復雜山區天然氣管道無人機巡檢技術及應用復雜山區天然氣管道無人機巡檢技術及應用1目

錄Contents01山區管道巡檢需求02專用巡檢裝備03智能分析平臺0405應用情況思考與展望目錄Contents02專用巡檢裝備03智能分析平臺04應2山區管道巡檢需求山區管道巡檢需求3山區天然氣管道巡檢需求山區管道事故特點川氣東送管道恩施段因降雨引發滑坡，導致天然氣管道斷裂爆燃中緬輸氣管道晴隆段因強降雨引發滑坡，導致天然氣管道斷裂爆燃深圳恒泰裕工業園人工堆土導致渣土受納場堆填體坍塌滑坡，西氣東輸管道受損斷裂山區天然氣管道巡檢需求山區管道事故特點川氣東送管道恩施段因降4山區天然氣管道巡檢需求地災影響嚴重泥石流沖擊導致管道彎曲變形洪水沖刷黃土坍塌導致管道裸露懸空地震逆沖斷層導致管道彎折破壞堤壩水毀導致河流穿越管道裸露沖刷洪水沖刷導致管道漂浮沖斷管道下方采煤導致地面塌陷裂縫采空沉陷嚴重威脅附近埋地管道山區天然氣管道巡檢需求地災影響嚴重泥石流沖擊導致管道彎曲變形5山區天然氣管道巡檢需求巡檢需求分析日常巡檢泄漏探查地災識別應急處置施工管理汛期監查1、微泄漏掃查2、泄漏區域定位1、滑坡2、沉降3、水毀4、崩塌……監測識別監測對象適用范圍主要技術地質災害調查各類災害各類災害地災勘查、風險識別地表位移監測地表變形各類地表活動GPS、大地測量、近景測量地下位移監測地下變形邊坡及斷層測縫、鉆孔位移計及傾斜應力應變監測管道、土體各類災害管道應力、應變計視頻監測地表視頻情況崩塌、滑坡視頻監測振動監測土體、結構物地震、泥石流、滑坡、基礎物振動計、分布式光纖遙感監測地表變形各類災害衛星遙感、無人機遙感山區天然氣管道巡檢需求巡檢需求分析日常巡檢泄漏探查地災識別應6山區天然氣管道巡檢需求機型及載荷配置多旋翼甲烷痕量遙測激光雷達合成孔徑雷達可見光相機復合翼多軸相機大變焦相機激光雷達熱成像儀山區天然氣管道巡檢需求機型及載荷配置多旋翼甲烷痕量遙測激光雷7專用巡檢裝

備專用巡檢裝備8專用巡檢裝備地質災害地表微變形機載檢測設備天然氣泄漏天然氣泄漏機載檢測設備高穩輕量雙光吊艙晝夜高清監測專用巡檢裝備地質災害地表微變形機載檢測設備天然氣泄漏天然氣泄9專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備開發基于激光雷達的地表微變形機載檢測技術，研制小型化機載設備，檢測點頻320kHz、質量3.6kg，配套開發點云解算軟件，實現了150m范圍內厘米級地表微變形檢測，為無人機在地質災害預警能方面提供專用裝備及技術支撐。專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備10專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備激光雷達技術相較攝影測量數據精度、分辨率更高適應性強，不受云霧和光照等的影響滿足地災領域的多角度和多尺度研究山區三維點云激光雷達用于崩塌災害危害性評價專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備激光雷達技術山區三維點云激11專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備開發雷達、慣導及衛星定位數據組合方法并形成配套點云解算軟件，基于開源軟件Cloud

Compare開發多期數據智能對比插件，實現地表微變形的自動識別。專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備12專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備基于可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術，開發適用于無人機搭載的小型化甲烷遙測裝備。專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備13專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備開發基于TDLAS的天然氣泄漏機載檢測技術，研制小型化天然氣機載遙測儀，響應時間小于0.1s、質量460g，配套開發嵌入式及地面站控制軟件。測試可實現120m外甲烷泄漏識別（20ppm·m）。專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備14專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備靜態測試表明，雖然受大氣湍流、溫度、干涉等因素影響，能夠反映檢測區域天然氣濃度高低。動態探查試驗表明，雖然現場風速較大，環境中天然氣稀釋嚴重，懸停和巡航檢測仍可靈敏檢測天然氣，快速識別和定位泄漏區域。專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備15專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙針對長距離、夜間、霧天等管道巡檢場景，設計開發適用于固定翼無人機的可見光-紅外雙光吊艙，實現了10倍光學變焦可見光相機和紅外熱成像儀，能夠在固定翼、復合翼無人機高速巡檢下保持穩定拍攝。結合軟件平臺，可對大型車輛、第三方施工、打孔盜油等異常情況全天監測預警。日間影像（可見光）夜間影像（紅外熱成像）專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙日間影像（可見光）夜間影像（紅外16專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙采用簡化流場模型計算附加轉矩，完成吊艙穩定方案設計。結合高頻減振系統構建高精度陀螺穩定平臺，實現雙光吊艙在無人機高速巡檢狀態下的圖像視頻穩定，瞄準線穩定精度達1mrad，有效抑制幀內模糊，為實時監控及可疑目標智能識別提供穩定畫面。附加轉矩計算結果角度方案1轉矩

(N·m)方案2轉矩

(N·m)-90°0.0008-0.0016-70°0.00400.0044-50°0.0025-0.0049-30°-0.0027-0.0150-10°-0.0028-0.01140°-0.0002-0.002120°-0.00120.0163轉角-附加轉矩曲線圖設計方案及簡化流場模型專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙附加轉矩計算結果方案1方案2-917巡檢管理系

統巡檢管理系統18異常目標在線智能識別基于卷積神經網絡算法實現目標物智能識別。建立目標樣本集，通過機器學習，對車輛、挖掘機、工程裝備等活動目標，以及對滑坡、沖溝、地裂縫、塌陷等地質災害進行智能識別。巡檢管理系統異常目標在線智能識別巡檢管理系統19地表模型多期智能分析開發地表模型多期智能分析技術，通過建立基于坐標驅動的兩期格網做差處理方法、兩期地表模型高程變化區域自動檢測及自動分割技術，統計變化區域得到兩期異常區域識別結果。巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異值分解相位相關法圖像配準圖像做差處理得到顯著差異區顯著差異區相似度分析人工確認上報預警地表模型多期智能分析巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異20正攝影像多期智能分析開發正攝影像多期智能分析技術，通過建立基于Harris角點的開發兩期正攝影像配準方法、變化區域自動檢測方法及變化區域紋理分析判定方法，可實現兩期異常區域識別。巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異值分解相位相關法圖像配準圖像做差處理得到顯著差異區顯著差異區相似度分析人工確認上報預警顯著差異區角點提取NCC粗匹配RANSAC精匹配歐氏距離相似度1相似度2相似度正攝影像多期智能分析巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異21巡檢管理系統管道無人機巡檢管理平臺巡檢業務管理巡檢飛行監控在線智能識別歷史數據比對人員管理巡檢計劃、空域、飛行路徑設備綜合管理飛機和載荷入庫、使用、維修及任務配置飛手、業務及管理人員圖像實時拼接、目標動態識別飛行姿態、地面影像、載荷自動比對、智能識別分析平臺功能設計綜合展示巡檢流程綜合管理其他功能GIS底圖巡檢歷史巡檢任務機型載荷巡檢飛行數據處理預警管理維修保險巡檢規范平臺權限UI界面可擴展性展示管道全局走向；正在巡檢的無人機巡檢公里、巡檢結果的年月日圖形統計日常巡檢；泄漏檢測；災害識別；應急救援機型、載荷的技術參數及推薦使用場景航線規劃；實時監管；實時進行數傳、圖傳數據存儲；數據分析；形成多樣化報表巡檢過程中的實時預警；報表輔助預警機型載荷的檢查、評估維修、保險管理巡檢規范的文件管理工作流和權限的分配圖形設計；交互設計無人機飛控系統；智能化管線管理系統總體設計巡檢管理系統管道無人機巡檢管理平臺巡檢業務管理巡檢飛22圖像自動拼接工具圖像智能識別工具圖像比對分析工具檢前管理飛手管理無人機管理任務載荷管理設備配置管理虛擬設備管理空域申請管理檢中管理飛行軌跡顯示危險目標預警日常巡檢管理泄漏巡檢管理災害識別管理應急救援管理檢后管理飛行記錄管理歷史視頻回放歷史飛行軌跡離線圖像分析預警信息管理巡檢報告導出基礎管理底圖管理用戶管理角色管理權限管理日志管理數據統計飛控即時通訊工具核心功能：4管理模塊+1輔助工具+3專業工具巡檢管理系統圖像自動拼接工具圖像智能識別工具圖像比對分析工具檢前管理飛手23基于B/S的跨平臺架構，兼容全機型接入，并實現多端應用。智能分析平臺基于B/S的跨平臺架構，兼容全機型接入，并實現多端應用。智能24技 術 應 用 情 況技 術 應 用 情 況25技術應用效果全景影像視頻拍攝正射影像總體情況技術應用效果全景影像視頻拍攝正射影像總體情況26技術應用效果技術應用效果27技術應用效果重點巡護可視化技術應用效果重點巡護可視化28技術應用效果泄漏檢測精細化技術應用效果泄漏檢測精細化29技術應用效果地表變形預警超前化技術應用效果地表變形預警超前化30技術應用效果災情勘察即時化技術應用效果災情勘察即時化31技術應用效果多期數據分析——正射影像比對技術應用效果多期數據分析——正射影像比對32技術應用效果多期數據分析——三維模型比對技術應用效果多期數據分析——三維模型比對33思 考 與 展 望思 考 與 展 望34思考與展望針對山區管道巡檢，開發了甲烷泄漏探測、地表變形激光檢測、輕量雙光吊艙等小型化機載檢測設備，進一步開展紅外光譜成像（OGI）、

小型合成孔徑雷達等設備，形成系列化的機載設備。開發了基于卷積神經網絡的目標自動算法、地表模型構建與異常識別等方法，實現了沿線異常事件的在線識別、歷史數據自動比對，不斷豐富和深化海量巡檢數據處理手段。開發了跨平臺的無人機巡檢綜合管理系統，集成了日常巡檢、實時監控、圖像拼接、異常識別、泄漏探測、數據管理等功能，不斷深化應用提升和完善。思考與展望針對山區管道巡檢，開發了甲烷泄漏探測、地表變形激光35思考與展望復雜地形條件長航時巡檢要求無人機系統具備更高可靠性和穩定性地災、水保、施工、泄漏等場景多樣，檢測設備需要不斷突破提升異常自動識別、海量數據比對、未來趨勢預測的智能算法不斷提升管道無人機巡檢作業中坐標保密與安全問題需要關注和解決天空地一體化巡檢技術融合集成，提高管道巡檢智能化水平無人機巡檢管理系統與管道完性管理平臺的集成與交互“規范+裝備+平臺”的一體化解決方案思考與展望復雜地形條件長航時巡檢要求無人機系統具備更高可靠性36復雜山區天然氣管道無人機巡檢技術及應用復雜山區天然氣管道無人機巡檢技術及應用37目

錄Contents01山區管道巡檢需求02專用巡檢裝備03智能分析平臺0405應用情況思考與展望目錄Contents02專用巡檢裝備03智能分析平臺04應38山區管道巡檢需求山區管道巡檢需求39山區天然氣管道巡檢需求山區管道事故特點川氣東送管道恩施段因降雨引發滑坡，導致天然氣管道斷裂爆燃中緬輸氣管道晴隆段因強降雨引發滑坡，導致天然氣管道斷裂爆燃深圳恒泰裕工業園人工堆土導致渣土受納場堆填體坍塌滑坡，西氣東輸管道受損斷裂山區天然氣管道巡檢需求山區管道事故特點川氣東送管道恩施段因降40山區天然氣管道巡檢需求地災影響嚴重泥石流沖擊導致管道彎曲變形洪水沖刷黃土坍塌導致管道裸露懸空地震逆沖斷層導致管道彎折破壞堤壩水毀導致河流穿越管道裸露沖刷洪水沖刷導致管道漂浮沖斷管道下方采煤導致地面塌陷裂縫采空沉陷嚴重威脅附近埋地管道山區天然氣管道巡檢需求地災影響嚴重泥石流沖擊導致管道彎曲變形41山區天然氣管道巡檢需求巡檢需求分析日常巡檢泄漏探查地災識別應急處置施工管理汛期監查1、微泄漏掃查2、泄漏區域定位1、滑坡2、沉降3、水毀4、崩塌……監測識別監測對象適用范圍主要技術地質災害調查各類災害各類災害地災勘查、風險識別地表位移監測地表變形各類地表活動GPS、大地測量、近景測量地下位移監測地下變形邊坡及斷層測縫、鉆孔位移計及傾斜應力應變監測管道、土體各類災害管道應力、應變計視頻監測地表視頻情況崩塌、滑坡視頻監測振動監測土體、結構物地震、泥石流、滑坡、基礎物振動計、分布式光纖遙感監測地表變形各類災害衛星遙感、無人機遙感山區天然氣管道巡檢需求巡檢需求分析日常巡檢泄漏探查地災識別應42山區天然氣管道巡檢需求機型及載荷配置多旋翼甲烷痕量遙測激光雷達合成孔徑雷達可見光相機復合翼多軸相機大變焦相機激光雷達熱成像儀山區天然氣管道巡檢需求機型及載荷配置多旋翼甲烷痕量遙測激光雷43專用巡檢裝

備專用巡檢裝備44專用巡檢裝備地質災害地表微變形機載檢測設備天然氣泄漏天然氣泄漏機載檢測設備高穩輕量雙光吊艙晝夜高清監測專用巡檢裝備地質災害地表微變形機載檢測設備天然氣泄漏天然氣泄45專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備開發基于激光雷達的地表微變形機載檢測技術，研制小型化機載設備，檢測點頻320kHz、質量3.6kg，配套開發點云解算軟件，實現了150m范圍內厘米級地表微變形檢測，為無人機在地質災害預警能方面提供專用裝備及技術支撐。專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備46專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備激光雷達技術相較攝影測量數據精度、分辨率更高適應性強，不受云霧和光照等的影響滿足地災領域的多角度和多尺度研究山區三維點云激光雷達用于崩塌災害危害性評價專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備激光雷達技術山區三維點云激47專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備開發雷達、慣導及衛星定位數據組合方法并形成配套點云解算軟件，基于開源軟件Cloud

Compare開發多期數據智能對比插件，實現地表微變形的自動識別。專用巡檢裝備地表微變形檢測機載設備48專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備基于可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術，開發適用于無人機搭載的小型化甲烷遙測裝備。專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備49專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備開發基于TDLAS的天然氣泄漏機載檢測技術，研制小型化天然氣機載遙測儀，響應時間小于0.1s、質量460g，配套開發嵌入式及地面站控制軟件。測試可實現120m外甲烷泄漏識別（20ppm·m）。專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備50專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備靜態測試表明，雖然受大氣湍流、溫度、干涉等因素影響，能夠反映檢測區域天然氣濃度高低。動態探查試驗表明，雖然現場風速較大，環境中天然氣稀釋嚴重，懸停和巡航檢測仍可靈敏檢測天然氣，快速識別和定位泄漏區域。專用巡檢裝備天然氣泄漏機載檢測設備51專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙針對長距離、夜間、霧天等管道巡檢場景，設計開發適用于固定翼無人機的可見光-紅外雙光吊艙，實現了10倍光學變焦可見光相機和紅外熱成像儀，能夠在固定翼、復合翼無人機高速巡檢下保持穩定拍攝。結合軟件平臺，可對大型車輛、第三方施工、打孔盜油等異常情況全天監測預警。日間影像（可見光）夜間影像（紅外熱成像）專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙日間影像（可見光）夜間影像（紅外52專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙采用簡化流場模型計算附加轉矩，完成吊艙穩定方案設計。結合高頻減振系統構建高精度陀螺穩定平臺，實現雙光吊艙在無人機高速巡檢狀態下的圖像視頻穩定，瞄準線穩定精度達1mrad，有效抑制幀內模糊，為實時監控及可疑目標智能識別提供穩定畫面。附加轉矩計算結果角度方案1轉矩

(N·m)方案2轉矩

(N·m)-90°0.0008-0.0016-70°0.00400.0044-50°0.0025-0.0049-30°-0.0027-0.0150-10°-0.0028-0.01140°-0.0002-0.002120°-0.00120.0163轉角-附加轉矩曲線圖設計方案及簡化流場模型專用巡檢裝備高穩輕量雙光吊艙附加轉矩計算結果方案1方案2-953巡檢管理系

統巡檢管理系統54異常目標在線智能識別基于卷積神經網絡算法實現目標物智能識別。建立目標樣本集，通過機器學習，對車輛、挖掘機、工程裝備等活動目標，以及對滑坡、沖溝、地裂縫、塌陷等地質災害進行智能識別。巡檢管理系統異常目標在線智能識別巡檢管理系統55地表模型多期智能分析開發地表模型多期智能分析技術，通過建立基于坐標驅動的兩期格網做差處理方法、兩期地表模型高程變化區域自動檢測及自動分割技術，統計變化區域得到兩期異常區域識別結果。巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異值分解相位相關法圖像配準圖像做差處理得到顯著差異區顯著差異區相似度分析人工確認上報預警地表模型多期智能分析巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異56正攝影像多期智能分析開發正攝影像多期智能分析技術，通過建立基于Harris角點的開發兩期正攝影像配準方法、變化區域自動檢測方法及變化區域紋理分析判定方法，可實現兩期異常區域識別。巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異值分解相位相關法圖像配準圖像做差處理得到顯著差異區顯著差異區相似度分析人工確認上報預警顯著差異區角點提取NCC粗匹配RANSAC精匹配歐氏距離相似度1相似度2相似度正攝影像多期智能分析巡檢管理系統基于GPS的數據粗配圖像奇異57巡檢管理系統管道無人機巡檢管理平臺巡檢業務管理巡檢飛行監控在線智能識別歷史數據比對人員管理巡檢計劃、空域、飛行路徑設備綜合管理飛機和載荷入庫、使用、維修及任務配置飛手、業務及管理人員圖像實時拼接、目標動態識別飛行姿態、地面影像、載荷自動比對、智能識別分析平臺功能設計綜合展示巡檢流程綜合管理其他功能GIS底圖巡檢歷史巡檢任務機型載荷巡檢飛行數據處理預警管理維修保險巡檢規范平臺權限UI界面可擴展性展示管道全局走向；正在巡檢的無人機巡檢公里、巡檢結果的年月日圖形統計日常巡檢；泄漏檢測；災害識別；應急救援機型、載荷的技術參數及推薦使用場景航線規劃；實時監管；實時進行數傳、圖傳數據存儲；數據分析；形成多樣化報表巡檢過程中的實時預警；報表輔助預警機型載荷的檢查、評估維修、保險管理巡檢規范的文件管理工作流和權限的分配圖形設計；交互設計無人機飛控系統；智能化管線管理系統總體設計巡檢管理系統管道無人機巡檢管理平臺巡檢業務管理巡檢飛58圖像自動拼接工具圖像智能識別工具圖像比對分析工具檢前管理飛手管理無人機管理任務載荷管理設備配置管理虛擬設備管理空域申請管理檢中管理飛行軌跡顯示危險目標預警日常巡檢管理泄漏巡檢管理災害識別管理應急救援管理檢后管理飛行記錄管理歷史視頻回放歷史飛行軌跡離線圖像分析預警信息管理巡檢報告導出基礎管理底圖管理用戶管理角色管理權限管理日志管理數據統計飛控即時通訊工具核心功能：4管理模塊+1輔助工具+3專業工具巡檢管理系統圖像自動拼接工具圖像智能識別工具圖像比對分析工具檢前管理飛手59基于B/S的跨平臺架構，兼容全機型接入，并實現多端應用。智能分析平臺基于B/S的跨平臺架