CN116938984B - 一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法，包括：在管道沿线的转角桩上部署环境监测传感器，环境监测传感器定时将数据回传给管道巡检管理云平台；将管道沿线的转角桩坐标导入管道巡检管理云平台，将环境监测传感器与转角桩坐标绑定；管道巡检管理云平台提前创建巡检计划，将转角桩数据设置为初始状态；管道巡检管理云平台定时扫描当天的待执行的任务，对机场任务、单兵任务和地面巡检任务分别进行相应的处理；管道巡检管理云平台扫描到任务时间到以后，对机场任务、单兵任务和地面巡检任务分别进行相应的处理。本方法可以应对复杂多变的天气条件，保障无人机飞行安全，并保证巡检计划按时完成，具有安全和效率高的优点。

Description

一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法。

背景技术

随着油气管道的大规模建设，油气管道的安全无疑是整个能源运输战略中重要的组成部分，而管道巡检也成为该行业中的一大难题。近年来，随着无人机技术的发展，无人机已经广泛用于各个领域，包括测绘、安防、巡检等。无人机在油气管道巡护领域也已经有了很多应用案例。一个输气管理处管辖的管道长达数百公里，管道通常处于野外区域，包含山地和丘陵地区，管道沿线地形复杂，天气情况也变化多端。

现阶段无人机用于油气管道巡检，通常是使用自动机场或者单兵无人机的技术方案。自动机场的特点是需要固定点位部署，巡检范围通常覆盖一个圆形区域（根据无人机的类别，巡检半径通常是几公里到数十公里）。单兵无人机的特点是使用灵活，飞手可以携带到任何适宜飞行和降落的地点即可执行巡检任务。现阶段，通常在管道沿线部署多个机场，然后将提前规划好的航线下发给机场内的无人机执行。受限于技术的发展，无人机现阶段通常只能在小雨环境下，以及六级风以内飞行，超过限制可能造成无人机损坏，造成直接的财产损失，严重者可能对管道沿线的居民的人身安全造成侵害。现阶段的无人机场部署方案，环境监控通常仅限于机场附近，可能出现航线上某个区域的天气情况超过无人机的承受范围，无法保证飞行安全。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明揭示了一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法，所述方法包括如下步骤：

S100：在管道沿线的转角桩上部署环境监测传感器，所述环境监测传感器定时将数据回传给管道巡检管理云平台；

S200：将管道沿线的转角桩坐标导入管道巡检管理云平台并将环境监测传感器与转角桩坐标绑定；

S300：管道巡检管理云平台提前创建巡检计划，并将转角桩数据设置为初始状态；

S400：管道巡检管理云平台定时扫描当天的待执行的任务，如果某个机场任务即将开始，则进入机场航线规划阶段；机场航线规划完成以后，进入单兵任务航线规划阶段；机场和单兵的任务规划完成以后，将剩余未使用的节点作为地面巡检人员的任务进行分配；

S500：管道巡检管理云平台扫描到任务时间到以后，将机场任务下发给机场，自动执行；单兵任务下发给单兵无人机的飞手，并要求按时执行；地面巡检任务则下发给地面巡检人员执行；

其中，在任务执行中，管道巡检管理云平台需要监测转角桩的环境数据是否适合无人机飞行并及时修改巡检计划。

通过上述技术方案，本方法使用自动机场、单兵无人机和地面人员巡检结合的方案，且在管道沿线部署多个环境传感器，通过动态规划机场和单兵无人机的航线，首先能够保障无人机的飞行安全，其次能够保证管道巡检计划按时完成。本方法使用机场和无人机进行管道日常巡检，通过云平台进行动态航线规划，可以应对复杂多变的天气条件，保障无人机飞行安全，并保证巡检计划按时完成，具有安全和效率高的优点。

附图说明

图1是本发明一个实施例中所提供的一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法流程图；

图2是本发明一个实施例中所提供的监测环境传感器和转角桩位置绑定图；

图3是本发明一个实施例中所提供的多叉树结构存储图；

图4是本发明一个实施例中所提供的机场航线规划流程图；

图5是本发明一个实施例中所提供的单兵任务航线规划流程图；

图6是本发明一个实施例中所提供的巡检计划修改流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员理解本发明所披露的技术方案，下面将结合实施例及有关附图1至图6，对各个实施例的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员可以理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

参见图1，在一个实施例中，本发明揭示了一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法，所述方法包括如下步骤：

S100：在管道沿线的转角桩上部署环境监测传感器，所述环境监测传感器定时将数据回传给管道巡检管理云平台；

S200：将管道沿线的转角桩坐标导入管道巡检管理云平台并将环境监测传感器与转角桩坐标绑定；

S300：管道巡检管理云平台提前创建巡检计划，并将转角桩数据设置为初始状态；

S400：管道巡检管理云平台定时扫描当天的待执行的任务，如果某个机场任务即将开始，则进入机场航线规划阶段；机场航线规划完成以后，进入单兵任务航线规划阶段；机场和单兵的任务规划完成以后，将剩余未使用的节点作为地面巡检人员的任务进行分配；

S500：管道巡检管理云平台扫描到任务时间到以后，将机场任务下发给机场，自动执行；单兵任务下发给单兵无人机的飞手，并要求按时执行；地面巡检任务则下发给地面巡检人员执行；

其中，在任务执行中，管道巡检管理云平台需要监测转角桩的环境数据是否适合无人机飞行并及时修改巡检计划。

就该实施例而言，本发明涉及的管道巡检系统包含管道巡检管理云平台（负责数据收集和管理，飞行任务规划、机场和无人机设备管理等，下文简称云平台）、自动机场（含无人机）、单兵无人机（指飞手携带无人机独立执行飞行任务）、地面巡检人员（通过徒步方式巡检的地面人员）和管道沿线的环境监测传感器。管道巡检任务包括：机场巡检任务、单兵巡检任务和地面巡检任务。

将管线的转角桩坐标导入云平台，并将环境传感器与转角桩位置绑定。如图2所示，编号1至编号12的点为转角桩坐标点，E1、E2...E9为环境传感器。例如：图2中1号转角桩和E1传感器绑定，2号转角桩与E2传感器绑定等。

云平台任务管理模块需要提前创建巡检计划，例如指定每天的某个时刻开始执行巡检任务。则云平台每天的零点会创建当天的待执行任务，并将转角桩数据设置为初始状态，比如used置为false；visited置为false；rainfall置为0；wind_speed置为0。

巡检系统管理人员将管线的转角桩坐标导入管道巡检管理云平台，巡检系统管理人员将环境监测传感器与转角桩位置绑定。

在另一个实施例中，所述步骤S100中的数据包括：环境监测传感器ID，雨量和风速。

就该实施例而言，在管道沿线等间距（例如每隔一公里左右，不要求严格等间距，尽量靠近转角桩位置）部署环境监测传感器，传感器通过LTE无线网络方式接入因特网，定时将数据回传给云平台后端，回传数据包括：传感器ID、雨量和风速等。雨量以枚举数据表示（以数字代表雨量，例如：0:"无雨"，1:"小雨"，2:"中雨"，3:"大雨"），风速以实际测量值表示（单位为米/秒）。

在另一个实施例中，所述管道巡检管理云平台包括环境监测模块、数据管理模块和任务管理模块。

在另一个实施例中，所述数据管理模块将导入的转角桩坐标以多叉树结构存储。

就该实施例而言，如图3所示，最上面的PR节点为根节点，nil为空节点（表示某个分支的结尾）。

在另一个实施例中，多叉树中的每个节点的数据包括：节点类型，used，visited，sensor_id，rainfall，wind_speed，latitude，longitude，height，last，next和sibling，其中，节点类型用来表示普通节点还是机场节点，used表示该节点是否已经规划航线，visited表示该节点是否已经访问过，sensor_id表示监测环境传感器的ID，rainfall表示降雨量，wind_speed表示风速，latitude表示纬度，longitude表示经度，height表示高程，last表示其父节点，next表示其子节点，sibling表示其下一个兄弟节点。

就该实施例而言，节点的数据结构如下：

struct PipeNode {

int type;

bool used;

bool visited;

string sensor_id;

int rainfall;

float wind_speed;

double latitude;

double longitude;

double height;

PipeNode* last;

PipeNode* next;

PipeNode* sibling;

}

释义如下：

Type：节点类型，0表示普通节点，1表示机场节点；used：该节点是否已经规划航线；visited：节点是否已经访问过；sensor_id：环境传感器ID；rainfall：降雨量；wind_speed：风速（单位：米/秒）。Latitude：纬度；longitude：经度；height：高程；last：父节点；next：子节点；sibling：下一个兄弟节点。

节点数据的初始状态如下：

used: false；

rainfall: 0；

wind_speed: 0。

在另一个实施例中，所述环境监测模块定时获取环境监测传感器的数据，并更新转角桩数据。

就该实施例而言，环境监测模块定时（例如每隔5秒）获取环境传感器数据，并更新转角桩节点数据，包括雨量和风速。通常将适合飞行的条件设定为：小雨（雨量<2），6级风以内（风速<12米/秒）。

在另一个实施例中，所述更新转角桩数据包括雨量和风速。

在另一个实施例中，所述机场航线规划具体步骤包括：

S301：获取存储的转角桩多叉树的根节点，将所有节点的visited属性置为false；

S302：访问子节点，判断该子节点是否为空，如果是则访问其父节点，判断是否存在兄弟节点且visited属性为false，如果存在则访问其兄弟节点，更新visited属性为true，否则判断该子节点是否为根节点，如果是则结束，如果否则返回访问其父节点；

S303：如果该子节点不是空，则判断该子节点是否为机场，否则继续步骤S302，是则继续判断该子节点位置的天气是否满足飞行条件，满足则进行下一步，不满足则返回步骤S302；

S304：判断是否存在子节点且used属性为false，是则以该节点为起点创建航线，设置航线长度L为0，修改该节点的used属性为true，进行下一步，否则返回步骤S302；

S305：访问下一节点，计算当前节点与上一节点的距离dL，计算并更新航线长度L为L+dL，进入下一步；

S306：检查L是否超过航线总长度限制，是则进入步骤S311，否则进入下一步；

S307：判断天气是否满足飞行条件，否则进入步骤S311，是则进入下一步；

S308：更新节点的used属性为true；

S309：判断是否存在子节点，是则跳转到步骤S304，否则进入下一步；

S310：判断是否存在兄弟节点；是则跳转到步骤S304，否则进入下一步；

S311：创建航线，并创建航线任务，保存到数据库。

就该实施例而言，任务管理模块定时扫描当天的待执行的任务，优先扫描机场任务。如果某个机场任务即将开始（例如当前时间距离开始时间在10分钟以内），则进入航线规划阶段。航线规划采用基于深度优先的贪心搜索算法，流程如图4所示。其中，判断该子节点是否为机场，需要提前在管理系统里面录入基础数据，指定哪些节点是机场。

在另一个实施例中，所述步骤S300中的即将开始是指当前时间距离开始时间在10分钟以内。

在另一个实施例中，如图5所示，单兵航线的规划流程和机场类似，具体步骤如下：

a.获取转角桩多叉树的根节点,将所有节点的visited属性设为false；

b.访问子节点，如果节点为nil节点，则访问父节点，如果该节点存在兄弟节点，则访问兄弟节点，如果该节点为根节点，则航线规划流程结束；

c.判定该节点used是否为false，是则进入下一步，否则继续该步骤；

d.判定该节点位置的天气是否满足飞行条件，否则返回步骤b；

e.以该节点为起点创建航线，设置航线长度L=0，修改该节点的used为true，进行下一步。否则返回步骤b；

f.访问下一节点（可能为子节点或者兄弟节点），计算当前节点与上一节点的距离dL，计算并更新航线长度L为L+dL。进入下一步；

g.检查L是否超过航线总长度限制，是则进入步骤k，否则进入下一步；

h.判定天气是否满足飞行条件，否则进入步骤k，是则进入步骤h；

i.更新节点的used为true；

j.判断是否存在子节点，是则跳转到步骤e，否则进入下一步；

k.判断是否存在兄弟节点；是则跳转到步骤e，否则进入下一步；

l.创建航线，并创建航线任务，保存到数据库；

m.重新开始航线规划流程，进入步骤a。

在另一个实施例中，所述修改巡检计划具体是指：任务管理模块扫描转角桩节点的环境数据，一旦发现某转角桩节点的环境数据不适合飞行,则查找该转角桩节点关联的飞行任务，如果该飞行任务在执行中，则下发返航指令，并将未完成的航线对应的转角桩节点转换为新增的地面巡检任务，并下发给地面巡检人员执行。

就该实施例而言，具体流程如图6所示。

最后，需要说明的是，本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式变化，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于无人机和自动机库的管道巡检方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S100：在管道沿线的转角桩上部署环境监测传感器，所述环境监测传感器定时将数据回传给管道巡检管理云平台；

S200：将管道沿线的转角桩坐标导入管道巡检管理云平台并将环境监测传感器与转角桩坐标绑定；

S300：管道巡检管理云平台提前创建巡检计划，并将转角桩数据设置为初始状态；

S400：管道巡检管理云平台定时扫描当天的待执行的任务，如果某个机场任务即将开始，则进入机场航线规划阶段；机场航线规划完成以后，进入单兵任务航线规划阶段；机场和单兵的任务规划完成以后，将剩余未使用的节点作为地面巡检人员的任务进行分配；

S500：管道巡检管理云平台扫描到任务时间到以后，将机场任务下发给机场，自动执行；单兵任务下发给单兵无人机的飞手，并要求按时执行；地面巡检任务则下发给地面巡检人员执行；

其中，在任务执行中，管道巡检管理云平台需要监测转角桩的环境数据是否适合无人机飞行并及时修改巡检计划。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S100中的数据包括：环境监测传感器ID，雨量和风速。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道巡检管理云平台包括环境监测模块、数据管理模块和任务管理模块。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述数据管理模块将导入的转角桩坐标以多叉树结构存储。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，多叉树中的每个节点的数据包括：节点类型，used，visited，sensor_id，rainfall，wind_speed，latitude，longitude，height，last，next和sibling，其中，节点类型用来表示普通节点还是机场节点，used表示该节点是否已经规划航线，visited表示该节点是否已经访问过，sensor_id表示监测环境传感器的ID，rainfall表示降雨量，wind_speed表示风速，latitude表示纬度，longitude表示经度，height表示高程，last表示其父节点，next表示其子节点，sibling表示其下一个兄弟节点。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述环境监测模块定时获取环境监测传感器的数据，并更新转角桩数据。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述更新转角桩数据包括雨量和风速。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述修改巡检计划具体是指：任务管理模块扫描转角桩的环境数据，一旦发现某转角桩的环境数据不适合飞行,则查找该转角桩关联的飞行任务，如果该飞行任务在执行中，则下发返航指令，并将未完成的航线对应的转角桩转换为新增的地面巡检任务，并下发给地面巡检人员执行。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述机场航线规划具体步骤包括：

S301：获取存储的转角桩多叉树的根节点，将所有节点的visited属性置为false；

S302：访问子节点，判断该子节点是否为空，如果是则访问其父节点，判断是否存在兄弟节点且visited属性为false，如果存在则访问其兄弟节点，更新visited属性为true，否则判断该子节点是否为根节点，如果是则结束，如果否则返回访问其父节点；

S303：如果该子节点不是空，则判断该子节点是否为机场，否则继续步骤S302，是则继续判断该子节点位置的天气是否满足飞行条件，满足则进行下一步，不满足则返回步骤S302；

S304：判断该节点是否存在子节点且used属性为false，是则以该节点为起点创建航线，设置航线长度L为0，修改该节点的used属性为true，进行下一步，否则返回步骤S302；

S305：访问下一节点，计算当前节点与上一节点的距离dL，计算并更新航线长度L为L+dL，进入下一步；

S306：检查L是否超过航线总长度限制，是则进入步骤S311，否则进入下一步；

S307：判断天气是否满足飞行条件，否则进入步骤S311，是则进入下一步；

S308：更新节点的used属性为true；

S309：判断是否存在子节点，是则跳转到步骤S304，否则进入下一步；

S310：判断是否存在兄弟节点；是则跳转到步骤S304，否则进入下一步；

S311：创建航线，并创建航线任务，保存到数据库。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S300中的即将开始是指当前时间距离开始时间在10分钟以内。