CN108304983A - 一种基于无人机和网络通信技术数据采集的输油输气管道巡检修管理平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机应用和物联网应用技术及无人机与数据融合技术方法，该方法在飞行器获取数据后，利用自组广域网络，完成整体数据收集及汇总，再利用卫星传输的方式将数据传输至指挥平台。首先，利用无人机采集相应影像数据。然后，利用自组网络汇总、传输设备采集的数据至卫星。最后，在数据的基础上，完成平台对油气管道总体指挥控制。

Description

一种基于无人机和网络通信技术数据采集的输油输气管道巡 检修管理平台

【技术领域】

本发明属于无人机应用和物联网应用技术领域，特别涉及无人机与数据融合技术。

【背景技术】

石油石化、天然气行业一直是国家安全防范的重点行业，一旦发生火灾或爆炸等事故，将会造成重大的人员伤亡和国家财产的严重损失。回顾2010-2014年间，大连石化公司发生的“四年八爆”仍历历在目，在国内众多油气管道已经运营多年的情况下，油气管道的安全问题日益凸显，而对油气管道安全隐患进行定期排查、巡检亟待进行。

目前，我国的油气管道总里程已近15万公里，纵横万里的油气管道为国民经济和居民的日常生活提供着重要的能源。为了有效保证能源传输的安全，必须对它们进行定期巡查。对于石油管线的巡检项目，尤其是长距离输油输气管道(长度在400km以内)、区域性油气田断块系统(面积在100km2左右)而言，这些项目经常要求“短平快”，测量周期短、任务重、质量高，区域内地形、地貌复杂多变，常常穿越无人区如沙漠戈壁、森林、高山等，有时人员和测量仪器无法到达。

传统的对石油管道泄漏进行检测的方法往往是通过探测仪和人力巡逻的方法，由于依靠人力，其劳动强度大、作业程序复杂、资源配置臃肿繁多、工效低、周期较长，特别是在困难地段往往无法按时保质保量完成测量任务，不能实时地对石油管道进行全面监控，所以并不能有效地保证管道线路的安全。

因此，为了保证石油管道线路的安全运输，石油石化行业迫切需要一种高效、简便、低成本的电子监测系统来替代传统的监测手段，实现对石油天然气输送管道进行自动的数据采集和上报，使得泄漏能被及时发现，并采取补救措施，从而达到降低企业经济损失，减少环境污染的目的。

我国输气管道设施装备尚处在初始水平，人工巡检、电流电压监控、预测预报手段落后，科技含量较低，预防监测和处突综合能力不强。

由于管道隐患较多，且80％左右的输气管道在野外，人力巡检作业中常遇到很难到达的地区，有效作业率低下，人力、装备、器材大量消耗，现有的方法及装备不能满足需要。由于管道巡检科技手段匮乏，没有专门的、形成标准的、现代化的巡检监控预防体系，或不能达到应有的工作标准。

综上所述，我国输气管道技术现状形势严峻，巡检监测任务繁重。为适应现阶段的需要，更好地保护现有输气管道正常运行，减少天然气管道泄漏，保证人民群众生命财产，急需提高现代化科技监测手段与装备水平，巡检队伍和预警监控建设，迫在眉睫。应同时筹备建立无人机移动保障系统、建设和完善无人机调度管理系统、无人机巡查系统、监测预警系统，以革新现有的管理手段，确保资源和国土生态安全，保证人民生命财产尽可能少受损失，为地方经济和社会发展创造和谐环境。

【发明内容】

本发明的目的是针对输油输气管道无人机在无电无网区域，设计的一种高性能的数据融合技术。该方法可以广泛应用于输油输气管道巡检方案。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

1)利用无人机对地面进行深根植物、违建等会影响输油输气管道安全的因素排查；

2)利用局域网络进行点位数据采集汇总；

3)利用卫星传输的方式将汇总数据传输至指挥平台后进行统一调度指挥。

所述的步骤1)中，无人机对地面进行深根植物、违建等会影响输油输气管道安全的因素排查具体方法如下：

无人机地面监测系统由北斗导航卫星、固定翼机型遥感平台、地面站和数据管理中心共四部分组成。形成以点成线、以线成面的防控体系，对巡线、指挥工作进行定点定时的全面监控，无人机会将地面实时监控画面传输到指挥中心。

无人机利用其定位卫星，在任务范围内实时进行定位、导航的系统，进行全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航飞信，提供高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，提高油气管道巡检信息化水平。

该系统使用固定翼机型遥感平台其搭载的地面监控系统对地观测的遥感平台，提供稳定的对地定向，并对平台飞行高度、速度等有特定的要求。搭载热红外光谱段的遥感器，此外遥感平台提供遥感器合适的环境，如振动和抖动小、电磁干扰小、温度在合适的范围等。

无人机上装备的高清数字摄像机将采集到的数字信号通过网络接口传递给视频压缩系统，系统对数字信号进行预处理和H.264压缩，然后通过无线高速网络传输给地面控制系统。地面控制系统接收到视频数字信号后，将其进行解压存储，并显示在屏幕上。

地面站实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。

利用计算机硬件和软件技术对数据进行有效的收集、存储、处理和应用的过程其目的在于充分有效地发挥数据的作用。实现数据有效管理。数据管理分为人工管理、文件系统、数据库系统三个发展阶段。在数据库系统中所建立的数据结构，更充分地描述了数据间的内在联系，便于数据修改、更新与扩充，同时保证了数据的独立性、可靠、安全性与完整性，减少了数据冗余，故提高了数据共享程度及数据管理效率。

所述的步骤2)中，数据汇总方法如下：

系统数据传输基于广域网络技术和卫星通信技术，其中，广域网络应用于每一个间隔1公里的管道监测节点，卫星通信终端应用于每一个间隔50公里的监测网关。

其中广域网无线网络是一种基于扩频技术的远距离、低带宽、低成本的广域无线网络传输技术。该网络主要应用于智慧农业，无线抄表，工业互联网，智能停车场，智慧城市等物联网应用领域。本系统通过网络构成，构建运营商级广域网络的石油管道监测管理系统，以保证用户QoS服务质量，确保系统的健壮性和稳定性。实现每一个管道监测点不仅可以将自己的数据上传，还可以帮助周围的监测节点进行中继通信，以增加自身功耗的代价来换取更广泛的网络覆盖范围，有效保证了系统在复杂应用环境下的网络全覆盖能力。节点单跳最大通信范围5公里左右，可稳定支持10跳以上自由组网传输。在自组织协议自由组网模式下，协议会根据链路质量自动选择最佳路径。系统中每个节点都有一条或几条传送数据的路径，如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。

每一个管道监测节点还同时配备卫星定位模块。监测节点将自身的定位信息，连同传感器检测到的管道电压、电流等数据，按照用户设置的采样周期自动上传到管道监测网关节点，网关节点周边约50公里范围以内的监测节点收集完成后，统一通过卫星通信网络将数据集中发送到卫星地面站，然后通过Internet传输至数据监控中心。

网关节点同时配备无线通信模块、卫星定位和通信模块。广域网络通信模块用于收集半径25公里以内的全部管道监测节点上报的监测数据，定位模块用于定位网关节点位置，卫星通信模块用于将全部数据由本地，经过卫星通信链路发往卫星通信系统地面站，最终将全部数据传输到终端用户的系统中。

通过有机组合利用广域网技术和卫星通信技术，可以有效减少卫星通信终端的部署数量，极大的降低了系统建设部署成本。同时，通过局部汇聚数据统一进行卫星链路传输，有效提高了卫星通信链路的使用效率，也有利于降低后续卫星链路服务成本。

所述的步骤4)中，管理平台简述方法如下：

智能巡检平台运用“互联网”理念，采用“物联网+移动应用”技术构筑线上线下合一、前段后端贯通、横向纵向联动的全方位、全天候、全过程的管理模式，实现众业务、多专业、跨部门管理的标准化、规范化、透明化。

该平台基于对规章制度、人员、设备设施、作业区域等对象的高度抽象化、结构化及标准化，通过灵活业务模型配置，实现设备巡检、保养、盘点及标准化检查的多项业务应用，旨在助推各项制度全面落实，助力责任明确透明，尤其针对企业安全管理业务，能及时消除安全隐患，为安全生产搭建“防护伞”，提高风险防范能力，提升安全管控力度。

运用大数据分析技术，实现数据多维度、多方位的分析，挖掘有价值信息并实现共享，搭建过程管理“档案库”，完善异常情况数据链。同时，能帮助管理者实时、准确了解业务管理和执行情况，提高管理效率和决策准确性，为企业安全生产、节约成本提供决策支撑。

1、基础管理实现设备采购、发放、调拨及报废等设备的全生命周期管理。

规定各类设备设备在各单位的限定数量，在采购和调拨时，用于判断该单位是否符合设备数量限定，防止超规定采购和配置。设备清查统计时，用于了解各单位设备是否按规定配置。

2、采购申请计划，申请采购的单位会参照其设备编制进行检查，如超编则不能列入计划，采购设备只能从已登记的采购报价中选取，计划会自动计算采购金额；

采购审批，由主管岗位对采购计划进行审批后，即可在线下开始采购工作；

采购验收，采购设备实际到货后，由相关岗位负责按计划对到货资进行确认，由相关接受人员在系统上登记验收情况；

设备转固，经验收确认后，设备明确档案信息，包括责任人、放置地点等要素，由设备管理人员转入固定设备，在设备转固之前，设备属于在途性质，不计入正式设备档案。

3、设备档案管理

设备档案查询：用户可以按设备分类查询设备档案详细内容，包括厂商档案及型号资料，查询时可将设备档案导出为excel文件。

设备档案管理：用户按设备分类对设备档案进行内容管理和删除。注：档案中的状态、单位、部门、位置及负责人等由发放、调拨、运维等模块关联，原则上不在此模块中直接修改。

4、设备档案导入：可以按系统提供的模板将设备档案批量导入。注：导入前建议先建立厂商档案并建立厂商设备型号内容，否则将需要对档案进行单独维护厂商。

设备发放管理

完成设备发放从计划到接收全过程业务处理。

设备通过验收转固后，进入库存状态，从库存设备中选择发放设备，选择接收单位和部门，制定发放计划。计划经管理者审批后才能生效，设备接收后，填写相应的位置、责任人等信息，确认接收。

发放过程信息可以全程查询，并可导出。

5、设备调拨管理

实现设备设备在内部的调拨全过程业务处理。

用户只能实现本单位、部门和下属单位、部门之间的设备设备调动，先制定计划，指定调出和调入单位部门，选择调拨设备，完成计划，提交计划审批。

计划审批通过后，由调出方和调入方按先后顺序进行确认，完成相关的设备档案信息项目，完成调拨业务。

调拨过程信息可以全程查询，并可导出。

6、设备报废管理

根据设备使用年限或实际情况，制定报废申请，填写报废原因等情况说明。申请审批后，设备状态即变为报废状态，不在实际业务中使用，同时在设备编制中减少该编制。

报废审批通过后，需要进行报废处理登记，填写处理情况。

由财务部门进行设备价值管理流程，完成设备价值处理。

设备价值处理支持文档导出，对特定用户可以单独开发自动接口，对接相应设备管理系统。

7、采购报价管理

用户对入围采购的厂商的设备设备及配件进行价格登记，价格按同各厂商协议执行，该价格用于采购计划中的成本、运维中的更换成本计算。如入围设备设备及配件价格发生变化，需要及时更新。

8、工属具管理

针对用户公共使用的日常使用工具进行收发管理。

标准化检查

用于用户进行单位安全生产制度的检查，能保证单位生产安全相关的国家制度、规定得到落实，及时发现安全隐患、考核安全岗位。

非设备实物类标准化规范检查，为用户行业服务规范、对外形象、企业文化等使用检查制度进行常态信息化落实提供手段。

用户可以自主定义各类指定时间规律执行的检查模板，包括检查方案、分类、项目、指标，支持检查项定义评分机制(加分或扣分)，实时自动计算得分得分和名次。

检查任务在终端执行可以控制是否上传现场照片、在规定时间、规定岗位执行检查。

统计分析

实现对设备管理进行多口径、多角度、多维度的统计分析，灵活定制各类报表及图形，有助于管理者直观快速的了解和掌握情况，做到心中有数，及时发现问题，尽快做出决策；

异常监控

通过设定各类指标监控异常情况，同时借用地图等直观的展示手段及时找到具体位置、实时数据等重要信息，加上对历史数据的挖掘，找到产生异常的原因。

移动监控

引入移动应用技术支持领导工作及决策，将办公处理流程及异常监控在智能手机终端实现，使领导办公不再受地理位置的限制，随时随地掌握企业情况，及时作出决策。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的目的是针对本发明的目的是针对输油输气管道无人机在无电无网区域，设计的一种高性能的数据融合技术。该方法可以广泛应用于输油输气管道巡检方案。其特点是在无人机上搭载全球卫星定位系统并利用自组无线网络通信的基础上，对位置数据进行汇总处理，从而提升管理手段。

【附图说明】

图1为无人机系统图。

图2为网络组成示意图。

图3为网络系统工作示意图。

图4管理平台示意图。

Claims (10)

1.一种基于无人机和网络通信技术数据采集的输油输气管道巡检修管理平台，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用无人机对地面进行深根植物、违建等会影响输油输气管道安全的因素排查；

2)利用局域网络进行点位数据采集汇总；

3)利用卫星传输的方式将汇总数据传输至指挥平台后进行统一调度指挥。

2.根据权利要求1所述的利用无人机对地面进行深根植物、违建等会影响输油输气管道安全的因素排查，其特征在于：所述的步骤1)中方法具体如下：

无人机地面监测系统由北斗导航卫星、固定翼机型遥感平台、地面站和数据管理中心共四部分组成。形成以点成线、以线成面的防控体系，对巡线、指挥工作进行定点定时的全面监控，无人机会将地面实时监控画面传输到指挥中心。

无人机利用其定位卫星，在任务范围内实时进行定位、导航的系统，进行全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航飞信，提供高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，提高油气管道巡检信息化水平。

该系统使用固定翼机型遥感平台其搭载的地面监控系统对地观测的遥感平台，提供稳定的对地定向，并对平台飞行高度、速度等有特定的要求。搭载热红外光谱段的遥感器，此外遥感平台提供遥感器合适的环境，如振动和抖动小、电磁干扰小、温度在合适的范围等。

无人机上装备的高清数字摄像机将采集到的数字信号通过网络接口传递给视频压缩系统，系统对数字信号进行预处理和H.264压缩，然后通过无线高速网络传输给地面控制系统。地面控制系统接收到视频数字信号后，将其进行解压存储，并显示在屏幕上。

地面站实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。

利用计算机硬件和软件技术对数据进行有效的收集、存储、处理和应用的过程其目的在于充分有效地发挥数据的作用。实现数据有效管理。数据管理分为人工管理、文件系统、数据库系统三个发展阶段。在数据库系统中所建立的数据结构，更充分地描述了数据间的内在联系，便于数据修改、更新与扩充，同时保证了数据的独立性、可靠、安全性与完整性，减少了数据冗余，故提高了数据共享程度及数据管理效率。

3.根据权利要求2所述的利用局域网络进行点位数据采集汇总，其特征在于：所述的步骤2)中，具体方法如下：

系统数据传输基于广域网络技术和卫星通信技术，其中，广域网络应用于每一个间隔1公里的管道监测节点，卫星通信终端应用于每一个间隔50公里的监测网关。

其中广域网无线网络是一种基于扩频技术的远距离、低带宽、低成本的广域无线网络传输技术。该网络主要应用于智慧农业，无线抄表，工业互联网，智能停车场，智慧城市等物联网应用领域。本系统通过网络构成，构建运营商级广域网络的石油管道监测管理系统，以保证用户QoS服务质量，确保系统的健壮性和稳定性。实现每一个管道监测点不仅可以将自己的数据上传，还可以帮助周围的监测节点进行中继通信，以增加自身功耗的代价来换取更广泛的网络覆盖范围，有效保证了系统在复杂应用环境下的网络全覆盖能力。节点单跳最大通信范围5公里左右，可稳定支持10跳以上自由组网传输。在自组织协议自由组网模式下，协议会根据链路质量自动选择最佳路径。系统中每个节点都有一条或几条传送数据的路径，如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。

每一个管道监测节点还同时配备卫星定位模块。监测节点将自身的定位信息，连同传感器检测到的管道电压、电流等数据，按照用户设置的采样周期自动上传到管道监测网关节点，网关节点周边约50公里范围以内的监测节点收集完成后，统一通过卫星通信网络将数据集中发送到卫星地面站，然后通过Internet传输至数据监控中心。

网关节点同时配备无线通信模块、卫星定位和通信模块。广域网络通信模块用于收集半径25公里以内的全部管道监测节点上报的监测数据，定位模块用于定位网关节点位置，卫星通信模块用于将全部数据由本地，经过卫星通信链路发往卫星通信系统地面站，最终将全部数据传输到终端用户的系统中。

通过有机组合利用广域网技术和卫星通信技术，可以有效减少卫星通信终端的部署数量，极大的降低了系统建设部署成本。同时，通过局部汇聚数据统一进行卫星链路传输，有效提高了卫星通信链路的使用效率，也有利于降低后续卫星链路服务成本。

4.根据权利要求3所述的利用卫星传输的方式将汇总数据传输至指挥平台后进行统一调度指挥，其特征在于：所述的步骤3)中，方法具体如下：

智能巡检平台运用“互联网”理念，采用“物联网+移动应用”技术构筑线上线下合一、前段后端贯通、横向纵向联动的全方位、全天候、全过程的管理模式，实现众业务、多专业、跨部门管理的标准化、规范化、透明化。

该平台基于对规章制度、人员、设备设施、作业区域等对象的高度抽象化、结构化及标准化，通过灵活业务模型配置，实现设备巡检、保养、盘点及标准化检查的多项业务应用，旨在助推各项制度全面落实，助力责任明确透明，尤其针对企业安全管理业务，能及时消除安全隐患，为安全生产搭建“防护伞”，提高风险防范能力，提升安全管控力度。

运用大数据分析技术，实现数据多维度、多方位的分析，挖掘有价值信息并实现共享，搭建过程管理“档案库”，完善异常情况数据链。同时，能帮助管理者实时、准确了解业务管理和执行情况，提高管理效率和决策准确性，为企业安全生产、节约成本提供决策支撑。

5.基础管理实现设备采购、发放、调拨及报废等设备的全生命周期管理。

规定各类设备设备在各单位的限定数量，在采购和调拨时，用于判断该单位是否符合设备数量限定，防止超规定采购和配置。设备清查统计时，用于了解各单位设备是否按规定配置。

6.采购申请计划，申请采购的单位会参照其设备编制进行检查，如超编则不能列入计划，采购设备只能从已登记的采购报价中选取，计划会自动计算采购金额；

采购审批，由主管岗位对采购计划进行审批后，即可在线下开始采购工作；

采购验收，采购设备实际到货后，由相关岗位负责按计划对到货资进行确认，由相关接受人员在系统上登记验收情况；

设备转固，经验收确认后，设备明确档案信息，包括责任人、放置地点等要素，由设备管理人员转入固定设备，在设备转固之前，设备属于在途性质，不计入正式设备档案。

7.设备档案导入：可以按系统提供的模板将设备档案批量导入。注：导入前建议先建立厂商档案并建立厂商设备型号内容，否则将需要对档案进行单独维护厂商。

设备发放管理

完成设备发放从计划到接收全过程业务处理。

设备通过验收转固后，进入库存状态，从库存设备中选择发放设备，选择接收单位和部门，制定发放计划。计划经管理者审批后才能生效，设备接收后，填写相应的位置、责任人等信息，确认接收。

发放过程信息可以全程查询，并可导出。

8.设备调拨管理

实现设备设备在内部的调拨全过程业务处理。

用户只能实现本单位、部门和下属单位、部门之间的设备设备调动，先制定计划，指定调出和调入单位部门，选择调拨设备，完成计划，提交计划审批。

计划审批通过后，由调出方和调入方按先后顺序进行确认，完成相关的设备档案信息项目，完成调拨业务。

调拨过程信息可以全程查询，并可导出。

9.设备报废管理

根据设备使用年限或实际情况，制定报废申请，填写报废原因等情况说明。申请审批后，设备状态即变为报废状态，不在实际业务中使用，同时在设备编制中减少该编制。

报废审批通过后，需要进行报废处理登记，填写处理情况。

由财务部门进行设备价值管理流程，完成设备价值处理。

设备价值处理支持文档导出，对特定用户可以单独开发自动接口，对接相应设备管理系统。

10.工属具管理

针对用户公共使用的日常使用工具进行收发管理。

标准化检查

用于用户进行单位安全生产制度的检查，能保证单位生产安全相关的国家制度、规定得到落实，及时发现安全隐患、考核安全岗位。

非设备实物类标准化规范检查，为用户行业服务规范、对外形象、企业文化等使用检查制度进行常态信息化落实提供手段。

用户可以自主定义各类指定时间规律执行的检查模板，包括检查方案、分类、项目、指标，支持检查项定义评分机制(加分或扣分)，实时自动计算得分得分和名次。

检查任务在终端执行可以控制是否上传现场照片、在规定时间、规定岗位执行检查。

统计分析

实现对设备管理进行多口径、多角度、多维度的统计分析，灵活定制各类报表及图形，有助于管理者直观快速的了解和掌握情况，做到心中有数，及时发现问题，尽快做出决策；

异常监控

通过设定各类指标监控异常情况，同时借用地图等直观的展示手段及时找到具体位置、实时数据等重要信息，加上对历史数据的挖掘，找到产生异常的原因。

移动监控

引入移动应用技术支持领导工作及决策，将办公处理流程及异常监控在智能手机终端实现，使领导办公不再受地理位置的限制，随时随地掌握企业情况，及时作出决策。