激光甲烷遙測相關(guān)技術(shù)及云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

喬威力

摘要：城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)是關(guān)系國家民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施。距離工商業(yè)用戶和居民區(qū)較近，尤其高后果區(qū)，天然氣泄露后將造成重大安全隱患?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)天然氣泄漏檢測系統(tǒng)存在檢測范圍有限、速度慢、誤報(bào)情況多、人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷，因此，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用一套高精度、反應(yīng)迅速的智能化甲烷泄露監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

關(guān)鍵詞：激光甲烷檢測;智能

1緒論

我國在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)背景下，從工業(yè) 4.0 到“互聯(lián)網(wǎng)+”，本文實(shí)現(xiàn)的激光甲烷遙測云平臺(tái)（以下簡稱本云平臺(tái)）。本云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)，輔以激光甲烷檢測、云平臺(tái)、智能巡航、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)。能夠?qū)崿F(xiàn)快速及時(shí)準(zhǔn)確檢測到泄漏并準(zhǔn)確定位到泄漏位置?？梢詰?yīng)用到全國各大輸氣站和長輸氣管道周圍，增強(qiáng)檢測精度和巡檢力度。一旦發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏，立即通過多種渠道反饋給相關(guān)人員，根據(jù)回傳的現(xiàn)場資料準(zhǔn)確制定解決方案。 具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2相關(guān)技術(shù)概述

2.1物聯(lián)網(wǎng)甲烷檢測方案

在甲烷檢測領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)研究中，大部分解決方案的架構(gòu)都是用云平臺(tái)等解決方案。

2.1.1云平臺(tái)方案

云平臺(tái)解決方案主要使用 WiFi 和數(shù)據(jù)流量網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。WiFi 技術(shù)是基于IEEE802.11 的通信協(xié)議。近些年，WiFi 憑借其高性能的傳輸速度在各行各業(yè)都有極強(qiáng)的適應(yīng)性。WiFi 對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸安全、可靠、穩(wěn)定。非常適合甲烷檢測領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求。

在云平臺(tái)解決方案中，每臺(tái)終端都通過 WiFi 或者數(shù)據(jù)流量與云平臺(tái)相連，為物聯(lián)網(wǎng)和用戶終端實(shí)現(xiàn)監(jiān)控遠(yuǎn)程化。

該解決方案有著明顯的優(yōu)勢，整個(gè)系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)十分簡單，低延時(shí)、高可靠、快速傳輸、高效傳輸。由于基于無線通信技術(shù)訪問互聯(lián)網(wǎng)，減少了設(shè)備之間的線纜連接。增強(qiáng)了本云平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性，節(jié)約了成本。而且組網(wǎng)十分簡單，WiFi 和數(shù)據(jù)流量都不需要過多的專業(yè)技術(shù)就能成功部署。

3智能巡航算法

本章將詳細(xì)介紹對(duì)智能巡航算法的過程和結(jié)論。本課題中研究的智能巡航算法主要配合遠(yuǎn)源單點(diǎn)半固定式甲烷檢測系統(tǒng)，用來保證采集器檢測范圍的同時(shí)大幅度減少采集器數(shù)量，大大減少采集器成本。

3.1智能巡航算法概述

智能巡航算法是整個(gè)課題的核心，本算法能夠智能規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)終端的新型激光甲烷檢測設(shè)備的巡航路徑，縮短泄漏發(fā)現(xiàn)的時(shí)間。并有效收集城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)上各點(diǎn)的甲烷數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)分析。

本課題中研究的智能巡航算法主要分為空間信息建模和巡航路徑規(guī)劃兩部分。算法首先要對(duì)環(huán)境周圍待巡航檢測管道進(jìn)行空間信息建模，接著對(duì)空間信息建模的結(jié)果進(jìn)行巡航路徑的規(guī)劃。

3.2空間信息建模

空間信息建模過程主要使用圖像語義分割、單目視覺定位等技術(shù)對(duì)目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行三維空間信息的還原。首先，對(duì)新型激光甲烷檢測設(shè)備四周進(jìn)行連續(xù)的圖像采集。其次，根據(jù)采集的圖像通過計(jì)算機(jī)視覺的圖像語義分割技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)特征區(qū)域的識(shí)別，提取圖片中的城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)的特征區(qū)域。接下來，在目標(biāo)特征區(qū)域中選取一系列目標(biāo)特征點(diǎn)通過自旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下單目視覺定位技術(shù)進(jìn)行處理，通過這一系列特征點(diǎn)的二維圖像信息到三維空間信息的轉(zhuǎn)換，還原出這一系列目標(biāo)特征點(diǎn)的三維空間信息并進(jìn)行記錄。最后，利用這些信息構(gòu)建目標(biāo)的三維空間信息模型。

3.3巡航路徑規(guī)劃

巡航路徑規(guī)劃過程主要是規(guī)劃一條對(duì)目標(biāo)全面掃描的路徑。這條規(guī)劃的路徑需要盡可能少的交叉和重復(fù)。換一句話說，巡航路徑規(guī)劃就是對(duì)目標(biāo)的三維空間信息模型中大量特征點(diǎn)進(jìn)行空間三維信息重排序。通過計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)之間的空間幾何距離，并根據(jù)空間幾何距離選擇合適的特征點(diǎn)加入路徑序列中。當(dāng)所有特征點(diǎn)全部加入路徑序列中后，巡航路徑就規(guī)劃完成了。

巡航路徑規(guī)劃部分首先獲取通過空間信息建模部分生成的城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)三維空間信息模型，根據(jù)城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)三維空間信息規(guī)劃巡航的路徑。在保證城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)都至少被巡航一次的前提下，要盡可能多的減少巡航路徑的重復(fù)率。

前文提到過巡航路徑規(guī)劃其實(shí)可以看作給這一些列水平俯仰角進(jìn)行重排序的過程。只需要計(jì)算起始點(diǎn)與其他點(diǎn)之間的幾何距離，選擇幾何距離小的點(diǎn)加入路徑序列排在起始點(diǎn)的后面。再將新加入的點(diǎn)設(shè)為起始點(diǎn)。重復(fù)上述過程，直到所有點(diǎn)都加入到序列中，至此特征點(diǎn)三維信息重排序結(jié)束。

4激光甲烷檢測平臺(tái)模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

激光甲烷檢測平臺(tái)負(fù)責(zé)與新型激光甲烷檢測設(shè)備的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)上傳等模塊實(shí)現(xiàn)，包括新型激光甲烷檢測設(shè)備的云臺(tái)控制協(xié)議和智能巡航算法控制模塊實(shí)現(xiàn)。激光甲烷檢測平臺(tái)分為激光甲烷檢測和設(shè)備姿態(tài)控制兩部分，每部分有若干模塊。

4.1激光甲烷檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

激光甲烷檢測系統(tǒng)主要提供對(duì)激光甲烷檢測傳感器通信功能，其中包括甲烷通信協(xié)議模塊，提供物聯(lián)網(wǎng)終端與甲烷傳感器的通信服務(wù);提供對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端客戶端文本、圖片、錄像視頻等異構(gòu)數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)中心服務(wù)。

4.1.1甲烷通信協(xié)議模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

甲烷通信協(xié)議模塊主要負(fù)責(zé)與激光甲烷濃度傳感器進(jìn)行串口通信。是傳感器開關(guān)、甲烷濃度獲取等 API 的具體封裝實(shí)現(xiàn)。甲烷通信協(xié)議模塊還負(fù)責(zé)激光甲烷濃度傳感器串口資源的維護(hù)，包括串口的數(shù)量，在線情況、波特率、校驗(yàn)位、串口消息緩存隊(duì)列等。

4.1.2智能巡航控制模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

智能巡航控制模塊主要負(fù)責(zé)智能巡航算法服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)原理在第三章已有過詳細(xì)的論述，就不在此贅述了。這里主要描述一下智能巡航控制模塊除算法之外的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。除了智能巡航算法服務(wù)的實(shí)現(xiàn)之外，智能巡航控制模塊還負(fù)責(zé)暴露提供智能巡航算法服務(wù)的 API，供物聯(lián)網(wǎng)終端調(diào)用。

結(jié)論

本文針對(duì)城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)高后果區(qū)容易造成天然氣泄漏的現(xiàn)象和傳統(tǒng)甲烷檢測系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的激光甲烷遙測云平臺(tái)，并著重研究智能巡航算法，時(shí)間縮短，能夠在泄漏發(fā)生后更快的發(fā)現(xiàn)泄漏并確定泄漏點(diǎn)，避免重大燃爆事故的發(fā)生。

鑒于知識(shí)水平有限，因此懇請各位專家學(xué)者對(duì)本文中出現(xiàn)的疏漏和錯(cuò)誤進(jìn)行批評(píng)指正！

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