无人机在水利工程监督管理中的设计与实现

无人机在水利工程监督管理中的设计与实现

李旭章高强张鹏

广州市水务科学研究所广东广州510000

摘要：基于检测、通讯、机械设计、自动化及遥感技术，本文在无人机基础上对水利工程监督管理系统进行设计，该系统对水利工程施工现场影像进行采集、回传，能够实时监控，实现对水利工程现场的监督管理。

关键词：无人机；水利工程；监督管理；系统设计

当前，诸多水利工程建设中，人工现场监督管理是主要的监管方式，但由于水利工程战线通常比较长，需要花费大量的时间巡视，并且主要以目测或手动测量方式为主，后期再对数据、照片等人工处理。或者是在现场安装监控设备，通过观看录像进行工程监督管理。上述方式，虽然更具任性化，能够结合现场实际情况随机应变，但所消耗的人力、物力及财力非常大，且监控设备对角度有限制，容易有人为干扰，信息的准确性、实时性等都不强。随着智能化、信息化技术的发展，无人机技术在各行业的应用逐渐增多，在水利工程监督管理中一如无人机技术，是当前形势发展的必然。

1、无人机概述

无人机是一种无人驾驶、动力驱动的能够重复使用的航空器，通过飞行控制器内预设程序或无线电遥控来控制飞行。随着技术的不断成熟，且考虑到无人机的机动性、高性价比及安全性，在诸多领域内对无人机都开始应用。空中监管是无人机应用的主要领域，通过携带GPS定位系统、高清数码摄像头，实现从空中采集地面影响信息，实时传送到地面站，利用遥感影像数据处理软件，可实现影像数据的高精度、快速、自动化处理，精确生成三维点云模等。与卫星遥感相比，无人机具有应急反应快、飞行高度低等优势，在现场监管中，效率较高。水利工程中，应用无人机技术进行质量监督管理，一方面可有效的提高监管工作效率，另一方面工作风险也得到降低。主要利用无人机巡视航拍施工现场，对现场作业情况进行了解，对工程进度、施工情况实时掌握，同时对人力难以到的的位置也可利用无人机进行监管，从而使施工安全风险得到有效的控制。

2、水利工程监督管理系统设计

2.1系统功能需求

该无人机监督管理系统主要用于水利工程监督管理，考虑到现场环境、施工现场情况等因素，要求系统必须具备适应极端环境、抗风能力等特点，同时还应具有可移动性。系统主要功能如下：首先，自动定时采集信息。无人机控制核心为开源飞控，能够进行二次开发，实现无人机智能避障、自主导航的功能。可实现输入巡航路线、起飞时间等，无人机系统可根据时间及路线飞行；其次，实时回传及存储采集信息。系统配备全天候摄像头，可不间断工作，将影像信息实时回传到地面控制站，并存储在云端，为大数据的形成奠定基础；第三，实时处理航拍图像；系统具有对航拍图片自动处理的功能，施工现场情况能够被监管者方便了解。在航拍图处理后，能够对工程面积、体积、高程等相关工程参数进行测算，同时还可对关键的车辆、人员等信息进行捕获；最后，自动续航功能。由于多数无人机的续航能力都不强，该系统应用自动更换电池装置，使系统具备自动续航能力，确保无人机能够长时间工作。

2.2系统设计

图1系统总体结构

本系统主要应用于水利工程实时监管，对施工现场情况采集影像信息并回传保存，对影响资料通过数据处理软件处理分析，实现监管施工现场的目的。系统整体架构采用分层式设计理念，数据采集通过无人机平台，对施工现场影像数据进行采集，数据处理采用上位机软件对影像资料实时处理，系统整体架构如图1所示。

（1）数据采集层。该层位于整个系统的底层，无人机及GPS、摄像头等装置是数据采集层的主要构成，对现场影像信息实时进行采集，然后将采集到的数据通过多种通讯方式传输到传输层与数据存储层。无人机是数据采集层最主要的设备，而GPS导航、摄像头及避障模块等都搭载在无人机上，通过导航模块与避障模块，无人机实现自主导航与避障功能，摄像头负责对现场实际数据进行采集，最终实现无人化的数据采集模式。

（2）数据传输与存储层。整个系统中，数据传输与存储层属于中间层，将数据采集层与数据处理层连接在一起，将无人机收集到的数据传输到控制室上位机中，起到中转站的作用，并且对数据进行存储。智能起落站是该层的主要设备，保证了无人机能够精准的经络和自动起飞，同时对无人机在续航方面能力不足的问题，通过自动更换电池的方式给予解决。

（3）数据处理层。整个系统中最重要的部分就是数据处理层，对无人机采集到的影像资料利用遥感数据处理软件进行处理，从而使得水利工程施工现场的二维或三维数据，实现影像数据分析及影像数据生成等。此外，对无人机采集的的影像信息可利用手机终端APP实时进行查看，从而实现对施工现场情况的实施监督与管理。

2.3系统工作流程

无人机监督管理系统设计的主要目的是工程建设前原貌、建设中进度及措施、建设后新貌等留取直观的、全方位的影像资料，并且对影像资料可通过数据处理软件进行分析，从而实现对施工数据的实时获取，对水利工程实现实时的监管。系统工作流程如图2所示：

图2系统工作流程

系统在具体工作中，具体流程如下：首先，对需要监督管理的区域，由人工提前进行航迹规划，在无人机飞控系统中提前载入无人机巡检路线；其次，按照预设的时间，无人机定时起飞，在自主导航的引导下，按照预设航线及作业方式开展作业，系统配置的智能避障功能使无人机在作业中对障碍物可自动避开；第三，巡检过程中，无人机采集到的影像通过不同通讯方式传输到智能起落站，经过中转以后，到达控制室操作中心，同时对采集到的影像数据进行存储；第四，在无人机电池续航能力不足时，或者巡检任务完成时，无人机自动返回智能起落架，并自动进行电池的更换；第五，上位机软件对传输回来的影像数据进行处理以后，监督管理所需要的数据也就能够得到，便于监管人员的应用；同时，监管人员也可直接对无人机采集的影像信息进行远程观看，为现场监督管理提供依据；第六，在实际作业中，根据采集数据的需求，可人工对飞行路径实时更改，例如在兴趣点环绕飞行、对感兴趣区域补拍等操作；第七，对无人机飞行姿态、机载信息及施工现场情况均可利用手机APP实时查看；第八，可将中控室监管人员的语音实时传递到施工现场，监管人员还可佩带VR眼睛，体现身临施工现场的感觉。

3、无人机监督管理系统的实现

该系统通过设备选型、功能研究及结构设计后，需要进行运行调试，通过对水利工程进行多次巡检，包含施工前、中、后的不同影像资料采集，为监督管理单位提供了有效的依据。该系统主要包含数据采集、存储与传输及处理几个模块，在实际运行中，三部分功能均能较好的实现，系统运行稳定、安全、可靠，保证了现场监管任务的有效开展。

该系统在水利工程中的实际应用，取代了传统人工现场管理的模式，解放了劳动力，并且无人机可深入到人力无法到达的监管地点，确保了监管人员的安全。自稳云台设备及高精度摄像头的应用，确保了无人机在飞行中可拍摄到清晰、稳定的画面，系统运行的可靠性比较高。系统内三个子系统之间可单独调试，是三个互相独立的部分，三部分配合可完成水利工程现场监督管理工作。在设备选型及各功能机构设计中，严格按照相关技术及行业标准，对各功能设计都在调试与仿真的基础上进行，保证了系统的安全稳定运行。同时，系统中各个器件均选择运行稳定性好、信号质量高、使用寿命长的产品，以此保证系统能够稳定运行。避障功能的设计，保证了无人机飞行的安全性，同时增加了落水保护功能、降落伞功能等，在无人机出现落水或失控坠落时，确保系统的安全。在影像数据处理方面，采用低空遥感信息处理软件平台，该软件运行效率高，采用插件架构，可扩展性较强，灵活性较高，支持二次开发，为无人机监管系统的后期开发提供了保障。

系统在实用性方面，可使用点多线长的水利工程，对于一些大型的堤防工程而言，如果采用传统的人工现场监管方式，则会消耗大量的人力、物力及财力，并且信息采集中效率不高，受环境因素影响较大等。而无人机监管系统的应用，可代替人工进行现场监管，数据处理速度快，提高了监管的效率，工程监管的智能化、数字化程度得到实现。系统中，已经将自动更换电池、起飞及降落等功能实现，飞行中可自动避障与导航，只是在数据处理方面，还需要传回控制中心，通过人工使用数据处理软件进行处理，但系统基本实现自动化，监督管理的效率提升的同时，人力成本也得到控制。

4、结语

随着自动化、检测、通讯及遥感等技术的发展，对无人机监督管理系统进行设计与开发，实现了水利工程监督管理的智能化与自动化监管过程，监管工作效率大幅提升，促使水利工程项目的顺利开展。但该系统在实际应用中还存在一些不足之处，如飞行中对动态障碍物的避让、通过手机控制无人机作业方式的改变及遥感图像处理软件的二次深度开发等方面，还未完全实现，需要在以后的研究中加大研究力度。

参考文献

[1]王冬梅,高士佩,吴杰.基于无人机遥感技术的水利规划实施监督管理与后评价研究[J].水利经济,2016,06(14):17-20+79-80.

[2]刘昌军,郭良,兰驷东,等.无人机技术综述及在水利行业的应用[J].中国防汛抗旱,2016,03(25):34-39.

[3]牛君瑜,孙超江.无人机技术在水利领域应用的探讨[J].海河水利,2012,05(27):55-56+58.