結(jié)果，充分發(fā)揮任務(wù)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(shí)施。據(jù)此研究、論證，設(shè)計(jì)管理與服務(wù)系統(tǒng)由五個(gè)模塊構(gòu)成：人員與設(shè)備信息管理、任務(wù)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(yīng)具備人員及設(shè)備臺(tái)賬管理，飛手執(zhí)照到期提醒，無(wú)人機(jī)保險(xiǎn)到期提醒，飛手、無(wú)人機(jī)及其載荷、地面站的健康管理，電池使用次數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)等功能。

2.2 任務(wù)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(wù)管理各項(xiàng)功能，包括作業(yè)任務(wù)制定和下發(fā)、航線規(guī)劃與推送、位置信息臺(tái)賬管理、歷史任務(wù)、航線查詢等。

2.3 飛行作業(yè)管理

該模塊具備無(wú)人機(jī)圖像實(shí)時(shí)回傳、無(wú)人機(jī)巡查目標(biāo)車輛及車牌識(shí)別、圖像資料存儲(chǔ)、飛行日志記錄、空域申請(qǐng)報(bào)批、氣象情報(bào)實(shí)時(shí)更新與記錄、無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)監(jiān)控、軌跡跟蹤與記錄、無(wú)人機(jī)故障信息告警、電子圍欄建立、無(wú)人機(jī)越界告警的綜合管控功能。系統(tǒng)基于BD/GPS 或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括位置、高度、速度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行進(jìn)行定位、跟蹤、記錄、分析，并將相應(yīng)參數(shù)記錄入庫(kù)，存儲(chǔ)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(duì)于飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量的要求，進(jìn)行飛行作業(yè)采集原始圖像和POS 數(shù)據(jù)信息。②圖像預(yù)處理，密集點(diǎn)云糾正相片中地物，將原始圖像進(jìn)行畸變矯正。③影像匹配，加地面控制點(diǎn)，解析空中三角測(cè)量。④建立模型，輸出DEM。

（2）正射影像圖像對(duì)比分析。利用影像中目標(biāo)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(fù)試驗(yàn)，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(duì)比分析兩期或多期正射影像的變化，對(duì)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(duì)這些區(qū)域進(jìn)行對(duì)應(yīng)的工作安排。

2.5 系統(tǒng)管理

該模塊為其他模塊服務(wù)，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(chǔ)的和使用。

3 技術(shù)解決方案

（1）平臺(tái)系統(tǒng)解決方案部分。系統(tǒng)整體框架分應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)架構(gòu)四個(gè)層次。通過選用合適的云服務(wù)與云服務(wù)器組成具備云計(jì)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(chǔ)、安全防護(hù)、信息交互等能力的云平臺(tái)系統(tǒng)，并依托強(qiáng)大的虛擬硬件環(huán)境開發(fā)實(shí)現(xiàn)管理與服務(wù)系統(tǒng)的各項(xiàng)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(wù)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和任務(wù)需求制定飛行任務(wù)計(jì)劃書，任務(wù)編輯模塊可以新建或讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的已建臺(tái)賬信息，選取飛手、無(wú)人機(jī)及配套設(shè)備、禁飛區(qū)域，并填寫任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、期限、地點(diǎn)等信息。②輸入飛行任務(wù)目標(biāo)GPS信息，管理系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)自動(dòng)設(shè)定最優(yōu)航線，航線應(yīng)自動(dòng)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(jì)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(wù)更新提醒，下載任務(wù)作業(yè)書和航線信息，飛手可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做出相應(yīng)調(diào)整。⑤現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)完成后，飛手通過終端回執(zhí)任務(wù)完成情況。

（3）無(wú)人機(jī)電子圍欄功能實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)電子圍欄管理與無(wú)人機(jī)越界告警功能，需要完成的實(shí)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(dòng)態(tài)發(fā)布機(jī)制制定，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)匹配，防侵入（告警）建模，無(wú)人機(jī)與監(jiān)管系統(tǒng)電子圍欄測(cè)試。

實(shí)現(xiàn)禁飛區(qū)規(guī)劃、管理、越界告警功能，可防止無(wú)人機(jī)侵入軍事、政治、經(jīng)濟(jì)等重要目標(biāo)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(jī)場(chǎng)障礙物限制面、扇區(qū)形、多邊形。無(wú)人機(jī)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(shí)間。

研究和制定基于無(wú)人機(jī)云系統(tǒng)的機(jī)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(wù)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。接入管理系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)應(yīng)實(shí)時(shí)上傳飛行數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)對(duì)侵入無(wú)人機(jī)圍欄的無(wú)人機(jī)具有報(bào)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(wù)站等）實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建涵蓋有人、無(wú)人飛行器的完整低空飛行監(jiān)控體系；建立無(wú)人機(jī)主動(dòng)、被動(dòng)加入云平臺(tái)的監(jiān)管機(jī)制，明確接口數(shù)據(jù)規(guī)范；實(shí)時(shí)采集各類低空通信、導(dǎo)航、監(jiān)視數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確監(jiān)控各類飛行動(dòng)態(tài)。

（4）無(wú)人機(jī)影像實(shí)時(shí)回傳與車輛信息識(shí)別。要實(shí)現(xiàn)終端實(shí)時(shí)觀看無(wú)人機(jī)影像，需無(wú)人機(jī)廠商開放SDK 后，對(duì)無(wú)人機(jī)SDK 進(jìn)行封裝分析、接口調(diào)試，再與平臺(tái)服務(wù)器端口進(jìn)行對(duì)接。

飛行作業(yè)影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳指揮中心，經(jīng)校驗(yàn)合格后，上傳至云存儲(chǔ)服務(wù)器。如果需要識(shí)別車輛信息包括車牌號(hào)碼，調(diào)用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

影像數(shù)據(jù)根據(jù)權(quán)限可以隨時(shí)調(diào)用，同時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如：通過平臺(tái)進(jìn)行隱患標(biāo)注可進(jìn)行隱患的實(shí)時(shí)通知，可直接對(duì)接至相關(guān)應(yīng)急管理部門相應(yīng)平臺(tái)，通知相關(guān)人員進(jìn)行及時(shí)處理。

4 效果分析

自2020年9月，無(wú)人機(jī)管理與服務(wù)系統(tǒng)正式上線試運(yùn)行。該系統(tǒng)是大慶油田首個(gè)實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)指揮、任務(wù)管控、數(shù)據(jù)處理、服務(wù)共享于一身的系統(tǒng)平臺(tái)，面向管理決策層、任務(wù)執(zhí)行層、終端用戶層提供了一套綜合性的無(wú)人機(jī)應(yīng)用解決方案，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)、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(yīng)大慶油田的無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理體系，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理制度、操作規(guī)范、作業(yè)流程的網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化。

通過對(duì)飛控系統(tǒng)的二次研發(fā)，實(shí)現(xiàn)天空端到服務(wù)端的飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，使監(jiān)控中心可以對(duì)開機(jī)運(yùn)行的無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)大慶油田地表較為平坦且精度需求不高的情況，改進(jìn)現(xiàn)有圖像拼接處理技術(shù)，適當(dāng)減少圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)的計(jì)算步驟，降低圖像配準(zhǔn)精度，優(yōu)化空三測(cè)量算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)油田地表的快速勘察測(cè)量，實(shí)測(cè)成果輸出效率是行業(yè)成熟軟件的2 倍。實(shí)現(xiàn)了不同類型無(wú)人機(jī)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(biāo)注、空間測(cè)量、實(shí)時(shí)軌跡輸出等技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目完成了設(shè)計(jì)之初的全部研究推廣任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，下一階段結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)研究智能圖像分析識(shí)別技術(shù)和無(wú)人機(jī)通信數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，推進(jìn)等保測(cè)評(píng)整改進(jìn)度，提升無(wú)人機(jī)自動(dòng)化、智能化技術(shù)水平，擴(kuò)大無(wú)人機(jī)應(yīng)用覆蓋面，促進(jìn)無(wú)人機(jī)技術(shù)能夠更好地為油田與企業(yè)服務(wù)。