激光甲烷遙測無人機(jī)及巡檢APP開發(fā)應(yīng)用

1 概述

根據(jù)住建部《2020城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，截至2020年，我國城市燃?xì)庥脷馊丝谶_(dá)4.13×10

人，城市燃?xì)夤艿篱L度達(dá)到85×10

km。燃?xì)饷裼脩粲脷獍踩浅鞘腥細(xì)獍踩芾砉ぷ鞯闹攸c(diǎn)，一旦泄漏容易引發(fā)燃?xì)饣馂?zāi)和爆炸事故，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，且社會影響巨大。民用戶入戶安檢情況復(fù)雜，天津?yàn)I海東新燃?xì)庥邢薰練v年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，安檢入戶率在85%左右，無法入戶的比例為15%，再加上立管帶氣空房等并未列入日常安檢范圍，檢不到的比例實(shí)際更高。而使用手持激光遙測儀對高層用戶進(jìn)行檢測時，容易因?yàn)樵诘孛鎸魞?nèi)照射仰角太大造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)或無法測到數(shù)據(jù)。

對于城中樓外管道和設(shè)施，在老舊小區(qū)、高層建筑常有通道封閉使巡檢人員無法到達(dá)近處檢查的情況。也有因裝修、改造、施工等原因?qū)⑷細(xì)夤艿栏采w、占壓的情況，存在諸多隱患。

(2) 本工程15萬t級航道只是對爛沙洋北水道水深較淺區(qū)域進(jìn)行浚深，對工程區(qū)海域水動力及水道穩(wěn)定性影響較小，工程后不會影響爛沙洋北、中、南三水道的整體流場格局。

對于郊外高中壓管道，有些穿過荒山野嶺、跨越沼澤湖泊等地區(qū)，有些處在高速公路護(hù)網(wǎng)內(nèi)，人工巡檢難以進(jìn)入。開發(fā)適應(yīng)城市燃?xì)舛喾N場景巡檢特點(diǎn)的微型激光甲烷遙測無人機(jī)和自動化巡檢方法，對提高巡檢質(zhì)量、巡檢效率具有重要意義。

2 激光甲烷遙測無人機(jī)

2.1 TDLAS可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測技術(shù)

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技術(shù)，其工作原理是在調(diào)制信號的控制下，激光模塊發(fā)出調(diào)制的激光探測光照射到探測區(qū)域，并由自然靶表面反射回來，由接收透鏡匯聚到光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)處理后得到被探測區(qū)域的氣體體積分?jǐn)?shù)路徑積分，見圖1。氣體體積分?jǐn)?shù)路徑積分指氣體體積分?jǐn)?shù)對激光所通過的氣體云團(tuán)長度的積分，單位為m。TDLAS技術(shù)是一種非接觸式檢測方法，與其他氣體檢測方法相比，具備靈敏度高、響應(yīng)時間短、選擇性強(qiáng)、探測下限低等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)對于無人機(jī)載條件下的動測量方式十分有利。

2.2 微型激光甲烷遙測模塊

微型激光甲烷遙測模塊(簡稱激光模塊)結(jié)構(gòu)見圖2。激光發(fā)射器采用帶有半導(dǎo)體制冷的1 653.7 nm同軸封裝激光器，接收光路的球面聚焦透鏡直徑為25 mm，模塊質(zhì)量為27.5 g。

2.3 無人機(jī)

① APP系統(tǒng)構(gòu)架

3 自動化巡檢APP開發(fā)

無人機(jī)上激光模塊與相機(jī)并列安裝，使用同一云臺以保證激光光路與相機(jī)光路平行，通過遙控可以上下調(diào)整改變激光指向。無人機(jī)整機(jī)質(zhì)量不超過1.5 kg，適合城市環(huán)境，使用簡便。按照《民用無人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》的質(zhì)量劃分，整機(jī)質(zhì)量不超過1.5 kg的無人機(jī)無需證照管理，沒有無人機(jī)駕照也可以使用。無人機(jī)樣機(jī)見圖3。

在爆破設(shè)計(jì)中將預(yù)裂孔逐孔編號，通過測量現(xiàn)場放線獲得預(yù)裂孔孔位實(shí)際高程，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)計(jì)算出每個預(yù)裂孔的實(shí)際孔深，制成實(shí)際造孔參數(shù)表下發(fā)作業(yè)隊(duì)并進(jìn)行技術(shù)交底，作業(yè)隊(duì)按造孔參數(shù)表控制預(yù)裂孔孔深。邊坡特殊開挖段（如漸變段等），技術(shù)人員要逐孔進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出各預(yù)裂孔的方位角、傾角及孔深，并在造孔過程中配合質(zhì)檢員現(xiàn)場校核各預(yù)裂孔的鉆孔參數(shù)。預(yù)裂孔造孔嚴(yán)格執(zhí)行“三定”制度。在鉆機(jī)開孔前，對鉆工進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底，嚴(yán)格執(zhí)行“定機(jī)、定人、定崗”制度，對每個孔的孔深、傾角及鉆孔責(zé)任人實(shí)行掛牌標(biāo)示，做到責(zé)任到人。在每臺鉆機(jī)上設(shè)置有鉆工作業(yè)明白卡，明確了鉆孔工藝的程序和質(zhì)量要求。

移動設(shè)備通過無線雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與無人機(jī)連接，通過USB線連接無人機(jī)遙控器。移動設(shè)備接收的下行數(shù)據(jù)包括無人機(jī)上實(shí)時巡檢畫面、甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分、無人機(jī)的位置坐標(biāo)，向無人機(jī)發(fā)送的上行數(shù)據(jù)有航線和拍照等控制指令。

移動APP應(yīng)用程序使用安卓平臺軟件開發(fā)包(Android SDK)和大疆移動軟件開發(fā)包(DJi Mobile SDK)進(jìn)行構(gòu)建和開發(fā)，在安卓系統(tǒng)移動設(shè)備上運(yùn)行，見圖4。

“你們救護(hù)隊(duì)也功不可沒！”馬國平回望著后面的女兵，她們英姿颯爽。“三天的游擊戰(zhàn)，我們一連居然沒有死傷一人，這個奇跡，是因?yàn)橛心銈儚?qiáng)大的救護(hù)隊(duì)作后盾啊?！?/p>

巡檢過程中，需要通過激光點(diǎn)來確定巡檢位置，激光點(diǎn)在巡檢視窗中僅為一個綠點(diǎn)，在對某些目標(biāo)探測時還需要關(guān)閉激光綠點(diǎn)，且由于機(jī)械安裝和反射距離等產(chǎn)生的誤差，激光點(diǎn)很難保持在同一位置。因此設(shè)計(jì)了交叉十字線標(biāo)記方法，指示當(dāng)前激光點(diǎn)在巡檢視窗中的位置，見圖8。

通過計(jì)算不同試驗(yàn)要素場能量差值,即平均總能量EDTE(Difference Total Energy,DTE)(Zhang et al.,2002)來衡量擾動成員對預(yù)報(bào)場影響的敏感程度。一般情況,EDTE大,擾動對預(yù)報(bào)的影響大;EDTE小,擾動對預(yù)報(bào)的影響小。計(jì)算公式如下:

③ 自動飛行航線編輯

④ 復(fù)查歷史巡檢報(bào)告

自動飛行是通過編制、上傳和運(yùn)行航線文件完成的。航線文件是將燃?xì)夤艿繥PS坐標(biāo)作為航點(diǎn)，再設(shè)置航高和飛行速度等參數(shù)生成的。航線總長在編制航線時自動計(jì)算并顯示在界面上，并根據(jù)設(shè)定的飛行速度自動計(jì)算和顯示預(yù)計(jì)飛行時間，見圖7。航點(diǎn)可以使用管道坐標(biāo)數(shù)據(jù)，也可將無人機(jī)放置在管道位置使用APP的打點(diǎn)功能現(xiàn)場采集航點(diǎn)坐標(biāo)。經(jīng)過校準(zhǔn)飛行的航線可以保存下來作為巡檢航線，在需要時直接上傳使用。

從移動設(shè)備中加載所有歷史巡檢報(bào)告，讀取標(biāo)記點(diǎn)的信息?？梢愿鶕?jù)坐標(biāo)信息，選擇照片縮略圖或?qū)φ掌鎯ㄖ械膬?nèi)容與現(xiàn)場情況進(jìn)行對比，達(dá)到復(fù)查標(biāo)記點(diǎn)的目的。

⑤ 交叉十字線方法標(biāo)記激光點(diǎn)位置

② 實(shí)時數(shù)據(jù)顯示和自動拍照記錄保存

洛克菲勒，從小家教很嚴(yán)，靠給父親做“雇工”掙零花錢。他清晨便到田里干農(nóng)活，有時候也幫母親擠牛奶。他有一個專用于記帳的小本子，把自己的工作量化后，按每小時0.37美元記入帳，爾后與父親結(jié)算，這件事他做得很認(rèn)真，感到既神圣又趣味無窮。更有意味的是，洛克菲勒的第二代、第三代乃至第四代，都嚴(yán)格照此執(zhí)行。美國人常將自己不需要的東西拿出來拍賣，小孩自己用不著的玩具等也可以擺在家門口出售，以獲得一點(diǎn)收入。

設(shè)置甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分閾值，利用時間窗的統(tǒng)計(jì)方法實(shí)時處理和顯示甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分。微型激光甲烷遙測模塊每1 s可以測量100個數(shù)據(jù)，以記錄20個數(shù)據(jù)的時間即0.2 s為一個時間窗，取這20個數(shù)據(jù)的中位數(shù)作為顯示數(shù)據(jù)。顯示數(shù)據(jù)實(shí)時刷新，并自動生成一段時間內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分隨時間變化曲線，顯示甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分變化情況。時間窗實(shí)時數(shù)據(jù)顯示和自動拍照記錄保存流程見圖5，實(shí)時數(shù)據(jù)顯示窗體見圖6。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時報(bào)警，顯示數(shù)據(jù)由白色變?yōu)榧t色，移動設(shè)備發(fā)出報(bào)警聲。發(fā)出報(bào)警的同時觸發(fā)自動拍照，無人機(jī)拍照完成后，根據(jù)無人機(jī)坐標(biāo)在安卓移動設(shè)備上標(biāo)記當(dāng)前位置，生成標(biāo)記點(diǎn)，按照坐標(biāo)、甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分、照片名的順序?qū)懭氡敬窝矙z報(bào)告。結(jié)束本次巡檢時，根據(jù)保存時間生成巡檢報(bào)告的文件名，并在報(bào)告內(nèi)容中記錄與巡檢相關(guān)的其他信息，將巡檢報(bào)告存入終端設(shè)備存儲空間。若沒有超過設(shè)定閾值，則不會拍照、記錄或生成報(bào)告。也可通過手動記錄功能，拍照并記錄，寫入巡檢報(bào)告。

默認(rèn)將交叉十字線設(shè)置在巡檢視窗的中心，需要校準(zhǔn)激光點(diǎn)位置時，移動交叉十字線在巡檢視窗中的位置，每次移動一個像素點(diǎn)，當(dāng)交叉十字線中心與激光點(diǎn)重合時，保存當(dāng)前位置，將默認(rèn)位置變?yōu)楫?dāng)前位置，避免反復(fù)調(diào)整。

校準(zhǔn)后，通過交叉十字線對準(zhǔn)探測目標(biāo)的精確度大大提高，在對樓外立管局部損壞部位探測時，激光點(diǎn)可以準(zhǔn)確照射到立管損壞部位，見圖9。

4 巡檢應(yīng)用

激光甲烷遙測無人機(jī)在天津?yàn)I海東新燃?xì)庥邢薰就度胙矙z使用后取得良好效果，不僅彌補(bǔ)了人工巡檢難以到達(dá)的缺口，提高了安檢率，還在實(shí)際無人機(jī)巡檢中成功發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，并及時組織修復(fù)了泄漏的管道，防止了事故發(fā)生。

2021年11月24日，無人機(jī)巡檢某小區(qū)立管帶氣空房，在6層一間廚房外透窗探測發(fā)現(xiàn)甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分較高，見圖10。維修人員立即趕到現(xiàn)場，在小區(qū)相關(guān)人員配合下，打開房門后進(jìn)入廚房，使用手持儀器測量發(fā)現(xiàn)泄漏位置并及時組織了修復(fù)。

“一帶一路”合作中，國際化企業(yè)有必要形成專門的企業(yè)社會責(zé)任部門，對部門人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，能夠讓他們對企業(yè)社會責(zé)任有系統(tǒng)了解，從而在企業(yè)社會責(zé)任的履行過程中進(jìn)行專業(yè)管理，使相關(guān)資源得到更為有效的利用，獲取相關(guān)社會責(zé)任行為的最大社會效應(yīng)。國際化企業(yè)有必要將社會責(zé)任納入到其長期的發(fā)展戰(zhàn)略，對社會責(zé)任履行的范圍、層次以及重點(diǎn)等進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)籌安排，從而強(qiáng)化企業(yè)的公民意識，構(gòu)建基于科學(xué)分析的企業(yè)社會責(zé)任戰(zhàn)略(樊蓉，2018)，真正的提升企業(yè)的國際品牌形象。

同月，無人機(jī)巡檢某小區(qū)樓外管道時，在調(diào)壓箱處測得甲烷體積分?jǐn)?shù)路徑積分較高。維修組現(xiàn)場確認(rèn)調(diào)壓器發(fā)生泄漏，并及時更換損壞部件，避免了事故發(fā)生。