無人機油氣管線巡線數據管理系統研究

舒 艷

中石化石油工程地球物理有限公司地理地質信息勘查分公司, 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、河流以及無人區等復雜區域,可以定期運用無人機航拍提高管線巡護效率,彌補常規巡線的不足,大大提高整體管線的監管力度,為管線運營提供更多的第一現場資料和保障[1]。

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

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量,及時提供區域的地理空間信息,隨時查看施工進度、布置及管線走向,指導并監督管線施工進程。

2)管線巡線：無人機可以高效地完成大范圍的常規巡線。搭載可見光、紅外、晝夜監控設備,可以在指定目標上懸停查看;可以利用任務吊艙獲取管線周圍土壤、天氣、管線溫度等信息分析[2];發現可疑情況可立即定位報警,鎖定和跟蹤地面目標探查細節[3],配合遠程喊話器,及時發現、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)管線應急響應：遇洪水、泥石流和山體滑坡等自然災害時,可通過無人機遙感拍攝遠程影像[4],進入災害現場勘察,了解管線受損及周邊次生災害情況；還可以搭載掃描視頻設備,將數據實時傳輸到指揮中心,為搶修提供信息支撐[5],最大程度降低災害。

1 巡線數據

無人機油氣管線巡線數據管理系統主要涉及原始數據、生產數據、屬性數據、技術數據和管理數據等；原始數據包括圖片、視頻、管線、航線、地圖;生產數據包括DEM、DOM、隱患管理、分析統計等數據;屬性數據包括管線樁號、埋深、責任人、所屬區域、隱患點信息、歷史數據等。技術數據包括國標、行標和企標等標準,操作規范等;管理數據包括項目的方案、計劃書、流程圖、進度表、工作日志等。

常用數據格式有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數據等。

在實際應用中,因無人機油氣管線巡線需求不同,巡線數據的兼容性和變化性更需要系統管理。其特征有:

1)權屬單位多:管線地理區域廣,分管業主單位多,同類型數據在不同權屬業主單位均會出現。

2)變化快:由于業主單位眾多,分布遼闊,每天都會有無人機巡航產生這些數據。

3)數據量大:無人機攜帶的拍攝設備精度高,單次巡航時間長,會產生大量以G為單位的照片、視頻等數據。

4)淘汰率高:油氣管線發生突發狀況的概率不高,因此在未發現異常狀況下,大批巡線數據在過濾后將被丟棄。

5)保密性:涉及到重要的地理信息數據和管線數據,做好數據保密。

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、數據類別和數據特點,以及油氣管線數據的涉密性和巡線海量數據管理,建立無人機油氣管線巡線數據管理系統。

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,根據不同區域、不同場景,合理安排作業模式,極大地提高效率和全區管理巡線的覆蓋率,實現管線的全面監控。

2.2 數據直觀性

在無人機油氣管線巡線中,采用搭載不同的相機、雷達、紅外等感應系統,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場資料,便于直接判讀隱患點[6]。巡線數據疊加多種管線周邊地理地質信息、路線規劃、房屋更新等,進行可視化數據管理,提升管線的安全性。

2.3 精細管理

科學規劃無人機航線,提供每個無人機最優路徑[7]，并落實責任人，形成閉合環。海量數據分類、分級、保密管理，提高數據利用率。隱患數據跟蹤管理、統計分析管理、季度或年度綜合管理，隱患定級管理，提升綜合管理水平。

3 系統架構

無人機油氣管線巡線數據管理系統整體架構由客戶端和服務端組成[8]。客戶端為終端用戶軟件包,服務端為軟件服務層、基礎設施服務和數據服務層。客戶端包括權限/登入、巡線視頻、數據預處理、航線規劃等模塊;軟件服務層提供查詢、分析、航線規劃、航線數據服務;基礎模塊提供坐標轉換、瓦片服務、高程服務等對外網絡服務;數據服務包括柵格、矢量數據管理、視頻管理、航拍數據管理、數據庫管理等。無人機油氣管線數據管理系統構架-功能模塊見圖1。

圖1 無人機油氣管線數據管理系統構架-功能模塊圖

4 功能模塊設計

4.1 基礎模塊

基于GIS的二次開發,可以實現空間分析,疊加顯示等基礎功能。包括二維、三維數據疊加顯示,數據的統計和分析,專題圖的制作,空間分析,3 D模型瀏覽和編輯等基礎空間分析功能；同時也包括數據的導入、坐標的轉換、金字塔生成、瓦片生成、數據導出等基本功能。

4.2 用戶模塊

主要是人員信息的管理,設置連接訪問門戶及數據資源,為用戶和油氣管線的相關單位提供協同交互接口,用戶根據權限做相應操作,包括數據服務、項目服務和應用服務。數據服務包括數據查詢、存儲和管理;項目服務主要由管理部門使用,查看各項任務的研制進度,編輯和管理工作日志,用戶訪問系統權限分配并監管,保障整套系統的運行安全,維持系統正常運行;應用服務為用戶提供多種協同工具和技術支援,用戶可通過該服務進行在線會議,實施設計方案的討論,傳遞工程數據和項目文件。

4.3 無人機模塊

因無人機存在不同類型、不同廠家、不同狀態和不同工作時長等情況,應對無人機進行動態管理,對所處狀態進行自動跟蹤。無人機模塊可根據不同場景和條件,指導選擇合適的無人機;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顯示,對超時長的無人機進行檢修、返廠;實現無人機科學規劃,方便維護設備安全;對無人機組件(電池、航攝儀等)運行情況動態查詢,及時更新。

4.4 數據管理模塊

實現多源數據融合、分類管理、分級查詢與編輯、綜合空間分析。

4.4.1 本地數據庫的管理

實現數據的導入、編輯、查詢、顯示和上傳。不同數據存在兼容和坐標轉換的情況,選擇合適的坐標系進行預處理,視頻等原始資料按規范導入,確保數據有效性。

4.4.2 服務端數據的管理

實現數據的瀏覽、查詢、顯示和編輯。對海量數據進行壓縮,對以往數據定時清理、進行刪除和批量處理。

4.4.3 分級管理

及時更新原始數據信息,對成果數據進行驗收優化,對不同數據要有組織有條理地管理,設置不同權限和級別分級管理。

4.4.4 分類管理

分區域、分類別、分時間進行數據組織結構管理。合理設計數據結構,充分考慮各單位所需數據及屬性,兼顧數據的保密性、安全性和高效性。

4.5 管線巡線模塊

根據無人機油氣管線巡線作業頻率和內容,分為常規巡線和特殊巡線。常規巡線包括管線周邊環境檢測和管線線路管理；特殊巡線為應急監測、定點監測等[10]。

4.5.1 巡線區塊管理

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)航線設計：根據具體項目需求,設計航線及飛行架次。

3)模擬飛行：根據規劃的航線在三維場景中動態飛行,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、統計與空間分析。

5)航線綜合管理：主要是對飛機狀態、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,及周邊隱患距離的量測;提取隱患區域,并計算其面積,分析危險等級。

2)根據人工巡線判讀隱患類型及級別,輸出隱患信息。

3)對同一地區不同時間飛行成果信息對比研究,跟蹤隱患,分析變化及發展情況。

4.5.3 實時處理

當管線發現故障或者發現泄漏等緊急情況時,無人機高清、實時傳輸視頻,便于監控。

1)遠程視頻監控,實時監控管線及周邊情況。

2)第三方施工等影響管線的行為,搭載喊話系統,懸停多角度拍攝。

3)調配人員現場處理,分發至責任人,做到快速響應。

4.5.4 項目管理

設計項目流程,項目立項后相關報表和文件的共享,項目進展、日志、周報、月報等情況跟蹤、完成情況統計、歷史顯示。

4.6 安全預警模塊

結合GIS系統,對無人機油氣管線巡線多源數據的空間分析[11],對空間數據管理,對隱患信息綜合分析,為無人機油氣管線預警模塊提供充足空間基礎資料。

4.6.1 隱患定級

通過多源數據包括遙感影像、管線信息、巡線數據、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 應急預警

通過隱患數據的排查與檢索,判斷危害級別。結合其他氣象、天氣溫度、地圖等信息,預警油氣管線的易影響區域,進行預警并定位,高亮提示。

4.6.3 管線統計分析

對區域性管線隱患點批量分析,對經常出現問題的檢修點及類別統計分析,提示相應措施,實現自動化管理。

4.6.4 數據實時更新

隱患信息、管線信息以及基礎數據變化要實時更新,進行數據的拼接、轉換、處理。實現不同時期數據高精度顯示、可跟蹤、可持續更新。

4.6.5 應急搶險

對發生事故的工區建立應急預警響應機制,包括快拼成圖、720度全景、事故點的實時圖傳監控等,掌握事故區的最新動態,指導制定合理方案。

5 應用實例

無人機油氣管線巡線數據管理系統是一個集無人機數據管理、油氣管線巡線數據、數據成果管理及安全預警于一體的系統,可以實現無人機動態管理、油氣管線巡線數字化管理及自動化隱患綜合分析安全預警。

該系統應用于某成品油管線,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，其中山區管線占70%以上,且多數管線穿越河流、溝壑等復雜地形,地質災害頻發,導致管網安全風險管控難度大。巡線多以懸翼無人機機型為主,外業巡線作業時間為2018年5月至11月。該無人機油氣管線巡線數據管理系統包括以下幾方面:

5.1 人員資產管理

無人機油氣管線巡線的基礎條件,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、電子票據等。做到資產在線管理,有據可查;落實到人,設備狀態一目了然。

5.2 巡線任務管理

依托人員資產管理模塊,展開飛行任務業務流。無人機油氣管線巡線按照月度計劃進行,巡線任務的編排、執行、跟蹤,以及巡線時偶然發生的巡線事故(墜機等),均屬巡線任務管理之列[13]。飛行計劃嚴格按照設計-審批流程,飛行任務產生成果數據,成果數據萃取出巡線問題,形成閉合環,落實到人,全程跟蹤,有據可依。巡線任務管理流程見圖2。

圖2 巡線任務管理流程圖

5.3 巡檢數據管理

無人機油氣管線巡線的基礎數據,包含無人機飛行航線,以及巡線的目標管線矢量數據[14]。

航線數據根據不同管理處,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內航段設計、飛行任務審批、飛行數據管理,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。巡檢數據管理見圖3。

圖3 巡線航線管理圖

5.4 隱患數據管理

無人機油氣管線巡線目的即為發現隱患,通過無人機得到照片、視頻等數據,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據,實現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,發現滑坡點

d)第三方施工物理隔離不規范

a)平原智能識別

b)山地識別

5.6 統計查詢管理

根據巡線成果數據分析檢查出的隱患、險情,記錄統計,并且根據不同類型問題(占壓、第三方施工、地質災害、附屬設施損壞、巡線通道等)分布,統計各管理處下屬管道的問題數量。系統設置了問題處理流程,跟蹤巡線問題的整個閉環處理環節。隱患數據統計見圖6。

通過無人機油氣管線巡線數據管理系統的實際應用，提高巡線工作效率,提升隱患識別能力,實現數據權限管理和分類管理,保證數據的有效性及可追蹤,提升管線安全性。

圖6 隱患數據統計圖

1)提高巡線工作效率及數據完整性。對經過高山、河流的管線,人工徒步巡線往往要耗費4 h以上,現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,任務緊且易產生疲勞造成隱患漏選。采用基于深度神經網絡的智能識別技術,對管線范圍內的異常目標,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,結合人工判別方法，發現隱患,跟蹤隱患,統計隱患,整改隱患,實現動態管理。落實到人,實現可追蹤式管理,提高數據管理水平,保證管線安全性。

7 結論

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

隨著數據的不斷更新和完善,結合GIS分析的綜合功能有待進一步完善和加強。