无人机管理系统的初建与效果分析

孙丽丽

（大庆油田信息技术公司无人机项目经理部，黑龙江 大庆 163000）

2019年，通过对大庆油田20 家单位的需求调研发现，大庆油田地域面积广阔，各类井、站、管线、电线多区域分布，而且大部分环境复杂，人员巡检难度大，这些现实问题恰好为无人机在油田中提供了广阔的展示空间。按照油田公司的要求，信息技术公司先后完成无人机业务资质申请、空域审批、设备招标、飞手培训等工作。但通过大量的验证飞行后发现，按部就班地采用无人机开展业务以来，工作效率上升到一个瓶颈，再次提高需另辟蹊径。经工作人员根据油田发展现状，并综合国内国际无人机工作模式的发展趋势，要提高就要建成一套拥有健全的无人机运行管理体系、完备的监管手段、先进的无人机数据处理与管控技术的系统。

1 功能实现目标概述

无人机管理与服务系统是一套集人员、设备、任务、数据管理于一体的综合性管理系统。

1.1 规范化管理，信息化指挥，专业化监管，节约整体投资

无人机管理与服务系统对无人机操作人员、无人机及挂载设备的运行、维护进行系统化的指引。提示操作人员资格核审、安全飞行，强调设备的合法合规使用和维护保养。统筹考虑大庆油田无人机应用的整体规划，针对不同专业领域规划操作规程与巡检规范细则，规范化管理，信息化指挥，专业化监管，满足生产实际需求，节约整体投资的目的。

1.2 降本增效

目前，无人机采集的视频数据通过移动存储设备进行转存，如大规模应用无人机进行飞行作业，在信息传递和成果递交的过程中，不但巡检时效性和数据存储安全性无法保证，并且在交付成果过程中，存在交通成本和时间成本。无人机管理与服务系统将无人机采集得到的影像数据资料统一存储，可以对数据资料进行系统化管理，不但便于各部门及时按需调取查看，还能为计算机深度学习提供数据支撑，为后期研发更多如车辆车牌智能识别、违章施工自动告警等功能模块完善算法。

1.3 增强数据处理时效性

无人机采集的数据分为视频数据和照片数据，照片数据通常为高清照片和正射影像，在以往的测绘制图领域，正射影像需要专业的工具进行拼接，成果用于高精度专题地图和遥感影像分析。传统的影像处理方法周期较长、效率较低，对于油田设施巡检，主要目的为识别目标发现问题，时效性要求更强，不要求高精度定位，所以需要研究正射影像快速拼接技术，采用人工智能、大数据分析等技术分析影像，及时反馈现场信息，为油田生产提供数据支撑。

2 系统构成

系统构成依据前期用户实际生产需求调研分析的结果，充分发挥任务部署的效能，保证飞行作业的安全合规执行，并确保建设方案顺利实施。据此研究、论证，设计管理与服务系统由五个模块构成：人员与设备信息管理、任务管理、飞行作业管理、数据管理、系统管理。

2.1 人员与设备信息管理

该模块应具备人员及设备台账管理，飞手执照到期提醒，无人机保险到期提醒，飞手、无人机及其载荷、地面站的健康管理，电池使用次数统计计数等功能。

2.2 任务管理

为保障飞行作业安全高效、符合规程，该模块须开发飞行任务管理各项功能，包括作业任务制定和下发、航线规划与推送、位置信息台账管理、历史任务、航线查询等。

2.3 飞行作业管理

该模块具备无人机图像实时回传、无人机巡查目标车辆及车牌识别、图像资料存储、飞行日志记录、空域申请报批、气象情报实时更新与记录、无人机飞行参数监控、轨迹跟踪与记录、无人机故障信息告警、电子围栏建立、无人机越界告警的综合管控功能。系统基于BD/GPS 或移动互联网技术对无人机运行数据（包括位置、高度、速度等）进行实时动态监测，对无人机飞行进行定位、跟踪、记录、分析，并将相应参数记录入库，存储备查。

2.4 数据处理模块

（1）正射影像拼接。①原始影像采集，根据《低空数字航空摄影规范》对于飞行质量和影像质量的要求，进行飞行作业采集原始图像和POS 数据信息。②图像预处理，密集点云纠正相片中地物，将原始图像进行畸变矫正。③影像匹配，加地面控制点，解析空中三角测量。④建立模型，输出DEM。

（2）正射影像图像对比分析。利用影像中目标特征信息组合的方式，构建分类规则和模糊分类规则，通过反复试验，不断调整这些特征的阈值，获得最优的分类规则，以此对比分析两期或多期正射影像的变化，对于大范围的正射影像巡检数据而言，更有利于管理人员快速了解巡检区域的变化情况，针对这些区域进行对应的工作安排。

2.5 系统管理

该模块为其他模块服务，管理其他各模块中操作和查询者的权限分配和设定，划分组织架构，日志存储的和使用。

3 技术解决方案

（1）平台系统解决方案部分。系统整体框架分应用层、服务层、数据层和基础架构四个层次。通过选用合适的云服务与云服务器组成具备云计算、物联网、流媒体处理、大数据集群、图形处理、云存储、安全防护、信息交互等能力的云平台系统，并依托强大的虚拟硬件环境开发实现管理与服务系统的各项功能。

（2）飞行作业信息化管理解决方案。①飞行作业调度人员接到飞行任务后，根据现场情况和任务需求制定飞行任务计划书，任务编辑模块可以新建或读取数据库的已建台账信息，选取飞手、无人机及配套设备、禁飞区域，并填写任务执行时间、期限、地点等信息。②输入飞行任务目标GPS信息，管理系统为无人机自动设定最优航线，航线应自动规避禁飞区域及限飞区域。③飞行作业管理人员审查飞行作业计划书和航线信息符合要求后，上传管理系统。④作业人员获取任务更新提醒，下载任务作业书和航线信息，飞手可以根据现场情况做出相应调整。⑤现场作业完成后，飞手通过终端回执任务完成情况。

（3）无人机电子围栏功能实现。实现电子围栏管理与无人机越界告警功能，需要完成的实物工作量：管理系统电子围栏数据采集系统构建，动态发布机制制定，无人机系统接口标准匹配，防侵入（告警）建模，无人机与监管系统电子围栏测试。

实现禁飞区规划、管理、越界告警功能，可防止无人机侵入军事、政治、经济等重要目标区域。按照其在水平面投影几何形状可以分为三种：民用航空机场障碍物限制面、扇区形、多边形。无人机围栏模型采用4 维空间结构，包括平面地理区域经度、纬度，限制高度，禁飞时间。

研究和制定基于无人机云系统的机载电子围栏数据接口，使管理系统的电子围栏数据服务于无人机系统。接入管理系统的无人机应实时上传飞行数据，管理系统对侵入无人机围栏的无人机具有报警功能。

管理系统与现行军民航空管系统（通用航空飞行服务站等）实现联网，构建涵盖有人、无人飞行器的完整低空飞行监控体系；建立无人机主动、被动加入云平台的监管机制，明确接口数据规范；实时采集各类低空通信、导航、监视数据，准确监控各类飞行动态。

（4）无人机影像实时回传与车辆信息识别。要实现终端实时观看无人机影像，需无人机厂商开放SDK 后，对无人机SDK 进行封装分析、接口调试，再与平台服务器端口进行对接。

飞行作业影像数据实时回传指挥中心，经校验合格后，上传至云存储服务器。如果需要识别车辆信息包括车牌号码，调用计算机图像识别功能进行实现。

影像数据根据权限可以随时调用，同时也可根据企业管理的需求，和其他生产指挥系统进行数据交互，如：通过平台进行隐患标注可进行隐患的实时通知，可直接对接至相关应急管理部门相应平台，通知相关人员进行及时处理。

4 效果分析

自2020年9月，无人机管理与服务系统正式上线试运行。该系统是大庆油田首个实现了基于无人机的生产指挥、任务管控、数据处理、服务共享于一身的系统平台，面向管理决策层、任务执行层、终端用户层提供了一套综合性的无人机应用解决方案，实现全业务、全链条的综合管控。结合行业规范、企业规范，建立了适应大庆油田的无人机运行管理体系，实现了无人机运行管理制度、操作规范、作业流程的网络化、平台化。

通过对飞控系统的二次研发，实现天空端到服务端的飞行数据实时回传，使监控中心可以对开机运行的无人机进行实时监测。针对大庆油田地表较为平坦且精度需求不高的情况，改进现有图像拼接处理技术，适当减少图像预处理环节的计算步骤，降低图像配准精度，优化空三测量算法，实现对油田地表的快速勘察测量，实测成果输出效率是行业成熟软件的2 倍。实现了不同类型无人机作业成果类型的数据处理和分析方法，包括巡检隐患标注、空间测量、实时轨迹输出等技术。

5 结语

该项目完成了设计之初的全部研究推广任务，达到了预期目标，下一阶段结合具体应用场景，重点研究智能图像分析识别技术和无人机通信数据链技术，推进等保测评整改进度，提升无人机自动化、智能化技术水平，扩大无人机应用覆盖面，促进无人机技术能够更好地为油田与企业服务。