激光甲烷遥测无人机及巡检APP开发应用

1 概述

根据住建部《2020城市建设统计年鉴》，截至2020年，我国城市燃气用气人口达4.13×10

人，城市燃气管道长度达到85×10

km。燃气民用户用气安全是城市燃气安全管理工作的重点，一旦泄漏容易引发燃气火灾和爆炸事故，造成重大人员伤亡和财产损失，且社会影响巨大。民用户入户安检情况复杂，天津滨海东新燃气有限公司历年统计数据显示，安检入户率在85%左右，无法入户的比例为15%，再加上立管带气空房等并未列入日常安检范围，检不到的比例实际更高。而使用手持激光遥测仪对高层用户进行检测时，容易因为在地面对户内照射仰角太大造成数据不准或无法测到数据。

对于城中楼外管道和设施，在老旧小区、高层建筑常有通道封闭使巡检人员无法到达近处检查的情况。也有因装修、改造、施工等原因将燃气管道覆盖、占压的情况，存在诸多隐患。

(2) 本工程15万t级航道只是对烂沙洋北水道水深较浅区域进行浚深，对工程区海域水动力及水道稳定性影响较小，工程后不会影响烂沙洋北、中、南三水道的整体流场格局。

对于郊外高中压管道，有些穿过荒山野岭、跨越沼泽湖泊等地区，有些处在高速公路护网内，人工巡检难以进入。开发适应城市燃气多种场景巡检特点的微型激光甲烷遥测无人机和自动化巡检方法，对提高巡检质量、巡检效率具有重要意义。

2 激光甲烷遥测无人机

2.1 TDLAS可调谐半导体激光吸收光谱检测技术

可调谐半导体激光吸收光谱TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术，其工作原理是在调制信号的控制下，激光模块发出调制的激光探测光照射到探测区域，并由自然靶表面反射回来，由接收透镜汇聚到光电转换器进行光电转换，转换后的电信号经处理后得到被探测区域的气体体积分数路径积分，见图1。气体体积分数路径积分指气体体积分数对激光所通过的气体云团长度的积分，单位为m。TDLAS技术是一种非接触式检测方法，与其他气体检测方法相比，具备灵敏度高、响应时间短、选择性强、探测下限低等优点，这些特点对于无人机载条件下的动测量方式十分有利。

2.2 微型激光甲烷遥测模块

微型激光甲烷遥测模块(简称激光模块)结构见图2。激光发射器采用带有半导体制冷的1 653.7 nm同轴封装激光器，接收光路的球面聚焦透镜直径为25 mm，模块质量为27.5 g。

2.3 无人机

① APP系统构架

3 自动化巡检APP开发

无人机上激光模块与相机并列安装，使用同一云台以保证激光光路与相机光路平行，通过遥控可以上下调整改变激光指向。无人机整机质量不超过1.5 kg，适合城市环境，使用简便。按照《民用无人机驾驶员管理规定》的质量划分，整机质量不超过1.5 kg的无人机无需证照管理，没有无人机驾照也可以使用。无人机样机见图3。

在爆破设计中将预裂孔逐孔编号，通过测量现场放线获得预裂孔孔位实际高程，根据爆破设计计算出每个预裂孔的实际孔深，制成实际造孔参数表下发作业队并进行技术交底，作业队按造孔参数表控制预裂孔孔深。边坡特殊开挖段（如渐变段等），技术人员要逐孔进行计算，计算出各预裂孔的方位角、倾角及孔深，并在造孔过程中配合质检员现场校核各预裂孔的钻孔参数。预裂孔造孔严格执行“三定”制度。在钻机开孔前，对钻工进行详细的技术交底，严格执行“定机、定人、定岗”制度，对每个孔的孔深、倾角及钻孔责任人实行挂牌标示，做到责任到人。在每台钻机上设置有钻工作业明白卡，明确了钻孔工艺的程序和质量要求。

移动设备通过无线双向数据传输系统与无人机连接，通过USB线连接无人机遥控器。移动设备接收的下行数据包括无人机上实时巡检画面、甲烷体积分数路径积分、无人机的位置坐标，向无人机发送的上行数据有航线和拍照等控制指令。

移动APP应用程序使用安卓平台软件开发包(Android SDK)和大疆移动软件开发包(DJi Mobile SDK)进行构建和开发，在安卓系统移动设备上运行，见图4。

“你们救护队也功不可没！”马国平回望着后面的女兵，她们英姿飒爽。“三天的游击战，我们一连居然没有死伤一人，这个奇迹，是因为有你们强大的救护队作后盾啊。”

巡检过程中，需要通过激光点来确定巡检位置，激光点在巡检视窗中仅为一个绿点，在对某些目标探测时还需要关闭激光绿点，且由于机械安装和反射距离等产生的误差，激光点很难保持在同一位置。因此设计了交叉十字线标记方法，指示当前激光点在巡检视窗中的位置，见图8。

通过计算不同试验要素场能量差值,即平均总能量EDTE(Difference Total Energy,DTE)(Zhang et al.,2002)来衡量扰动成员对预报场影响的敏感程度。一般情况,EDTE大,扰动对预报的影响大;EDTE小,扰动对预报的影响小。计算公式如下:

③ 自动飞行航线编辑

④ 复查历史巡检报告

自动飞行是通过编制、上传和运行航线文件完成的。航线文件是将燃气管道GPS坐标作为航点，再设置航高和飞行速度等参数生成的。航线总长在编制航线时自动计算并显示在界面上，并根据设定的飞行速度自动计算和显示预计飞行时间，见图7。航点可以使用管道坐标数据，也可将无人机放置在管道位置使用APP的打点功能现场采集航点坐标。经过校准飞行的航线可以保存下来作为巡检航线，在需要时直接上传使用。

从移动设备中加载所有历史巡检报告，读取标记点的信息。可以根据坐标信息，选择照片缩略图或对照片存储卡中的内容与现场情况进行对比，达到复查标记点的目的。

⑤ 交叉十字线方法标记激光点位置

② 实时数据显示和自动拍照记录保存

洛克菲勒，从小家教很严，靠给父亲做“雇工”挣零花钱。他清晨便到田里干农活，有时候也帮母亲挤牛奶。他有一个专用于记帐的小本子，把自己的工作量化后，按每小时0.37美元记入帐，尔后与父亲结算，这件事他做得很认真，感到既神圣又趣味无穷。更有意味的是，洛克菲勒的第二代、第三代乃至第四代，都严格照此执行。美国人常将自己不需要的东西拿出来拍卖，小孩自己用不着的玩具等也可以摆在家门口出售，以获得一点收入。

设置甲烷体积分数路径积分阈值，利用时间窗的统计方法实时处理和显示甲烷体积分数路径积分。微型激光甲烷遥测模块每1 s可以测量100个数据，以记录20个数据的时间即0.2 s为一个时间窗，取这20个数据的中位数作为显示数据。显示数据实时刷新，并自动生成一段时间内的甲烷体积分数路径积分随时间变化曲线，显示甲烷体积分数路径积分变化情况。时间窗实时数据显示和自动拍照记录保存流程见图5，实时数据显示窗体见图6。当监测数据超过设定阈值时报警，显示数据由白色变为红色，移动设备发出报警声。发出报警的同时触发自动拍照，无人机拍照完成后，根据无人机坐标在安卓移动设备上标记当前位置，生成标记点，按照坐标、甲烷体积分数路径积分、照片名的顺序写入本次巡检报告。结束本次巡检时，根据保存时间生成巡检报告的文件名，并在报告内容中记录与巡检相关的其他信息，将巡检报告存入终端设备存储空间。若没有超过设定阈值，则不会拍照、记录或生成报告。也可通过手动记录功能，拍照并记录，写入巡检报告。

默认将交叉十字线设置在巡检视窗的中心，需要校准激光点位置时，移动交叉十字线在巡检视窗中的位置，每次移动一个像素点，当交叉十字线中心与激光点重合时，保存当前位置，将默认位置变为当前位置，避免反复调整。

校准后，通过交叉十字线对准探测目标的精确度大大提高，在对楼外立管局部损坏部位探测时，激光点可以准确照射到立管损坏部位，见图9。

4 巡检应用

激光甲烷遥测无人机在天津滨海东新燃气有限公司投入巡检使用后取得良好效果，不仅弥补了人工巡检难以到达的缺口，提高了安检率，还在实际无人机巡检中成功发现泄漏点，并及时组织修复了泄漏的管道，防止了事故发生。

2021年11月24日，无人机巡检某小区立管带气空房，在6层一间厨房外透窗探测发现甲烷体积分数路径积分较高，见图10。维修人员立即赶到现场，在小区相关人员配合下，打开房门后进入厨房，使用手持仪器测量发现泄漏位置并及时组织了修复。

“一带一路”合作中，国际化企业有必要形成专门的企业社会责任部门，对部门人员进行专业培训，能够让他们对企业社会责任有系统了解，从而在企业社会责任的履行过程中进行专业管理，使相关资源得到更为有效的利用，获取相关社会责任行为的最大社会效应。国际化企业有必要将社会责任纳入到其长期的发展战略，对社会责任履行的范围、层次以及重点等进行系统的统筹安排，从而强化企业的公民意识，构建基于科学分析的企业社会责任战略(樊蓉，2018)，真正的提升企业的国际品牌形象。

同月，无人机巡检某小区楼外管道时，在调压箱处测得甲烷体积分数路径积分较高。维修组现场确认调压器发生泄漏，并及时更换损坏部件，避免了事故发生。