无人机油气管线巡线数据管理系统研究

舒 艳

中石化石油工程地球物理有限公司地理地质信息勘查分公司, 湖北 武汉 430000

0 前言

近年来,无人机在油气管线巡线中运用越来越多,特别是在山地、河流以及无人区等复杂区域,可以定期运用无人机航拍提高管线巡护效率,弥补常规巡线的不足,大大提高整体管线的监管力度,为管线运营提供更多的第一现场资料和保障[1]。

油气管线具有区域跨越大、距离长、规模大、管网复杂、年代跨度大等特点,量化跟踪管理困难。随着油气管网里程的日益增加,安全隐患增多,加强管线安全巡护和科学管理的需求更加紧迫。无人机油气管线巡线主要应用于以下方面:

1)管线施工：无人机小巧灵活,可以全面快速了解地形地貌以及管线周边信息,并实时传输图像和视频质量,及时提供区域的地理空间信息,随时查看施工进度、布置及管线走向,指导并监督管线施工进程。

2)管线巡线：无人机可以高效地完成大范围的常规巡线。搭载可见光、红外、昼夜监控设备,可以在指定目标上悬停查看;可以利用任务吊舱获取管线周围土壤、天气、管线温度等信息分析[2];发现可疑情况可立即定位报警,锁定和跟踪地面目标探查细节[3],配合远程喊话器,及时发现、制止破坏管线和盗油等行为；提高自动化程度,降低人工巡线成本和提高巡线安全。

3)管线应急响应：遇洪水、泥石流和山体滑坡等自然灾害时,可通过无人机遥感拍摄远程影像[4],进入灾害现场勘察,了解管线受损及周边次生灾害情况；还可以搭载扫描视频设备,将数据实时传输到指挥中心,为抢修提供信息支撑[5],最大程度降低灾害。

1 巡线数据

无人机油气管线巡线数据管理系统主要涉及原始数据、生产数据、属性数据、技术数据和管理数据等；原始数据包括图片、视频、管线、航线、地图;生产数据包括DEM、DOM、隐患管理、分析统计等数据;属性数据包括管线桩号、埋深、责任人、所属区域、隐患点信息、历史数据等。技术数据包括国标、行标和企标等标准,操作规范等;管理数据包括项目的方案、计划书、流程图、进度表、工作日志等。

常用数据格式有MP 4格式的视频文件,tiff或者jpg格式的图片,doc或pdf格式的文档,shp格式的矢量以及xml格式的航线,word或者excel数据等。

在实际应用中,因无人机油气管线巡线需求不同,巡线数据的兼容性和变化性更需要系统管理。其特征有:

1)权属单位多:管线地理区域广,分管业主单位多,同类型数据在不同权属业主单位均会出现。

2)变化快:由于业主单位众多,分布辽阔,每天都会有无人机巡航产生这些数据。

3)数据量大:无人机携带的拍摄设备精度高,单次巡航时间长,会产生大量以G为单位的照片、视频等数据。

4)淘汰率高:油气管线发生突发状况的概率不高,因此在未发现异常状况下,大批巡线数据在过滤后将被丢弃。

5)保密性:涉及到重要的地理信息数据和管线数据,做好数据保密。

6)及时更新:对管线路径变化、坐标变化、隐患信息变化等基础重要信息及时更新。

2 需求分析

针对无人机巡线的不同需求、数据类别和数据特点,以及油气管线数据的涉密性和巡线海量数据管理,建立无人机油气管线巡线数据管理系统。

2.1 全面覆盖

无人机油气管线巡线采用人机并线管理及同步巡线,根据不同区域、不同场景,合理安排作业模式,极大地提高效率和全区管理巡线的覆盖率,实现管线的全面监控。

2.2 数据直观性

在无人机油气管线巡线中,采用搭载不同的相机、雷达、红外等感应系统,高清、实时拍摄,有效地得到管线的图片、视频、红外信息等大量第一手现场资料,便于直接判读隐患点[6]。巡线数据叠加多种管线周边地理地质信息、路线规划、房屋更新等,进行可视化数据管理,提升管线的安全性。

2.3 精细管理

科学规划无人机航线,提供每个无人机最优路径[7]，并落实责任人，形成闭合环。海量数据分类、分级、保密管理，提高数据利用率。隐患数据跟踪管理、统计分析管理、季度或年度综合管理，隐患定级管理，提升综合管理水平。

3 系统架构

无人机油气管线巡线数据管理系统整体架构由客户端和服务端组成[8]。客户端为终端用户软件包,服务端为软件服务层、基础设施服务和数据服务层。客户端包括权限/登入、巡线视频、数据预处理、航线规划等模块;软件服务层提供查询、分析、航线规划、航线数据服务;基础模块提供坐标转换、瓦片服务、高程服务等对外网络服务;数据服务包括栅格、矢量数据管理、视频管理、航拍数据管理、数据库管理等。无人机油气管线数据管理系统构架-功能模块见图1。

图1 无人机油气管线数据管理系统构架-功能模块图

4 功能模块设计

4.1 基础模块

基于GIS的二次开发,可以实现空间分析,叠加显示等基础功能。包括二维、三维数据叠加显示,数据的统计和分析,专题图的制作,空间分析,3 D模型浏览和编辑等基础空间分析功能；同时也包括数据的导入、坐标的转换、金字塔生成、瓦片生成、数据导出等基本功能。

4.2 用户模块

主要是人员信息的管理,设置连接访问门户及数据资源,为用户和油气管线的相关单位提供协同交互接口,用户根据权限做相应操作,包括数据服务、项目服务和应用服务。数据服务包括数据查询、存储和管理;项目服务主要由管理部门使用,查看各项任务的研制进度,编辑和管理工作日志,用户访问系统权限分配并监管,保障整套系统的运行安全,维持系统正常运行;应用服务为用户提供多种协同工具和技术支援,用户可通过该服务进行在线会议,实施设计方案的讨论,传递工程数据和项目文件。

4.3 无人机模块

因无人机存在不同类型、不同厂家、不同状态和不同工作时长等情况,应对无人机进行动态管理,对所处状态进行自动跟踪。无人机模块可根据不同场景和条件,指导选择合适的无人机;无人机飞行轨迹、历史航线查询显示[9];对工作中的无人机进行动态显示,对超时长的无人机进行检修、返厂;实现无人机科学规划,方便维护设备安全;对无人机组件(电池、航摄仪等)运行情况动态查询,及时更新。

4.4 数据管理模块

实现多源数据融合、分类管理、分级查询与编辑、综合空间分析。

4.4.1 本地数据库的管理

实现数据的导入、编辑、查询、显示和上传。不同数据存在兼容和坐标转换的情况,选择合适的坐标系进行预处理,视频等原始资料按规范导入,确保数据有效性。

4.4.2 服务端数据的管理

实现数据的浏览、查询、显示和编辑。对海量数据进行压缩,对以往数据定时清理、进行删除和批量处理。

4.4.3 分级管理

及时更新原始数据信息,对成果数据进行验收优化,对不同数据要有组织有条理地管理,设置不同权限和级别分级管理。

4.4.4 分类管理

分区域、分类别、分时间进行数据组织结构管理。合理设计数据结构,充分考虑各单位所需数据及属性,兼顾数据的保密性、安全性和高效性。

4.5 管线巡线模块

根据无人机油气管线巡线作业频率和内容,分为常规巡线和特殊巡线。常规巡线包括管线周边环境检测和管线线路管理；特殊巡线为应急监测、定点监测等[10]。

4.5.1 巡线区块管理

主要是管线长距离、大面积的航拍测绘。无人机航飞后照片和视频,通过技术人员判读后识别隐患,跟踪隐患信息,并进行定位跟踪。

1)管线的测量：包括管线长度，测算管理长度、深度,三维显示,三维量测。

2)航线设计：根据具体项目需求,设计航线及飞行架次。

3)模拟飞行：根据规划的航线在三维场景中动态飞行,掌握飞行路径,与高压线、通信塔等隐患距离量测,判断是否可以进行航飞。

4)巡线事件管理：对巡线事件的查询、统计与空间分析。

5)航线综合管理：主要是对飞机状态、飞行轨迹及以往历史航线的综合分析。

4.5.2 隐患管理

1)划定管线沿线的安全缓冲区,及周边隐患距离的量测;提取隐患区域,并计算其面积,分析危险等级。

2)根据人工巡线判读隐患类型及级别,输出隐患信息。

3)对同一地区不同时间飞行成果信息对比研究,跟踪隐患,分析变化及发展情况。

4.5.3 实时处理

当管线发现故障或者发现泄漏等紧急情况时,无人机高清、实时传输视频,便于监控。

1)远程视频监控,实时监控管线及周边情况。

2)第三方施工等影响管线的行为,搭载喊话系统,悬停多角度拍摄。

3)调配人员现场处理,分发至责任人,做到快速响应。

4.5.4 项目管理

设计项目流程,项目立项后相关报表和文件的共享,项目进展、日志、周报、月报等情况跟踪、完成情况统计、历史显示。

4.6 安全预警模块

结合GIS系统,对无人机油气管线巡线多源数据的空间分析[11],对空间数据管理,对隐患信息综合分析,为无人机油气管线预警模块提供充足空间基础资料。

4.6.1 隐患定级

通过多源数据包括遥感影像、管线信息、巡线数据、DOM/DEM的叠加显示、叠加分析,综合判读隐患,定量定性隐患最大影响范围,对隐患分类定级[12]。

4.6.2 应急预警

通过隐患数据的排查与检索,判断危害级别。结合其他气象、天气温度、地图等信息,预警油气管线的易影响区域,进行预警并定位,高亮提示。

4.6.3 管线统计分析

对区域性管线隐患点批量分析,对经常出现问题的检修点及类别统计分析,提示相应措施,实现自动化管理。

4.6.4 数据实时更新

隐患信息、管线信息以及基础数据变化要实时更新,进行数据的拼接、转换、处理。实现不同时期数据高精度显示、可跟踪、可持续更新。

4.6.5 应急抢险

对发生事故的工区建立应急预警响应机制,包括快拼成图、720度全景、事故点的实时图传监控等,掌握事故区的最新动态,指导制定合理方案。

5 应用实例

无人机油气管线巡线数据管理系统是一个集无人机数据管理、油气管线巡线数据、数据成果管理及安全预警于一体的系统,可以实现无人机动态管理、油气管线巡线数字化管理及自动化隐患综合分析安全预警。

该系统应用于某成品油管线,管线距离长约3 000 km,涉及广西的桂林柳州、广东的珠海深圳茂名等地，其中山区管线占70%以上,且多数管线穿越河流、沟壑等复杂地形,地质灾害频发,导致管网安全风险管控难度大。巡线多以悬翼无人机机型为主,外业巡线作业时间为2018年5月至11月。该无人机油气管线巡线数据管理系统包括以下几方面:

5.1 人员资产管理

无人机油气管线巡线的基础条件,包含参与巡线的人员、巡线所使用的无人机、无人机电池,以及配套电子文档、电子票据等。做到资产在线管理,有据可查;落实到人,设备状态一目了然。

5.2 巡线任务管理

依托人员资产管理模块,展开飞行任务业务流。无人机油气管线巡线按照月度计划进行,巡线任务的编排、执行、跟踪,以及巡线时偶然发生的巡线事故(坠机等),均属巡线任务管理之列[13]。飞行计划严格按照设计-审批流程,飞行任务产生成果数据,成果数据萃取出巡线问题,形成闭合环,落实到人,全程跟踪,有据可依。巡线任务管理流程见图2。

图2 巡线任务管理流程图

5.3 巡检数据管理

无人机油气管线巡线的基础数据,包含无人机飞行航线,以及巡线的目标管线矢量数据[14]。

航线数据根据不同管理处,按不同管线段、类别和时间命名。各大管理处各场站负责辖区内航段设计、飞行任务审批、飞行数据管理,包括航线浏览、航线属性显示、自定义属性编辑、视频巡检、视频编辑、隐患标记、报告输出等功能。巡检数据管理见图3。

图3 巡线航线管理图

5.4 隐患数据管理

无人机油气管线巡线目的即为发现隐患,通过无人机得到照片、视频等数据,人工识别隐患，标注不同隐患信息，输出报告，进行隐患整改并记录。常见隐患见图4。

5.5 智能分析管理

通过人工智能识别前后飞行照片对比,差异化识别隐患信息,并输出报告[15]。通过采集异常目标样本数据,实现人工智能识别人类活动对管线的隐患信息,包括房屋、车辆、变化点等识别标注，见图5。萃取出来的各类问题、隐患、险情,需要进行相应的处理,处理过程全部有案可查。

a)管线安全隐患

b)房屋占压

c)树木呈倒伏状,发现滑坡点

d)第三方施工物理隔离不规范

a)平原智能识别

b)山地识别

5.6 统计查询管理

根据巡线成果数据分析检查出的隐患、险情,记录统计,并且根据不同类型问题(占压、第三方施工、地质灾害、附属设施损坏、巡线通道等)分布,统计各管理处下属管道的问题数量。系统设置了问题处理流程,跟踪巡线问题的整个闭环处理环节。隐患数据统计见图6。

通过无人机油气管线巡线数据管理系统的实际应用，提高巡线工作效率,提升隐患识别能力,实现数据权限管理和分类管理,保证数据的有效性及可追踪,提升管线安全性。

图6 隐患数据统计图

1)提高巡线工作效率及数据完整性。对经过高山、河流的管线,人工徒步巡线往往要耗费4 h以上,现在通过查看视频检查管线周边情况,只需要15～20 min,大大提高了巡线工作效率。同时可以获取整体管线巡查资料,实现全面巡线。

2)智能巡线。人工浏览视频检查管线隐患精度高,但工作量大,任务紧且易产生疲劳造成隐患漏选。采用基于深度神经网络的智能识别技术,对管线范围内的异常目标,如异常车辆、工程车、违建房屋等特征目标进行快速识别与检测,结合人工判别方法，发现隐患,跟踪隐患,统计隐患,整改隐患,实现动态管理。落实到人,实现可追踪式管理,提高数据管理水平,保证管线安全性。

7 结论

本文针对无人机油气管线巡线数据的特点,设计了包含基础模块、用户模块、无人机模块、数据管理模块、管线巡线模块以及安全预警模块的无人机油气管线巡线数据管理系统,保证油气管线的保密性、安全性,保证无人机可追踪,保证数据的高效利用,解决以往资料数据归档不规范的问题,提高管线巡线效率及智能化程度;确保管线的全面覆盖,挖掘油气管线预警系统,保证无人机油气管线巡线数据管理系统整体的协作性及应用终端的通用性。

随着数据的不断更新和完善,结合GIS分析的综合功能有待进一步完善和加强。