激光甲烷遙測相關技術及云平臺實現應用

喬威力

摘要：城鎮天然氣輸配系統是關系國家民生的重要基礎設施。距離工商業用戶和居民區較近，尤其高后果區，天然氣泄露后將造成重大安全隱患。現有的傳統天然氣泄漏檢測系統存在檢測范圍有限、速度慢、誤報情況多、人工巡檢勞動強度大等缺陷，因此，實現應用一套高精度、反應迅速的智能化甲烷泄露監測系統勢在必行。

關鍵詞：激光甲烷檢測;智能

1緒論

我國在當前經濟背景下，從工業 4.0 到“互聯網+”，本文實現的激光甲烷遙測云平臺（以下簡稱本云平臺）。本云平臺基于物聯網，輔以激光甲烷檢測、云平臺、智能巡航、遠程監控等技術。能夠實現快速及時準確檢測到泄漏并準確定位到泄漏位置。可以應用到全國各大輸氣站和長輸氣管道周圍，增強檢測精度和巡檢力度。一旦發現天然氣泄漏，立即通過多種渠道反饋給相關人員，根據回傳的現場資料準確制定解決方案。 具有十分廣闊的應用前景。

2相關技術概述

2.1物聯網甲烷檢測方案

在甲烷檢測領域的物聯網研究中，大部分解決方案的架構都是用云平臺等解決方案。

2.1.1云平臺方案

云平臺解決方案主要使用 WiFi 和數據流量網絡進行組網。WiFi 技術是基于IEEE802.11 的通信協議。近些年，WiFi 憑借其高性能的傳輸速度在各行各業都有極強的適應性。WiFi 對數據的傳輸安全、可靠、穩定。非常適合甲烷檢測領域的物聯網對網絡的要求。

在云平臺解決方案中，每臺終端都通過 WiFi 或者數據流量與云平臺相連，為物聯網和用戶終端實現監控遠程化。

該解決方案有著明顯的優勢，整個系統的連接結構十分簡單，低延時、高可靠、快速傳輸、高效傳輸。由于基于無線通信技術訪問互聯網，減少了設備之間的線纜連接。增強了本云平臺的環境適應性，節約了成本。而且組網十分簡單，WiFi 和數據流量都不需要過多的專業技術就能成功部署。

3智能巡航算法

本章將詳細介紹對智能巡航算法的過程和結論。本課題中研究的智能巡航算法主要配合遠源單點半固定式甲烷檢測系統，用來保證采集器檢測范圍的同時大幅度減少采集器數量，大大減少采集器成本。

3.1智能巡航算法概述

智能巡航算法是整個課題的核心，本算法能夠智能規劃物聯網終端的新型激光甲烷檢測設備的巡航路徑，縮短泄漏發現的時間。并有效收集城鎮天然氣輸配系統上各點的甲烷數據用于數據分析。

本課題中研究的智能巡航算法主要分為空間信息建模和巡航路徑規劃兩部分。算法首先要對環境周圍待巡航檢測管道進行空間信息建模，接著對空間信息建模的結果進行巡航路徑的規劃。

3.2空間信息建模

空間信息建模過程主要使用圖像語義分割、單目視覺定位等技術對目標特征點進行三維空間信息的還原。首先，對新型激光甲烷檢測設備四周進行連續的圖像采集。其次，根據采集的圖像通過計算機視覺的圖像語義分割技術進行目標特征區域的識別，提取圖片中的城鎮天然氣輸配系統的特征區域。接下來，在目標特征區域中選取一系列目標特征點通過自旋轉狀態下單目視覺定位技術進行處理，通過這一系列特征點的二維圖像信息到三維空間信息的轉換，還原出這一系列目標特征點的三維空間信息并進行記錄。最后，利用這些信息構建目標的三維空間信息模型。

3.3巡航路徑規劃

巡航路徑規劃過程主要是規劃一條對目標全面掃描的路徑。這條規劃的路徑需要盡可能少的交叉和重復。換一句話說，巡航路徑規劃就是對目標的三維空間信息模型中大量特征點進行空間三維信息重排序。通過計算每個特征點之間的空間幾何距離，并根據空間幾何距離選擇合適的特征點加入路徑序列中。當所有特征點全部加入路徑序列中后，巡航路徑就規劃完成了。

巡航路徑規劃部分首先獲取通過空間信息建模部分生成的城鎮天然氣輸配系統三維空間信息模型，根據城鎮天然氣輸配系統三維空間信息規劃巡航的路徑。在保證城鎮天然氣輸配系統都至少被巡航一次的前提下，要盡可能多的減少巡航路徑的重復率。

前文提到過巡航路徑規劃其實可以看作給這一些列水平俯仰角進行重排序的過程。只需要計算起始點與其他點之間的幾何距離，選擇幾何距離小的點加入路徑序列排在起始點的后面。再將新加入的點設為起始點。重復上述過程，直到所有點都加入到序列中，至此特征點三維信息重排序結束。

4激光甲烷檢測平臺模塊實現應用

激光甲烷檢測平臺負責與新型激光甲烷檢測設備的通信協議，數據上傳等模塊實現，包括新型激光甲烷檢測設備的云臺控制協議和智能巡航算法控制模塊實現。激光甲烷檢測平臺分為激光甲烷檢測和設備姿態控制兩部分，每部分有若干模塊。

4.1激光甲烷檢測系統實現應用

激光甲烷檢測系統主要提供對激光甲烷檢測傳感器通信功能，其中包括甲烷通信協議模塊，提供物聯網終端與甲烷傳感器的通信服務;提供對物聯網終端客戶端文本、圖片、錄像視頻等異構數據上傳數據中心服務。

4.1.1甲烷通信協議模塊實現應用

甲烷通信協議模塊主要負責與激光甲烷濃度傳感器進行串口通信。是傳感器開關、甲烷濃度獲取等 API 的具體封裝實現。甲烷通信協議模塊還負責激光甲烷濃度傳感器串口資源的維護，包括串口的數量，在線情況、波特率、校驗位、串口消息緩存隊列等。

4.1.2智能巡航控制模塊實現應用

智能巡航控制模塊主要負責智能巡航算法服務的實現，其實現原理在第三章已有過詳細的論述，就不在此贅述了。這里主要描述一下智能巡航控制模塊除算法之外的實現應用。除了智能巡航算法服務的實現之外，智能巡航控制模塊還負責暴露提供智能巡航算法服務的 API，供物聯網終端調用。

結論

本文針對城鎮天然氣輸配系統高后果區容易造成天然氣泄漏的現象和傳統甲烷檢測系統存在的不足，設計并實現了基于物聯網的激光甲烷遙測云平臺，并著重研究智能巡航算法，時間縮短，能夠在泄漏發生后更快的發現泄漏并確定泄漏點，避免重大燃爆事故的發生。

鑒于知識水平有限，因此懇請各位專家學者對本文中出現的疏漏和錯誤進行批評指正！

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