一種用于公共安全的小型機(jī)動(dòng)式系留氣球系統(tǒng)

程士軍　黃偉良

【摘 要】針對(duì)城市公共安全的視頻監(jiān)控，提出了一種小型機(jī)動(dòng)式系留氣球系統(tǒng)方案。給出系統(tǒng)的組成、工作原理及主要性能參數(shù)，并闡述該系統(tǒng)空中視頻監(jiān)控的特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用小型機(jī)動(dòng)式系留氣球搭載攝像機(jī)和4G應(yīng)急通信設(shè)備升空，可進(jìn)行視頻成像、地面移動(dòng)目標(biāo)捕獲和跟蹤，并具備應(yīng)急通信功能，可成為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的重要技術(shù)手段。

【關(guān)鍵詞】系留氣球；公共安全；視頻監(jiān)控；應(yīng)急通信

A Small Mobile Tethered Balloon System for Public Safety

CHENG Shi-jun HUANG Wei-liang

（No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】It is a small mobile tethered balloon system for public safety which could be used for video surveillance in urban public safety.The composition，working principle and performance parameters of the system were given，and the characteristics of the video surveillance from the sky were described.Camera and 4G communication equipment are carried off to the sky to communicating，carrying out video imaging，capturing and tracking the ground moving target.It will be an important technology for the police to deal with emergencies.

【Key words】Tethered balloon；Public safety；Video surveillance；Emergency communication

0 引言

隨著城市化的高速發(fā)展，越來越多的公共安全問題呈現(xiàn)在社會(huì)和政府的面前。影響城市公共安全的因素主要有三大類：社會(huì)公共安全事件、事故災(zāi)難和自然災(zāi)害[1-2]。其中，社會(huì)公共安全事件最常見、危害最廣，其主要包括恐怖襲擊、群體性事件、重大刑事案件等，會(huì)破壞城市的正常生產(chǎn)和生活秩序，可能造成重大人員傷亡、重大財(cái)產(chǎn)損失或重大生態(tài)破壞[3]。

系留氣球系統(tǒng)作為新興的空中平臺(tái)，具有平臺(tái)高度穩(wěn)定、費(fèi)效比低等巨大優(yōu)勢(shì)，已在城市公共安全領(lǐng)域發(fā)揮了越來越突出的作用。2010年上海世博會(huì)期間成功應(yīng)用了車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行安保監(jiān)視和信息收集[4]。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用表明了系留氣球搭載球載攝像機(jī)升空進(jìn)行視頻監(jiān)控，可有效地提高了突發(fā)公共安全事件的預(yù)警能力。但是，該系統(tǒng)的氣球體積較大，不便機(jī)動(dòng)。本文提出了一種可進(jìn)行視頻監(jiān)控、應(yīng)急通信中繼的小型機(jī)動(dòng)式系留氣球系統(tǒng)。該系統(tǒng)將小型機(jī)動(dòng)式系留氣球、球載攝像機(jī)和4G應(yīng)急通信設(shè)備進(jìn)行組合，即可實(shí)現(xiàn)從空中對(duì)地面進(jìn)行視頻監(jiān)控，又能進(jìn)行應(yīng)急通信，從而提高公安部門對(duì)公共安全事件的應(yīng)急處理能力。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）視頻和應(yīng)急通信一體化

球載攝像機(jī)和4G應(yīng)急通信設(shè)備組合升空，既可進(jìn)行視頻成像、移動(dòng)目標(biāo)捕獲和跟蹤，又能進(jìn)行應(yīng)急通信指揮。一旦出現(xiàn)發(fā)情況，公安部門可以迅速利用球上的4G應(yīng)急通信進(jìn)行指揮調(diào)度，處理險(xiǎn)情，進(jìn)而增加警察的應(yīng)急反應(yīng)能力，如圖1所示。

2）可快速機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場(chǎng)監(jiān)控

系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)場(chǎng)地要求較低。能夠根據(jù)需要，通過車載運(yùn)輸模式（如圖2所示）機(jī)動(dòng)至內(nèi)城市內(nèi)相關(guān)區(qū)域，迅速升空實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用小型系留氣球搭載球載攝像機(jī)和4G應(yīng)急通信設(shè)備（如TD-LTE）升空，實(shí)現(xiàn)從空中對(duì)地面進(jìn)行視頻監(jiān)控，并具備應(yīng)急通信功能。

小型機(jī)動(dòng)式系留氣球系統(tǒng)包含小型系留氣球、任務(wù)設(shè)備兩大部分，如圖3所示。

1）小型系留氣球

小型系留氣球由氣球、系留纜繩、錨泊車和綜合保障車組成。

氣球的主要任務(wù)是攜帶任務(wù)設(shè)備升空，并進(jìn)行長時(shí)間中系留，使之實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、遠(yuǎn)距離的監(jiān)控。氣球主要由球體、電源設(shè)備、測(cè)控設(shè)備、壓力調(diào)節(jié)設(shè)備和通信設(shè)備組成。

球體包含囊體、掛架、拉索等部件，如圖4所示。囊體內(nèi)部一般劃分為氦氣囊和空氣囊，氦氣囊充氦氣，使浮力大于氣球及系留纜繩的重力，使氣球升空，空氣囊充空氣進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

電源設(shè)備為球上用電設(shè)備提供電力。測(cè)控設(shè)備用于獲取氣球姿態(tài)和位置、氣囊壓力等信息，對(duì)球上供電、壓力調(diào)節(jié)進(jìn)行控制等。壓力調(diào)節(jié)設(shè)備鼓進(jìn)或排放空氣囊的空氣，對(duì)囊體內(nèi)部的壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而維持球體的氣動(dòng)外形和一定的剛度，以及保護(hù)各氣囊免受破壞。

通信設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸氣球信息和操作指令，傳輸球載攝像機(jī)的監(jiān)控圖像和操作指令。

系留纜繩的功能是實(shí)現(xiàn)氣球的空中系留、電力傳輸和信息傳輸。系留纜繩內(nèi)部包含抗拉纖維、供電電纜和單模光纖等，如圖5所示。

錨泊車用于氣球的升空、空中系留、回收及地面系留，包括平板車、錨泊平臺(tái)兩部分。氣球系留時(shí)，平板車和錨泊平臺(tái)分離；運(yùn)輸時(shí)，錨泊平臺(tái)固定于平板車上，便于機(jī)動(dòng)。錨泊平臺(tái)安裝有收放設(shè)備，用于控制系留纜繩的施放和回收，從而使氣球升空和回收。

綜合保障車提供氦氣保障和供電保障。自帶的氦氣量可滿足一次充氣及充氣后數(shù)月的補(bǔ)充。車上的發(fā)電機(jī)組可提供系統(tǒng)工作所需的用電。

2）任務(wù)設(shè)備

任務(wù)設(shè)備由球載攝像機(jī)、4G應(yīng)急通信設(shè)備和地面顯控車組成。其中球載攝像機(jī)、4G應(yīng)急通信設(shè)備安裝在氣球底部的設(shè)備掛架中。

球載攝像機(jī)包括可見光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)，用于對(duì)地面進(jìn)行視頻成像和對(duì)地面移動(dòng)目標(biāo)的捕獲、跟蹤，如圖6所示。白天采用可見光成像和跟蹤，晚上或濃霧天氣時(shí)則采用紅外成像和跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)全天時(shí)的監(jiān)控。球載攝像機(jī)具有焦距調(diào)節(jié)功能，短焦可觀察監(jiān)控區(qū)域較大范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)圖像，長焦可以遠(yuǎn)距離放大觀察各重點(diǎn)出入口或突發(fā)事件的狀態(tài)，能分辨地面車輛和人員，并捕獲和跟蹤。球載攝像機(jī)自帶穩(wěn)定系統(tǒng)，可對(duì)氣球的俯仰、橫滾及方位變化進(jìn)行補(bǔ)償。

4G應(yīng)急通信設(shè)備用于地面顯控車與現(xiàn)場(chǎng)人員之間的應(yīng)急通信?？刹捎肨D-LTE模式，由一體化基站和天線組成，如圖7所示。該設(shè)備安裝于球上，可有效地避免地面高樓的影響，擴(kuò)大了通信距離。

地面顯控車安裝顯控席位，用于球載攝像機(jī)下傳監(jiān)控圖像的顯示和地面監(jiān)控人員對(duì)球載攝像機(jī)、4G應(yīng)急通信設(shè)備的控制。

2.2 工作原理

系留氣球是不帶動(dòng)力的浮空器[5-6]。氣球在浮力的作用下可以攜帶球載攝像機(jī)和4G應(yīng)急通信設(shè)備升空，并進(jìn)行長時(shí)間系留，使之實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、遠(yuǎn)距離的監(jiān)控和應(yīng)急通信。

在正常情況下，氣球由錨泊車的收放設(shè)備控制系留纜繩的釋放、在浮力的作用下逐漸升空。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定高度，由系留纜繩牽引系留，可長時(shí)間保持在一定的高度[7]。這時(shí)，球載攝像機(jī)和4G應(yīng)急通信設(shè)備開始執(zhí)行任務(wù)。獲取的圖像通過系留纜繩的光纖傳至地面顯控車顯示。當(dāng)任務(wù)完成后，再回收氣球至地面系留，進(jìn)行維護(hù)，等待執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。

當(dāng)氣球空中系留時(shí)，球載攝像機(jī)可從空中監(jiān)視地面動(dòng)態(tài)，如圖8所示。處于空中的球載攝像機(jī)具有大視角、寬覆蓋、觀測(cè)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，可為重點(diǎn)區(qū)域、重要目標(biāo)的安全保衛(wèi)提供及時(shí)的監(jiān)控信息。白天，采用可見光攝像機(jī)成像和跟蹤。晚上或濃霧天氣時(shí)，可轉(zhuǎn)換為紅外攝像機(jī)成像和跟蹤。在短焦大視場(chǎng)下，可對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行大面積的視頻成像，實(shí)現(xiàn)大范圍的巡檢。如需要，可通過變焦轉(zhuǎn)為小視場(chǎng)，對(duì)地面移動(dòng)目標(biāo)（如車或人員）進(jìn)行捕獲、跟蹤。如發(fā)現(xiàn)異常情況，地面的監(jiān)控人員可通過氣球上的4G應(yīng)急通信設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)處理人員進(jìn)行應(yīng)急通信，甚至指揮調(diào)度。

系留氣球升空后，監(jiān)控的視距和監(jiān)控面積大幅度增加，如圖所示，H為球載攝像機(jī)升空高度，R為監(jiān)控半徑，β為攝像機(jī)監(jiān)控范圍夾角。

監(jiān)控視距L和監(jiān)控面積S可以按以下公式計(jì)算：

系留氣球搭載應(yīng)急通訊設(shè)備可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的無線通訊，其通訊距離主要受基站發(fā)射功率和地球曲率影響[8]。如不考慮發(fā)射功率過低對(duì)通訊距離的影響，僅考慮無線電波在大氣中的衰減和地球曲率的影響因素，可推導(dǎo)出理論最大通訊距離。模型如圖9所示，B點(diǎn)位地面架高基站（離地高度h），D點(diǎn)為對(duì)應(yīng)地面上的位置，C點(diǎn)為氣球平臺(tái)升空后中繼站位置（離地高度H），E點(diǎn)為中繼站對(duì)應(yīng)地面的位置，O點(diǎn)為地球圓心，R為理論最大通訊距離，Re為等效曲率半徑。

式中H和h單位為m。

當(dāng)B點(diǎn)為地面通訊終端時(shí)，h=0

2.3 性能參數(shù)

系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

3 結(jié)束語

小型機(jī)動(dòng)式系留氣球系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活，其利用氣球搭載球載攝像機(jī)和4G應(yīng)急通信設(shè)備升空，既可實(shí)現(xiàn)從空中對(duì)地面的視頻監(jiān)控，又能進(jìn)行應(yīng)急通信。既能對(duì)地面進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍的成像，亦可對(duì)地面移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行捕獲和持續(xù)跟蹤。相對(duì)地面視頻監(jiān)控，其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可為公安部門應(yīng)對(duì)恐怖襲擊、群體性事件等突發(fā)情況提供重要的信息保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳群祥.馬鞍山市公共安全形勢(shì)分析與對(duì)策研究[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20（2）：96-101.

[2]封毅.論城市的公共安全與社會(huì)的和諧發(fā)展[J].北京：北京城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，2.

[3]黃偉良，李琦.基于系留氣球的空中視頻監(jiān)控在城市反恐中的應(yīng)用研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，34（1）：50-54.

[4]程士軍.一種用于視頻監(jiān)視的系留氣球系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，32（11）：7991-7994.

[5]單亞玲，劉耀宗.基于低空探測(cè)系留氣球系統(tǒng)總體技術(shù)概述[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，7（3）：51-54.

[6]顏標(biāo)，呂永超，等.系留氣球地面系留裝置運(yùn)動(dòng)分析[J].電子機(jī)械工程，2007，23（3）：1-12.

[7]張志富，肖益軍，等.系留氣球空中系留系統(tǒng)研究[J].西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，29（3）：12-14.

[8]徐綿起，等.不同海拔高度時(shí)雷達(dá)視距分析[J].艦船電子對(duì)抗.船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所.2004，27（2）：18-19.

[責(zé)任編輯：田吉捷]