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摘要：智能巡线客户端可以通过网络服务调用数据库中的数据查看、实时监控、自动报警等功能，使巡检工作更加智能化、精细化，提高了隐患监测质量，提高工作效率，确保管道安全运行。
关键词：长输天然气管道；巡线工作；管理
1 前言
天然气主干管道长期置于野外，易遭受外界因素的破坏，故日常的巡检显得异常重要。然而，巡线员多为沿线居民兼职，责任心参差不齐，时常出现敷衍了事、弄虚作假等现象。传统的管理方式对巡线员工作状态缺乏有效的监督，不利于管道安全预警与事件及时处理。无人机巡检管理系统，实现巡检图像预处理、图像拼接、管线三桩一牌完好度识别、第三方施工识别及地质灾害特征点识别等功能。
2 系统功能设计
2.1 系统架构
系统整体架构分为三层，数据层、业务逻辑层、表现层。
（1）数据层。数据层中的数据库系统采用MicrosoftSQLServer，通过数据交换接口进行数据交换；数据库记录来自通讯管理模块传入的移动端信息，并响应和记录WebService对数据的操作。
（2）业务逻辑层。通讯管理模块负责接收移动巡检终端的位置坐标、事件报警等信息，并将其存储到数据库中，同时支持短信交互；客户端负责巡检监控的主要业务逻辑，包括巡线员位置实时展示、历史轨迹回放、事件处理、短信交互等功能；而WebService作为客户端与数据库及通讯管理模块的连接器，其中，客户端与移动巡检终端的短信功能就是通过WebService与通讯管理模块的连接与交互来实现的。
（3）表现层。装有终端软件的巡检终端接收GPS卫星信号完成对终端的自动定位；在监控PC端采用GoogleEarth把监控目标显示在可视化的电子地图上，实现对巡线员的各种监控操作，并通过监控平台向巡检终端发布指令和信息。
2.2 系统功能
（1）电子地图显示。分图层叠加显示背景电子地图、管道路由、巡检管理和动态监控数据；提供树状图层列表和显示控制，以及图形窗口的放大、缩小、漫游、距离/坐标的量算等电子地图的基础功能，方便管理人员的监控和查看。
（2）实时跟踪。移动巡检终端工作后，通过GPRS将巡线员的位置信息发送至服务端通讯管理模块，再解析接收到的信息，并获得巡线员的位置，或者直接通过服务器发送指令，在地图上显示巡线员位置，避免跟踪位置滞后于实际位置的问题。
（3）历史轨迹回放。系统以天为单位进行记录巡线员的轨迹，再根据用户输入的查询条件从数据库中读取历史巡检位置信息，以连续定位点连线的方式按巡检顺序将历史轨迹显示在电子地图上。
（4）数据入库。系统接收到移动巡检终端发送的信息后，对信息数据进行解析，再将解析出的信息（巡检时间、经纬度、人员编号、事件类型等）保存至数据库，最终在显示终端读取显示。
（5）隐患管理。对管道周边的安全隐患（如挖掘、碾压等）进行处理，其方式主要是现场沟通，随后通过客户端将处理结果记录在案，并可随时出具安全隐患统计信息，同时可查询隐患发生地点。
（6）自动报警。自动报警的主要目的是监控巡线员的巡检路线，确保计划的巡检点均得到监控，通过巡线员的巡检位置，判断其是否处于报警状态，如巡检位置距离管线超过50m、未按规定时间巡检、或巡检速度过快（违规乘坐交通工具）等，有以上情况时，系统会自动报警。
（7）双向短消息。巡线员和管理人员之间相互通讯，PC客户端通过服务器端可以将相关指令发送至移动巡检终端或者巡线员通过巡检终端向服务器发送事件信息。
3 无人机智能巡检关键技术
3.1 航拍图像预处理技术
传统的拼接技术需要图像的正射影像图，但在复杂环境下，无人机根据需要，按照规划航路在管线上空盘旋机动，不断调整飞行高度、飞行姿态，图像相对于地面坐标系会发生几何平移、旋转、尺度变换等。针对无人机拍摄图片会产生几何畸变的事实，要根据飞行航路、飞机俯仰角、滚转角、航向角，以及机载图像探测器方位角、俯仰角等参数，获得准确的投影模型，使每幅图像处于相同的坐标平面上，实现图像校正，同时估算出相邻图像重叠的区域，这样能够缩小后期寻找特征点需要扫描的范围，减少拼接过程中需要处理的数据量。为达到图像的无缝拼接，要考虑无人机飞行高度变化引起的图像尺度变化，以及图像旋转校正的微小误差。假设图像存在线性的变换畸变u（X，a）=（u（X，a），v（X，a））。其中：X=（z，y），x和y是相对于图像中心的像素水平和垂直坐标，u和v表示图像在水平和垂直方向像素的变化量，a表示被估计的变换6个参数（a0，a1，a2，a3，a4，a5），则u（X，a），v（X，a）分别为：
存在空间变换情况下的两幅图像相似性度量为：
E（a）=|I（X+u（X，a），t+1）?I（X，t）|（1）
通過估计最佳的a值，使式（1）数值最小。代入加权的图像相似性度量，略去高阶项得到近似的目标函数为：
）= I（x+u（X，ao）·u（X，b）+I（X，ao）t-I（X，t+1）Qδ）（2）
对式（2）的b的各分量分别求偏导，当这一迭代过程收敛或迭代一定次数时，也就得到最佳匹配位置的定位参数。
3.2 图像融合算法
图像融合的目的是选择合适的方法来完成图像拼接，避免拼接后的图像出现明显的拼接缝隙，甚至有模糊和失真等现象。目前，常用的图像融合技术有直接平均融合法和加权平均融合法。采用直接平均融合法拼接出来的图像往往会有比较明显的拼接痕迹。本文采用渐入渐出的加权平均融合法进行图像融合，则用该方法融合的图像可以描述如下：
式中，w1和w2表示重叠区域的权重，它们与重叠区域的宽度width满足如下关系：
其中0 在重叠区域，随着width的增大，w1从1渐变为0，w2从0渐变为1，这样就可以在图像融合过程中，重叠区域由I1平滑地过渡到I2。采用这种方法拼接的图像能有效消除拼接缝隙，实现无缝拼接。
4 结束语
经实践证明，无人机智能巡检技术在特殊地段的巡检能够弥补人工巡检的不足，提升巡检效率和质量。下一步将对无人机智能巡检技术与生产管理的深度结合及经济收益的提升进行探索研究，进一步提高天然气长输管道巡线的效率和质量，促进管道安全管控水平的进一步提高。
参考文献
[1]李器宇，张拯宁，柳建斌，等.无人机遥感在油气管道巡检中的应用[J].红外，2017，35（3）：37-42.
[2]姜运宇.旋翼无人机跟踪地面移动目标的视觉控制[D].哈尔滨工业大学，2017.
[3]单蕾，孙慧，艾勇，等.我国天然气储运设施现状及发展趋势[J].石油规划设计，2016，27（5）：1-5.
[4]高鹏，王培鸿，杨耀辉，等.2015年中国油气管道建设新进展[J].国际石油经济，2016，24（3）：60-65，77.
作者简介：蔡洁洁（1987年10月6日），女，汉族，山东省菏泽市，硕士研究生，助理工程师，主要从事长输天然气管道的管道保护工作
（作者单位：山东省天然气管道有限责任公司）
关键词：长输天然气管道；巡线工作；管理
1 前言
天然气主干管道长期置于野外，易遭受外界因素的破坏，故日常的巡检显得异常重要。然而，巡线员多为沿线居民兼职，责任心参差不齐，时常出现敷衍了事、弄虚作假等现象。传统的管理方式对巡线员工作状态缺乏有效的监督，不利于管道安全预警与事件及时处理。无人机巡检管理系统，实现巡检图像预处理、图像拼接、管线三桩一牌完好度识别、第三方施工识别及地质灾害特征点识别等功能。
2 系统功能设计
2.1 系统架构
系统整体架构分为三层，数据层、业务逻辑层、表现层。
（1）数据层。数据层中的数据库系统采用MicrosoftSQLServer，通过数据交换接口进行数据交换；数据库记录来自通讯管理模块传入的移动端信息，并响应和记录WebService对数据的操作。
（2）业务逻辑层。通讯管理模块负责接收移动巡检终端的位置坐标、事件报警等信息，并将其存储到数据库中，同时支持短信交互；客户端负责巡检监控的主要业务逻辑，包括巡线员位置实时展示、历史轨迹回放、事件处理、短信交互等功能；而WebService作为客户端与数据库及通讯管理模块的连接器，其中，客户端与移动巡检终端的短信功能就是通过WebService与通讯管理模块的连接与交互来实现的。
（3）表现层。装有终端软件的巡检终端接收GPS卫星信号完成对终端的自动定位；在监控PC端采用GoogleEarth把监控目标显示在可视化的电子地图上，实现对巡线员的各种监控操作，并通过监控平台向巡检终端发布指令和信息。
2.2 系统功能
（1）电子地图显示。分图层叠加显示背景电子地图、管道路由、巡检管理和动态监控数据；提供树状图层列表和显示控制，以及图形窗口的放大、缩小、漫游、距离/坐标的量算等电子地图的基础功能，方便管理人员的监控和查看。
（2）实时跟踪。移动巡检终端工作后，通过GPRS将巡线员的位置信息发送至服务端通讯管理模块，再解析接收到的信息，并获得巡线员的位置，或者直接通过服务器发送指令，在地图上显示巡线员位置，避免跟踪位置滞后于实际位置的问题。
（3）历史轨迹回放。系统以天为单位进行记录巡线员的轨迹，再根据用户输入的查询条件从数据库中读取历史巡检位置信息，以连续定位点连线的方式按巡检顺序将历史轨迹显示在电子地图上。
（4）数据入库。系统接收到移动巡检终端发送的信息后，对信息数据进行解析，再将解析出的信息（巡检时间、经纬度、人员编号、事件类型等）保存至数据库，最终在显示终端读取显示。
（5）隐患管理。对管道周边的安全隐患（如挖掘、碾压等）进行处理，其方式主要是现场沟通，随后通过客户端将处理结果记录在案，并可随时出具安全隐患统计信息，同时可查询隐患发生地点。
（6）自动报警。自动报警的主要目的是监控巡线员的巡检路线，确保计划的巡检点均得到监控，通过巡线员的巡检位置，判断其是否处于报警状态，如巡检位置距离管线超过50m、未按规定时间巡检、或巡检速度过快（违规乘坐交通工具）等，有以上情况时，系统会自动报警。
（7）双向短消息。巡线员和管理人员之间相互通讯，PC客户端通过服务器端可以将相关指令发送至移动巡检终端或者巡线员通过巡检终端向服务器发送事件信息。
3 无人机智能巡检关键技术
3.1 航拍图像预处理技术
传统的拼接技术需要图像的正射影像图，但在复杂环境下，无人机根据需要，按照规划航路在管线上空盘旋机动，不断调整飞行高度、飞行姿态，图像相对于地面坐标系会发生几何平移、旋转、尺度变换等。针对无人机拍摄图片会产生几何畸变的事实，要根据飞行航路、飞机俯仰角、滚转角、航向角，以及机载图像探测器方位角、俯仰角等参数，获得准确的投影模型，使每幅图像处于相同的坐标平面上，实现图像校正，同时估算出相邻图像重叠的区域，这样能够缩小后期寻找特征点需要扫描的范围，减少拼接过程中需要处理的数据量。为达到图像的无缝拼接，要考虑无人机飞行高度变化引起的图像尺度变化，以及图像旋转校正的微小误差。假设图像存在线性的变换畸变u（X，a）=（u（X，a），v（X，a））。其中：X=（z，y），x和y是相对于图像中心的像素水平和垂直坐标，u和v表示图像在水平和垂直方向像素的变化量，a表示被估计的变换6个参数（a0，a1，a2，a3，a4，a5），则u（X，a），v（X，a）分别为：
存在空间变换情况下的两幅图像相似性度量为：
E（a）=|I（X+u（X，a），t+1）?I（X，t）|（1）
通過估计最佳的a值，使式（1）数值最小。代入加权的图像相似性度量，略去高阶项得到近似的目标函数为：
）= I（x+u（X，ao）·u（X，b）+I（X，ao）t-I（X，t+1）Qδ）（2）
对式（2）的b的各分量分别求偏导，当这一迭代过程收敛或迭代一定次数时，也就得到最佳匹配位置的定位参数。
3.2 图像融合算法
图像融合的目的是选择合适的方法来完成图像拼接，避免拼接后的图像出现明显的拼接缝隙，甚至有模糊和失真等现象。目前，常用的图像融合技术有直接平均融合法和加权平均融合法。采用直接平均融合法拼接出来的图像往往会有比较明显的拼接痕迹。本文采用渐入渐出的加权平均融合法进行图像融合，则用该方法融合的图像可以描述如下：
式中，w1和w2表示重叠区域的权重，它们与重叠区域的宽度width满足如下关系：
其中0
4 结束语
经实践证明，无人机智能巡检技术在特殊地段的巡检能够弥补人工巡检的不足，提升巡检效率和质量。下一步将对无人机智能巡检技术与生产管理的深度结合及经济收益的提升进行探索研究，进一步提高天然气长输管道巡线的效率和质量，促进管道安全管控水平的进一步提高。
参考文献
[1]李器宇，张拯宁，柳建斌，等.无人机遥感在油气管道巡检中的应用[J].红外，2017，35（3）：37-42.
[2]姜运宇.旋翼无人机跟踪地面移动目标的视觉控制[D].哈尔滨工业大学，2017.
[3]单蕾，孙慧，艾勇，等.我国天然气储运设施现状及发展趋势[J].石油规划设计，2016，27（5）：1-5.
[4]高鹏，王培鸿，杨耀辉，等.2015年中国油气管道建设新进展[J].国际石油经济，2016，24（3）：60-65，77.
作者简介：蔡洁洁（1987年10月6日），女，汉族，山东省菏泽市，硕士研究生，助理工程师，主要从事长输天然气管道的管道保护工作
（作者单位：山东省天然气管道有限责任公司）