激光甲烷遥测相关技术及云平台实现应用

乔威力

摘要：城镇天然气输配系统是关系国家民生的重要基础设施。距离工商业用户和居民区较近，尤其高后果区，天然气泄露后将造成重大安全隐患。现有的传统天然气泄漏检测系统存在检测范围有限、速度慢、误报情况多、人工巡检劳动强度大等缺陷，因此，实现应用一套高精度、反应迅速的智能化甲烷泄露监测系统势在必行。

关键词：激光甲烷检测;智能

1绪论

我国在当前经济背景下，从工业 4.0 到“互联网+”，本文实现的激光甲烷遥测云平台（以下简称本云平台）。本云平台基于物联网，辅以激光甲烷检测、云平台、智能巡航、远程监控等技术。能够实现快速及时准确检测到泄漏并准确定位到泄漏位置。可以应用到全国各大输气站和长输气管道周围，增强检测精度和巡检力度。一旦发现天然气泄漏，立即通过多种渠道反馈给相关人员，根据回传的现场资料准确制定解决方案。 具有十分广阔的应用前景。

2相关技术概述

2.1物联网甲烷检测方案

在甲烷检测领域的物联网研究中，大部分解决方案的架构都是用云平台等解决方案。

2.1.1云平台方案

云平台解决方案主要使用 WiFi 和数据流量网络进行组网。WiFi 技术是基于IEEE802.11 的通信协议。近些年，WiFi 凭借其高性能的传输速度在各行各业都有极强的适应性。WiFi 对数据的传输安全、可靠、稳定。非常适合甲烷检测领域的物联网对网络的要求。

在云平台解决方案中，每台终端都通过 WiFi 或者数据流量与云平台相连，为物联网和用户终端实现监控远程化。

该解决方案有着明显的优势，整个系统的连接结构十分简单，低延时、高可靠、快速传输、高效传输。由于基于无线通信技术访问互联网，减少了设备之间的线缆连接。增强了本云平台的环境适应性，节约了成本。而且组网十分简单，WiFi 和数据流量都不需要过多的专业技术就能成功部署。

3智能巡航算法

本章将详细介绍对智能巡航算法的过程和结论。本课题中研究的智能巡航算法主要配合远源单点半固定式甲烷检测系统，用来保证采集器检测范围的同时大幅度减少采集器数量，大大减少采集器成本。

3.1智能巡航算法概述

智能巡航算法是整个课题的核心，本算法能够智能规划物联网终端的新型激光甲烷检测设备的巡航路径，缩短泄漏发现的时间。并有效收集城镇天然气输配系统上各点的甲烷数据用于数据分析。

本课题中研究的智能巡航算法主要分为空间信息建模和巡航路径规划两部分。算法首先要对环境周围待巡航检测管道进行空间信息建模，接着对空间信息建模的结果进行巡航路径的规划。

3.2空间信息建模

空间信息建模过程主要使用图像语义分割、单目视觉定位等技术对目标特征点进行三维空间信息的还原。首先，对新型激光甲烷检测设备四周进行连续的图像采集。其次，根据采集的图像通过计算机视觉的图像语义分割技术进行目标特征区域的识别，提取图片中的城镇天然气输配系统的特征区域。接下来，在目标特征区域中选取一系列目标特征点通过自旋转状态下单目视觉定位技术进行处理，通过这一系列特征点的二维图像信息到三维空间信息的转换，还原出这一系列目标特征点的三维空间信息并进行记录。最后，利用这些信息构建目标的三维空间信息模型。

3.3巡航路径规划

巡航路径规划过程主要是规划一条对目标全面扫描的路径。这条规划的路径需要尽可能少的交叉和重复。换一句话说，巡航路径规划就是对目标的三维空间信息模型中大量特征点进行空间三维信息重排序。通过计算每个特征点之间的空间几何距离，并根据空间几何距离选择合适的特征点加入路径序列中。当所有特征点全部加入路径序列中后，巡航路径就规划完成了。

巡航路径规划部分首先获取通过空间信息建模部分生成的城镇天然气输配系统三维空间信息模型，根据城镇天然气输配系统三维空间信息规划巡航的路径。在保证城镇天然气输配系统都至少被巡航一次的前提下，要尽可能多的减少巡航路径的重复率。

前文提到过巡航路径规划其实可以看作给这一些列水平俯仰角进行重排序的过程。只需要计算起始点与其他点之间的几何距离，选择几何距离小的点加入路径序列排在起始点的后面。再将新加入的点设为起始点。重复上述过程，直到所有点都加入到序列中，至此特征点三维信息重排序结束。

4激光甲烷检测平台模块实现应用

激光甲烷检测平台负责与新型激光甲烷检测设备的通信协议，数据上传等模块实现，包括新型激光甲烷检测设备的云台控制协议和智能巡航算法控制模块实现。激光甲烷检测平台分为激光甲烷检测和设备姿态控制两部分，每部分有若干模块。

4.1激光甲烷检测系统实现应用

激光甲烷检测系统主要提供对激光甲烷检测传感器通信功能，其中包括甲烷通信协议模块，提供物联网终端与甲烷传感器的通信服务;提供对物联网终端客户端文本、图片、录像视频等异构数据上传数据中心服务。

4.1.1甲烷通信协议模块实现应用

甲烷通信协议模块主要负责与激光甲烷浓度传感器进行串口通信。是传感器开关、甲烷浓度获取等 API 的具体封装实现。甲烷通信协议模块还负责激光甲烷浓度传感器串口资源的维护，包括串口的数量，在线情况、波特率、校验位、串口消息缓存队列等。

4.1.2智能巡航控制模块实现应用

智能巡航控制模块主要负责智能巡航算法服务的实现，其实现原理在第三章已有过详细的论述，就不在此赘述了。这里主要描述一下智能巡航控制模块除算法之外的实现应用。除了智能巡航算法服务的实现之外，智能巡航控制模块还负责暴露提供智能巡航算法服务的 API，供物联网终端调用。

结论

本文针对城镇天然气输配系统高后果区容易造成天然气泄漏的现象和传统甲烷检测系统存在的不足，设计并实现了基于物聯网的激光甲烷遥测云平台，并着重研究智能巡航算法，时间缩短，能够在泄漏发生后更快的发现泄漏并确定泄漏点，避免重大燃爆事故的发生。

鉴于知识水平有限，因此恳请各位专家学者对本文中出现的疏漏和错误进行批评指正！

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