無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航系統(tǒng)在高速公路管理中的應(yīng)用

吳勤峰

(福建羅寧高速公路有限公司，福建 福州 350600)

截至2020年，我國(guó)高速公路通車?yán)锍桃呀?jīng)超過(guò)12.5萬(wàn)公里，位居世界首位，福建省高速公路里程已超6000公里。隨著高速公路通車?yán)锍痰倪f增，對(duì)管養(yǎng)、維護(hù)、應(yīng)急施救等科學(xué)管養(yǎng)的專業(yè)化、智能化要求越來(lái)越高，采用傳統(tǒng)的人工巡查方式對(duì)路面信息的采集，存在工作效率低、系統(tǒng)集成度低、各專業(yè)協(xié)同性差等困難。近年來(lái)，研發(fā)應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)解決高速公路管理上的難點(diǎn)、痛點(diǎn)問(wèn)題，取得了一定的突破，研發(fā)的高速公路無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航系統(tǒng)于2018年和2019年兩次參加中國(guó)·海峽項(xiàng)目成果交易會(huì)，受到廣泛好評(píng)，獲得福建省總工會(huì)“五小創(chuàng)新”獎(jiǎng)。本文就無(wú)人機(jī)的應(yīng)用背景、系統(tǒng)實(shí)施、解決問(wèn)題、深度應(yīng)用、前景展望等方面進(jìn)行闡述。

1 應(yīng)用背景及自動(dòng)巡航需求

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)在消費(fèi)市場(chǎng)發(fā)展迅猛，相關(guān)技術(shù)在行業(yè)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，以其機(jī)動(dòng)靈活、高效經(jīng)濟(jì)、安全穩(wěn)定、視角廣等優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越多的行業(yè)重視應(yīng)用。特別是電力、交通、農(nóng)業(yè)等已經(jīng)具有一定的規(guī)模。

目前市面上無(wú)人機(jī)普遍采用的是操作者地面遙控飛行的模式，此模式能在一定程度上提高工效，但在高速公路上應(yīng)用存在以下突出的缺點(diǎn)：對(duì)操作者技術(shù)要求高；安全風(fēng)險(xiǎn)大；遇道路轉(zhuǎn)彎或者山體、建筑物阻擋等情況影響遙控傳輸距離；緊急情況下需要操作者先就位才能進(jìn)行拍攝；控制距離短導(dǎo)致指揮中心難以獲取實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息等。這種無(wú)人機(jī)在應(yīng)用本質(zhì)上還是“有人機(jī)”，局限性較大。

為此，在高速公路上我們需要的自動(dòng)巡航系統(tǒng)，是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信、路徑規(guī)劃自動(dòng)巡檢、定點(diǎn)自動(dòng)起降、監(jiān)控后臺(tái)遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)圖傳等功能的系統(tǒng)，為管理者提供精準(zhǔn)、快捷的決策依據(jù)。

2 自動(dòng)巡航系統(tǒng)研發(fā)實(shí)施

從2016年起，探索研發(fā)了無(wú)人機(jī)在高速公路管養(yǎng)應(yīng)用的自動(dòng)巡航系統(tǒng)。

2.1 實(shí)施目標(biāo)

①無(wú)需專業(yè)飛手操控，實(shí)現(xiàn)定時(shí)巡航及應(yīng)急飛行。

②多路徑選擇，包括日常巡航、高邊坡巡查、橋梁巡查、護(hù)欄及隔離柵巡查等路徑。

③自動(dòng)巡航，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下，后臺(tái)遠(yuǎn)程操控，包括懸停、云臺(tái)球基調(diào)整等。

④后臺(tái)錄像回傳，包括實(shí)時(shí)畫面回傳至路段及集團(tuán)中控室。

⑤飛行數(shù)據(jù)后臺(tái)分析比對(duì)，判別異常情況，并發(fā)送信息至相關(guān)業(yè)務(wù)部門，信息內(nèi)容包括位置、圖片、時(shí)間等。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 飛行平臺(tái)

針對(duì)高速公路巡檢的實(shí)際需求，本項(xiàng)目以歌爾泰克研發(fā)的GT1無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為例(圖1)。無(wú)人機(jī)基本參數(shù)：

圖1 GT1六旋翼無(wú)人機(jī)

尺寸：945mm×813mm×508mm

空載凈重：5.6kg

最大航時(shí)：45分鐘

最大飛行高度：122m(可開放至1000m)

最高時(shí)速：60km/h

巡檢高度：60m(通過(guò)變焦可清晰拍攝車牌)

巡檢速度：21km/h

抗干擾：在中國(guó)電科院射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)和工頻磁場(chǎng)抗擾度中試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到A級(jí)水平。

抗風(fēng)等級(jí)：5級(jí)

防護(hù)等級(jí)：IP54(防護(hù)灰塵、防護(hù)噴水)

載重：1kg

攝像云臺(tái)：36倍光學(xué)變焦，1400萬(wàn)像素，三軸增穩(wěn)防抖動(dòng)。

支持凈空通視條件下的5km高清圖傳，飛控、GPS、氣壓計(jì)等關(guān)鍵芯片和部件雙冗余備份。機(jī)臂可折疊，便于攜帶。

圖2 高倍光學(xué)變焦自穩(wěn)云臺(tái)圖

2.2.2 通訊網(wǎng)絡(luò)

高速公路覆蓋的4G網(wǎng)絡(luò)存在傳輸延時(shí)較高、信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定等，不利于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控和影像回傳。為此，我們結(jié)合利用高速公路已有的監(jiān)控桿、電源和高速公路光纖等通訊資源，在公司樓頂及巡航路段等關(guān)鍵區(qū)域布局安裝若干個(gè)無(wú)人機(jī)地面基站，建設(shè)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程通信專用網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)線與有線結(jié)合的方式，通過(guò)光信號(hào)、電信號(hào)、射頻信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程操控。

2.2.3 相鄰基站自動(dòng)切換

當(dāng)無(wú)人機(jī)通過(guò)相鄰基站時(shí)，自主檢測(cè)GPS位置、相鄰基站的通信質(zhì)量、誤碼率、延時(shí)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析并選擇地面基站進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)話，提前建立通信鏈路，確保無(wú)人機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中遠(yuǎn)程控制和影像傳輸?shù)钠交袚Q。

圖3 通信和傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2.4 地面基站主要技術(shù)指標(biāo)

工作頻段：1430MHz～1444MHz；工信部授權(quán)的無(wú)人機(jī)公共網(wǎng)段。

覆蓋范圍：理想視通條件下半徑5km，一般實(shí)際應(yīng)用半徑3km。

最大接入機(jī)組數(shù)量：5臺(tái)。

通信方式：雙向TDD。

用戶凈速率：下行不小于10Mbps,上行不小于250kbps。

圖像：采用H264對(duì)視頻流進(jìn)行壓縮編碼，飛機(jī)內(nèi)的TF卡采用的是MOV格式存儲(chǔ)。無(wú)線鏈路傳輸?shù)膱D像比特率大概是10Mbps，后臺(tái)存儲(chǔ)格式為AVI。

數(shù)傳延時(shí)：不大于30ms。

丟包率：5×10-5/-86dBm。

基站切換時(shí)間：不大于100ms。

2.2.5 精準(zhǔn)起降平臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)高速公路無(wú)人機(jī)應(yīng)用的全自動(dòng)，必須建設(shè)自動(dòng)起降平臺(tái)。該平臺(tái)一般位于控制中心大樓樓頂，為一個(gè)邊長(zhǎng)4m×4m的正方形防腐木臺(tái)，通過(guò)紅外定位及圖像識(shí)別技術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)小于50cm精度范圍內(nèi)的全自動(dòng)起降。

2.2.6 低空數(shù)字化巡航線路

實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的全自動(dòng)巡檢，應(yīng)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃，能夠在飛行過(guò)程中自由進(jìn)行鏡頭縮放及云臺(tái)角度、變焦倍數(shù)的調(diào)整，可隨時(shí)暫停執(zhí)行懸停、微操平移等動(dòng)作，進(jìn)行指定目標(biāo)的抓拍。目前暫時(shí)采用預(yù)設(shè)航點(diǎn)方式，在飛行過(guò)程中按航點(diǎn)順序執(zhí)行航線，并在實(shí)施中進(jìn)一步優(yōu)化，使無(wú)人機(jī)靈活地在區(qū)域范圍內(nèi)任意航點(diǎn)間飛行。

2.2.7 后臺(tái)操作系統(tǒng)建設(shè)

必須編制一套飛控軟件，以對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢情況進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和后臺(tái)調(diào)度，并將飛控系統(tǒng)安裝在監(jiān)控中心大廳，通過(guò)后臺(tái)(監(jiān)控室)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)控制、圖像和視頻的實(shí)時(shí)觀看、圖像和視頻的存儲(chǔ)以及圖像實(shí)時(shí)投屏到監(jiān)控大屏等，實(shí)現(xiàn)日常監(jiān)管及應(yīng)急施救功能。

3 應(yīng)用情況

根據(jù)前期研發(fā)建設(shè)和應(yīng)用情況，無(wú)人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種巡檢功能。

3.1 綜合路面情況巡檢

利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行綜合路面情況的全景巡檢，并且可以通過(guò)攝像頭的懸停放大識(shí)別路面裂縫，車輛牌照等有關(guān)信息。

3.2 高邊坡、橋梁等險(xiǎn)峻地形的建筑結(jié)構(gòu)巡檢

相關(guān)養(yǎng)護(hù)和機(jī)電部門可以利用無(wú)人機(jī)，對(duì)邊坡、高位水池、橋梁、收費(fèi)大棚等固定設(shè)施，以及情報(bào)板等機(jī)電設(shè)施進(jìn)行巡檢和處置。

3.3 執(zhí)法情況巡檢

路政部門可以利用無(wú)人機(jī)對(duì)高速公路路面和道路兩側(cè)紅線內(nèi)的違法情況進(jìn)行巡檢，及時(shí)獲取路產(chǎn)設(shè)施維護(hù)信息。

3.4 廣告牌、路牌標(biāo)志等巡檢

管理部門可以利用無(wú)人機(jī)對(duì)廣告牌、路牌標(biāo)志等進(jìn)行巡檢和處置。

3.5 突發(fā)情況巡檢

在突發(fā)擁堵和交通事故等情況下，可以第一時(shí)間起飛無(wú)人機(jī)至指定區(qū)域，進(jìn)行突發(fā)狀況巡查，及時(shí)把現(xiàn)場(chǎng)情況傳輸至指揮中心。

4 應(yīng)用前景展望

目前，無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航系統(tǒng)的第一階段研發(fā)成果已在福建羅寧高速公路上得到不斷地應(yīng)用和優(yōu)化，并取得了突破性成效。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)提升和北斗導(dǎo)航技術(shù)的推廣，高速公路無(wú)人機(jī)場(chǎng)景和工況的應(yīng)用至少在以下方向具有研發(fā)潛力。

4.1 路徑自動(dòng)規(guī)劃與地形跟蹤功能拓展

研究無(wú)人機(jī)航線數(shù)字化與飛行路徑的自動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電子地圖，開展無(wú)人機(jī)地圖作業(yè)，使無(wú)人機(jī)飛行軌跡能隨著地形起伏保持和地面的固定高度。

4.2 不間斷巡航方式研究

研究自動(dòng)收納的起降方艙，無(wú)人機(jī)起飛和降落前方艙自動(dòng)開啟，無(wú)人機(jī)入艙后方艙自動(dòng)關(guān)閉，并進(jìn)行自動(dòng)充電或自動(dòng)更換電池，實(shí)現(xiàn)不間斷巡航。

4.3 長(zhǎng)航時(shí)、高機(jī)動(dòng)性飛行平臺(tái)搭建

繼續(xù)探索新型的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，如采用了氫能源電池的長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，或兼具長(zhǎng)航時(shí)和機(jī)動(dòng)性的可傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)。

4.4 數(shù)據(jù)庫(kù)建立與信息共享功能

對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中拍攝的視頻、照片等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢索和數(shù)據(jù)分類，建立高速公路管理大數(shù)據(jù)。通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、比對(duì)，為高速公路各子行業(yè)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)共享以及輔助決策。

4.5 模塊化掛載和應(yīng)急救援功能開發(fā)

在事故現(xiàn)場(chǎng)與外界失去聯(lián)系的惡劣環(huán)境下，采用多架無(wú)人機(jī)自主組網(wǎng)，分別掛載照明、圖像、對(duì)講喊話、醫(yī)療救援物資等模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)協(xié)作救援，及時(shí)幫助指揮中心了解現(xiàn)場(chǎng)情況，建立救援對(duì)象與外界溝通的渠道，并為現(xiàn)場(chǎng)提供精準(zhǔn)、快捷應(yīng)急救援物資，形成一個(gè)整體的救援輔助系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，如何更有效地提升高速公路科學(xué)管養(yǎng)效率，智能化提升運(yùn)營(yíng)管理服務(wù)水平，成為近年來(lái)高速公路行業(yè)一直探索的問(wèn)題。利用無(wú)人機(jī)智能巡航系統(tǒng)，能為高速公路道路日常巡查信息采集及分析對(duì)比，以及應(yīng)急施救的開發(fā)應(yīng)用，不斷提升高速公路管理智能化的科技創(chuàng)新能力和水平。