警用多軸旋翼無人機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展方向

唐前進(jìn)，徐 崢

(公安部第三研究所物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心,上海 201204)

?

警用多軸旋翼無人機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展方向

唐前進(jìn)，徐 崢

(公安部第三研究所物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心,上海 201204)

為提高無人機(jī)在公安行業(yè)的實戰(zhàn)應(yīng)用能力，促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)在警用市場的發(fā)展，通過對多軸旋翼無人機(jī)在公安行業(yè)不同任務(wù)類別的需求和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出了警用多軸旋翼無人機(jī)應(yīng)用存在的問題，闡述了警用多軸旋翼無人機(jī)的發(fā)展方向。

警用無人機(jī)；警務(wù)應(yīng)用；任務(wù)載荷；視頻偵查；通信中繼

近年來，隨著技術(shù)外溢、硬件產(chǎn)業(yè)鏈成熟和成本下降，從軍事應(yīng)用發(fā)展起來的無人機(jī)正在農(nóng)業(yè)、電力、石油、檢災(zāi)、林業(yè)、氣象、國土資源、警用、海洋水利、測繪、城市規(guī)劃等多個民用行業(yè)得到應(yīng)用，其市場規(guī)模呈爆炸式增長趨勢[1]。無人機(jī)在警務(wù)活動中的應(yīng)用要追溯到2008年，北京和山東公安系統(tǒng)分別購置了4套無人機(jī)系統(tǒng)，之后河北、遼寧等地陸續(xù)購置了各型的警用無人機(jī)，截至目前全國超過150家公安部門購置了無人機(jī)。警用無人機(jī)是面向公安行業(yè)視頻偵查、反恐維穩(wěn)、交通監(jiān)測、緝毒緝私、消防救援、大型安保、指揮調(diào)度等警務(wù)活動的移動式專業(yè)裝備，能與視頻偵查車、通信指揮車等平臺進(jìn)行配合，形成空地一體化的偵察與指揮調(diào)度系統(tǒng)，加載的專業(yè)裝備能滿足多種特定公安業(yè)務(wù)的實戰(zhàn)需要[2-3]。針對我國警力配備不足、警用裝備技術(shù)含量不高、多警種協(xié)同作戰(zhàn)能力弱等現(xiàn)狀，無人機(jī)的應(yīng)用可以大幅提高警務(wù)效能。

無人機(jī)有無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)、多軸旋翼無人機(jī)等多種類型，在21世紀(jì)初就在公安行業(yè)探索應(yīng)用，并有許多成功的應(yīng)用案例[4-5]。由于多軸旋翼無人機(jī)具有操作方便、可垂直起降、懸停效果好、體積小、價格相對便宜的特點(diǎn)，目前在警用航空已經(jīng)成為不可缺少的機(jī)型；無人直升機(jī)和固定翼無人機(jī)盡管有續(xù)航時間長、抗風(fēng)能力好、載重量大等優(yōu)點(diǎn)，但其成本高、操作復(fù)雜、起飛條件要求相對較高的局限性也較為明顯，目前主要在新疆等地配置該類機(jī)型。筆者僅就多軸旋翼無人機(jī)的警務(wù)應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 多軸旋翼無人機(jī)警務(wù)應(yīng)用

1.1 警用多軸旋翼無人機(jī)系統(tǒng)組成

警用多軸旋翼無人機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示。由圖1可知，警用多軸旋翼無人機(jī)系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺、任務(wù)載荷、地面站和無線傳輸鏈路組成。其中，一種模式是可視距離內(nèi)使用，其無線傳輸鏈路僅在無人機(jī)平臺與地面站之間保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸；另外一種模式是非可視使用，需要將現(xiàn)場信息傳輸?shù)街笓]中心，這種模式需要遠(yuǎn)距離無線傳輸鏈路。任務(wù)載荷的功能決定了警用無人機(jī)能完成的任務(wù)使命，這也是警用無人機(jī)最重要的特點(diǎn)，任務(wù)載荷的多元化、實戰(zhàn)化、模塊化是警用無人機(jī)載荷的理想目標(biāo)。在實際應(yīng)用中，無線傳輸數(shù)據(jù)鏈路也是決定其實戰(zhàn)應(yīng)用的重要因素，尤其是無線寬帶圖像傳輸?shù)男Ч麑o人機(jī)的實戰(zhàn)應(yīng)用具有關(guān)鍵作用，這與當(dāng)前以視頻偵查為主要應(yīng)用模式有關(guān)，即使是一些輔助打擊、物資拋投等行為也要借助于視頻圖像進(jìn)行現(xiàn)場情況判斷。

圖1 警用多軸旋翼無人機(jī)系統(tǒng)組成

1.2 警用多軸旋翼無人機(jī)的技術(shù)要求

1.2.1 基本要求

從目前警用多軸旋翼無人機(jī)的發(fā)展階段來看，其最基本的技術(shù)要求應(yīng)滿足以下4點(diǎn)：①能持續(xù)飛行30 min以上；②具有視頻圖像拍攝功能；③具有近距離視頻傳輸功能；④具有可視距離遙控飛行功能。這些最基本的功能也是目前最普遍和最重要的應(yīng)用，其實質(zhì)是延伸人的視覺空間，從更高角度來觀察地面。天津港“8·12”爆炸事故發(fā)生后，先后共有8架無人機(jī)對爆炸現(xiàn)場進(jìn)行了全方位的高清圖傳，對災(zāi)情和救援實施有效的監(jiān)控，為指揮員提供了有力的決策支持，是一次無人機(jī)成功應(yīng)用的案例。

1.2.2 增強(qiáng)要求

1.3 警用多軸旋翼無人機(jī)的應(yīng)用

1.3.1 基本成熟的應(yīng)用

目前，警用無人機(jī)還處于以航拍為主的初級應(yīng)用階段，應(yīng)用形式和應(yīng)用場景非常簡單。在反恐處突、高速公路交通監(jiān)測、森林防火、應(yīng)急防空、禁種鏟毒、大型活動安保、群體性事件處置等多種作戰(zhàn)任務(wù)中，航拍圖像能從總體上看清現(xiàn)場態(tài)勢的全貌，這對指揮決策具有重要作用。

這種應(yīng)用其實是無人機(jī)的一種通用模式，但為了適應(yīng)警務(wù)的需要，還需要滿足一些特殊的要求。如對違章停車的機(jī)動車進(jìn)行監(jiān)測取證時，需要無人機(jī)的攝像機(jī)配有變焦鏡頭，能看清楚機(jī)動車號牌。抓拍違章停車畫面對比圖如圖2所示，圖2(a)為100 m高空航拍攝的畫面，圖2(b)為20倍光學(xué)變焦后拍攝取證的車牌，能識別出機(jī)動車號牌號碼。

圖2 抓拍違章停車畫面對比圖

1.3.2 正在探索的應(yīng)用

任務(wù)載荷的功能決定了警用無人機(jī)的應(yīng)用場景和效果，但受限于多軸旋翼無人機(jī)的載重能力、續(xù)航時間等因素，除了基本應(yīng)用模式外，正在探索的應(yīng)用主要有以下4類：

(1)搭載非可見光波段的圖像采集任務(wù)載荷。相對于可見光，不可見光波段的圖像帶有可見光不具有的信息，主要有熱成像和高光譜攝像機(jī)任務(wù)載荷。機(jī)載熱成像能在大范圍內(nèi)搜索熱源，故適用于夜間搜捕逃犯、監(jiān)測森林火災(zāi)隱患、消防撲救監(jiān)測等警務(wù)活動。而高光譜成像儀能在連續(xù)光譜段上對同一目標(biāo)同時成像，可直接反映被觀測物體的光譜特征，甚至能識別物體表面物質(zhì)的成分，使目標(biāo)檢測識別能力顯著提高，且使目標(biāo)的探測由定性分析轉(zhuǎn)為定量分析成為可能。如利用機(jī)載高光譜成像儀進(jìn)行毒品種植查緝時，能從相似的植物中分辨出大麻、鴉片等植物，提高了查緝效率。而適合于多軸旋翼無人機(jī)的高光譜攝像機(jī)相對較少，主要以進(jìn)口為主。目前該類任務(wù)載荷的重點(diǎn)是核心采集器件的國產(chǎn)化和低成本化。

(2)搭載基于圖像智能分析的任務(wù)載荷。由于智能視頻分析技術(shù)和計算處理模塊的快速發(fā)展，人工查看圖像的應(yīng)用模式已經(jīng)具備朝智能化方向轉(zhuǎn)變的條件，甚至業(yè)界已提出了無人機(jī)大數(shù)據(jù)的概念[6]?；趫D像智能分析的任務(wù)載荷能實現(xiàn)嫌疑車輛與人員自動跟蹤[7]、現(xiàn)場人流與車流數(shù)量自動統(tǒng)計分析、高速路違章占用應(yīng)急車道的交通執(zhí)法與取證，這些應(yīng)用能大大降低警務(wù)活動強(qiáng)度，提高執(zhí)法效率。

(3)搭載抓放機(jī)構(gòu)任務(wù)載荷。抓放機(jī)構(gòu)根據(jù)地面控制人員的指令，能實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的閉合與張開，并完成特定的警務(wù)任務(wù)?，F(xiàn)在公安機(jī)關(guān)正在探索的應(yīng)用包括：拋投救生衣、拋投催淚瓦斯、發(fā)射催淚彈、抓取可疑物證樣品、擴(kuò)音警告、輔助打擊等。但受限于多軸旋翼無人機(jī)的載重能力，這些應(yīng)用的效果往往有明顯的局限性,其任務(wù)執(zhí)行能力相當(dāng)有限。國外也報道了不少無人機(jī)的警務(wù)應(yīng)用，如目前美國最新一代的警用武裝無人機(jī)，可裝置多種致命性或非致命性武器，致命性武器主要用于消滅危害較大、犯罪事實明確的恐怖分子，而非致命性武器主要用于制止人群騷亂[8]。但利用無人機(jī)搭載致命武器的應(yīng)用模式可能還存在法律問題，即無法確定該種模式下的法律責(zé)任認(rèn)定。

(4)搭載通信中繼任務(wù)載荷。在山區(qū)等特殊地形環(huán)境中，往往需要在高處架設(shè)通信中繼基站，而小型化的通信基站能加載在多軸旋翼無人機(jī)上，這樣能在最短時間建立一個制高點(diǎn)，以確保通信暢通。鑒于一般多軸旋翼無人機(jī)續(xù)航時間較短，國內(nèi)已有采用系留旋翼無人機(jī)進(jìn)行通信中繼，能確保24 h不中斷，系留多軸旋翼無人機(jī)系統(tǒng)如圖3所示。圖3(a)為系留多軸無人機(jī)，其通過一個光電復(fù)合電纜與地面的不同載體相連，如圖3(b)所示。

圖3 系留多軸旋翼無人機(jī)系統(tǒng)

除了上述4類，還有一些任務(wù)載荷也正在探索應(yīng)用，如頻率干擾儀、搜爆器、手機(jī)信號偵測等任務(wù)載荷。

2 應(yīng)用中存在的問題

2.1 技術(shù)方面

制約多軸旋翼無人機(jī)警務(wù)應(yīng)用的技術(shù)因素主要有以下5個方面：①續(xù)航能力不強(qiáng)。在一些警務(wù)活動中，往往需要長時間的飛行偵察，這就要求無人機(jī)能長時間飛行；②抗風(fēng)能力不強(qiáng)。由于抗風(fēng)能力差導(dǎo)致墜機(jī)的事故在警務(wù)活動中經(jīng)常發(fā)生，其限制了無人機(jī)的應(yīng)用場景；③復(fù)雜環(huán)境的避障能力不足。由于公安缺乏專門的無人機(jī)飛行訓(xùn)練保障，在城市環(huán)境下的無人機(jī)操控就面臨了極大的次生傷害風(fēng)險；④輕量化、模塊化任務(wù)載荷不多。針對不同場景，能應(yīng)用的模塊化、輕量化的任務(wù)載荷在種類、功能、性能方面都還沒有達(dá)到業(yè)務(wù)需求；⑤技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏。目前，公安行業(yè)的無人機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)《警用無人機(jī)通用技術(shù)要求》、《警用多軸旋翼無人機(jī)系統(tǒng)》正在制定過程中，尚缺乏明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 非技術(shù)方面

制約多軸旋翼無人機(jī)警務(wù)應(yīng)用的非技術(shù)因素主要有以下幾個方面：①缺乏明確的管理制度。多軸旋翼無人機(jī)屬于低慢小目標(biāo)，其飛行本身可能會帶來安全隱患，目前管理這些飛行器的相關(guān)制度尚不完善；②人才隊伍缺乏。目前既缺乏專門的警用無人機(jī)操作維護(hù)人員，又缺乏對無人機(jī)警務(wù)應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)研究的人才隊伍；③缺乏公開透明的科學(xué)評估方法。由于目前市場上宣稱可以用于警務(wù)活動的多軸旋翼無人機(jī)多達(dá)上百家供應(yīng)商，產(chǎn)品型號更達(dá)數(shù)百個，價格也從幾千到上百萬，但缺乏公開公正的評估方法， 這給采購方帶來極大的困惑。

3 發(fā)展方向

3.1 增強(qiáng)無人機(jī)的安全性

增強(qiáng)無人機(jī)的安全性可以避免無人機(jī)墜毀造成的財產(chǎn)損失和地面人員受傷。在某地組織的無人機(jī)現(xiàn)場測試中，12架不同型號的多軸旋翼無人機(jī)竟然有一半墜機(jī)，還有一架無人機(jī)發(fā)生墜機(jī)燃燒，這充分說明了無人機(jī)的安全性急需加強(qiáng)。故應(yīng)從技術(shù)上保障無人機(jī)在非正常狀態(tài)下的自動終止技術(shù)、自動返還技術(shù)，增強(qiáng)無人機(jī)的自動避障能力，使得無人機(jī)能在非專業(yè)人員使用時不出現(xiàn)安全事故[9]。因此，要增強(qiáng)無人機(jī)在強(qiáng)電場、磁場環(huán)境下的可靠性測試。同時，公安是特殊部門，執(zhí)行的任務(wù)很多具有隱蔽性，保密性要求高，任務(wù)內(nèi)容不能隨意泄露。在利用無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時，數(shù)據(jù)、通信傳輸必須數(shù)據(jù)鏈化，才能保證內(nèi)容的安全。

3.2 增強(qiáng)人機(jī)交互的便捷性

公安工作的一個突出特點(diǎn)是突發(fā)性、應(yīng)急性，這要求警用裝備必須能快速部署，盡快用得上。目前不少警用無人機(jī)的作戰(zhàn)單元和無人機(jī)配件實現(xiàn)了模塊化，具備可插拔功能，可在幾分鐘內(nèi)快速安裝和拆解。傻瓜式的操作和快速的展開方式是無人機(jī)的發(fā)展方向。多軸旋翼無人機(jī)快速展開結(jié)構(gòu)如圖4所示，其旋翼軸只需要通過簡單兩個動作就能收放，特別適合室外臨時作業(yè)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需按動軸上的一個按鈕即可。

圖4 多軸旋翼無人機(jī)快速展開結(jié)構(gòu)

3.3 提升無人機(jī)續(xù)航時間

提升無人機(jī)的續(xù)航時間是一個永恒的話題，續(xù)航時間與續(xù)航距離太短是制約多軸旋翼無人機(jī)應(yīng)用的世界性難題。以增加鋰電池容量的方式提升續(xù)航時間，往往導(dǎo)致自身重量的增加而縮短時間，目前只能平衡電池容量與續(xù)航時間。因此，開展新型能源供應(yīng)方式才是發(fā)展方向，目前已開始研究氫燃料電池、太陽能電池等新型能源供應(yīng)方式。

3.4 開發(fā)更多實用化任務(wù)載荷

研究分析無人機(jī)任務(wù)載荷，首先應(yīng)對無人機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)使命進(jìn)行分析，結(jié)合某項具體的警務(wù)活動，研制符合實戰(zhàn)化需求的任務(wù)載荷，做到任務(wù)載荷的智能化、集成化、信息化和互換性。

3.5 增強(qiáng)無人機(jī)應(yīng)用智能化水平

無人機(jī)的智能化應(yīng)用要根據(jù)警務(wù)活動需要，提升任務(wù)載荷數(shù)據(jù)的價值，從目前技術(shù)的可實現(xiàn)性和應(yīng)用需求角度來看，其重點(diǎn)是基于無人機(jī)圖像的深度應(yīng)用，主要包括圖像的跟蹤定位、現(xiàn)場測量、三維重構(gòu)、現(xiàn)場信息圖像自動識別等[10]。

4 結(jié)論

警用無人機(jī)不單純是一個無人機(jī)硬件，更是一個整體系統(tǒng)，是整個公安業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分。警用無人機(jī)的應(yīng)用，從表面上看是無人機(jī)平臺、任務(wù)載荷在起作用，但實際上涵蓋了出警方案制定、無人機(jī)和任務(wù)載荷控制、警察辦案思路具化、警力指揮與調(diào)度、應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備與執(zhí)行等，這些相關(guān)系統(tǒng)的銜接和配合，形成了一個完善的、前聯(lián)后通的通信指揮控制系統(tǒng)，因此，研究無人機(jī)警務(wù)應(yīng)用必須與公安業(yè)務(wù)系統(tǒng)高度融合。無人機(jī)在技術(shù)越來越成熟的今天，如何更深入應(yīng)用到警務(wù)工作的各個領(lǐng)域，除了無人機(jī)設(shè)備本身，更關(guān)鍵的在于結(jié)合各警種本身業(yè)務(wù)，深度研究、定制無人機(jī)警務(wù)實戰(zhàn)應(yīng)用解決方案，開發(fā)配套軟件、應(yīng)用系統(tǒng)，而不是光顧著好看，擺“花架子”，只有踏踏實實研究技術(shù)，才能將警用無人機(jī)的作用發(fā)揮得更好。

[1] 吳沁怡.我國無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].科技展望,2016,25(12):12-17.

[2] 鐘少波，陳濤.突發(fā)事件危險源管理芻議[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版),2016,38(1):8-11.

[3] 任才清，吳超.城市重要目標(biāo)區(qū)域反恐小組的構(gòu)建研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版),2016,38(2):150-153.

[4] 黃濤.小型無人機(jī)在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望[C]∥2016年第二屆今日財富論壇論文集.北京:[s.n.]，2016：122-125.

[5] 吳強(qiáng).警用無人機(jī)引發(fā)的現(xiàn)實思考[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報(自然學(xué)科版),2015(2):29-32.

[6] 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院.警用無人機(jī)大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及犯罪空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法：CN201510445420.5[P].2015-11-25.

[7] 劉丹，田銀枝，王紅闖，等.警用無人機(jī)空中實時圖像偵察系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].地理空間信息,2015,13(1):17-20.

[8] 阿碧.警用微型無人機(jī)[J].檢察風(fēng)云,2015(9):43-45.

[9] 吳旻.六旋翼無人機(jī)故障安全系統(tǒng)的相關(guān)研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2015.

[10] 劉鵬,彭艷鵬,鄒秀瓊,等.我國無人機(jī)航攝系統(tǒng)現(xiàn)狀和前景[J].地理空間信息,2010,8(4):4-6.

TANG Qianjin:Associate Researcher; Internet of Things Technology Research and Development Center,Third Research Institute of Ministry of Public Security, Shanghai 201024, China.

Application and Development Direction of Police Multi-axis Rotor UAV

TANGQianjin,XUZheng

To improve the actual application ability of UAVs for public security, and promote the development of the UAV industry in the police market, the paper analyses the demand and application status of multi axis rotor UAV (unmanned aerial vehicle) for different job categories of public security. It pointed out that the multi rotor UAV exists the problems in application and the development direction of police multi axis rotor UAV..

police unmanned aerial vehicle; police application; task load; video detection; communications relay

2095-3852(2017)02-0239-04

A

2016-10-12.

唐前進(jìn)(1976-),男,重慶人,公安部第三研究所物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心副研究員，主要研究方向為公共安全.

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項基金項目(2016C16346)；公安部重點(diǎn)研究基金項目(2016JSYJC18).

V279.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.025