基于北斗和無人機的道路清掃車調(diào)度系統(tǒng)

李慧珍 張渤琳 肖旖旎

摘 要：城市道路的清潔程度與市民的生活質(zhì)量密切相關(guān)，傳統(tǒng)清掃車按固定路線進行清掃，未顧及不同路面垃圾與揚塵濃度的差異，清掃的工作效率較為低下。本文提出了基于北斗和無人機的道路清掃車調(diào)度系統(tǒng)，可依據(jù)實際路面情況調(diào)度清掃車。首先，基于北斗衛(wèi)星定位無人機上搭載的航拍相機和PM濃度傳感器，對道路垃圾進行航拍及揚塵監(jiān)測;其次，基于紋理特征融合與支持向量機方法完成道路垃圾圖像進行識別;最后，基于蟻群算法進行清掃車的線路調(diào)度。該系統(tǒng)提高了城市道路清掃的效率，對城市環(huán)境保護提供高效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng);無人機;清掃車調(diào)度;蟻群算法

1.引言

近年來我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高使得城市道路也快速發(fā)展，道路清掃車的出現(xiàn)雖然完成了人工化向機械化的飛躍，但是受垃圾種類繁多、道路狀況復雜等多種因素的影響，清掃車的覆蓋度不夠高[1]。為此，本文設(shè)計了一個基于北斗和無人機的道路清掃車調(diào)度系統(tǒng)，通過無人機監(jiān)測地面道路情況，實現(xiàn)清掃車的智能調(diào)度。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國獨立自主建設(shè)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具有精準導航、快速定位、報告位置等功能，可以提供高精度的定位和導航服務(wù)。無人機可以搭載其他零件擴展功能，完成人類平時不易完成的空中作業(yè)，并且使用成本低、工作靈活，在小區(qū)域低空作業(yè)時具有很大優(yōu)勢[4]。

2. 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要分為北斗定位通信系統(tǒng)，無人機探測系統(tǒng)和清掃車調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無人機對路面垃圾和路面顆粒物情況進行探測，清掃車調(diào)度系統(tǒng)對無人機收集的數(shù)據(jù)進行處理分析，篩選出待清掃路段，并基于蟻群算法為清掃車規(guī)劃行進路徑。

2.1北斗定位通信系統(tǒng)

目前北斗三號基本系統(tǒng)已經(jīng)完成建設(shè)，具備全球?qū)Ш?、定位和授時能力，可以達到10m的定位精度，0.2m/s的測速精度，20ns的授時精度，并預(yù)計通過建立地基增強站達到厘米級定位。本系統(tǒng)的北斗定位模塊采用BDS/GPS聯(lián)合定位[3]，定位精度為2.5m（CEP50）。通過北斗定位通訊系統(tǒng)，用戶在PC端即可獲取無人機和清掃車的精準位置。

2.2無人機探測系統(tǒng)

無人機探測系統(tǒng)是通過無人機配備的硬件來獲取城市道路路面垃圾情況與揚塵情況的系統(tǒng)。探測系統(tǒng)使用多旋翼無人機，無人機搭載PM濃度傳感器以及北斗定位傳感器。工作時，無人機按規(guī)定的路徑對城市的道路進行巡邏，通過北斗衛(wèi)星來定位無人機的實時地理位置，同時傳感器能夠?qū)崟r采集該時空下的PM2.5和PM10的濃度并將數(shù)據(jù)通過3G/4G ISP上傳到服務(wù)器，傳輸給車輛調(diào)度系統(tǒng)。另一邊無人機搭載的相機同時進行航拍，將航拍照片上傳給車輛調(diào)度系統(tǒng)。

2.3清掃車調(diào)度系統(tǒng)

車輛調(diào)度系統(tǒng)是整個系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一環(huán)，負責收集處理數(shù)據(jù)，發(fā)布待清掃信息，進行路徑規(guī)劃。車輛調(diào)度系統(tǒng)收集路面航拍照片和道路揚塵數(shù)據(jù)，通過路面垃圾識別算法找出待清掃道路，通過PM2.5和PM10數(shù)據(jù)找出路面揚塵超標的道路，綜合兩項指標判斷出需要進行清掃的街道，系統(tǒng)管理層利用ArcGIS Sever地圖空間分析與處理功能，為清掃車制定個性化路線，完成道路清潔。

依據(jù)北斗模塊能在短時間內(nèi)反饋車輛位置，實時更新清掃車的位置，根據(jù)清掃車的行進速度，計算出待清掃道路清掃完成所需的時間。每三分鐘更新一次地圖，便于管理者根據(jù)清掃車作業(yè)情況對清潔進行調(diào)度。當清掃車完成清潔時，發(fā)送信息給調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)對不同時間不同季節(jié)的清潔時間進行記錄，作為車輛調(diào)度的參考數(shù)據(jù)之一。

3. 系統(tǒng)設(shè)計與實施

3.1路面垃圾識別

本系統(tǒng)采用紋理特征融合和支持向量機（support vector machine，SVM）相結(jié)合的方法對道路垃圾圖像進行識別。首先對局部二值模式（localbinary patter，LBP）進行改進得到A-LBP算法，然后A-LBP與Uniform LBP算法進行融合形成最終的AD-LBP算法。利用AD-LBP和梯度直方圖算法提取圖像紋理特征，并結(jié)合SVM對道路垃圾圖像進行分類識別。其中A-LBP是對LBP的參數(shù)進行改正而得到的，包括取得受路面影響較小的閾值和加權(quán)系數(shù)的選取。U-LBP則是對LBP進行降維得到的。

3.2路面揚塵檢測

無人機揚塵檢測由控制中心、北斗定位傳感器、PM（PM2.5和PM10）濃度傳感器、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)等部分組成。使得PM濃度傳感器和北斗定位模塊在控制中心的調(diào)配下同時工作，得到與位置相關(guān)聯(lián)的PM2.5和PM10濃度數(shù)據(jù)。

通過PM濃度傳感器觀測大氣顆粒物散射得到側(cè)向散射回波信號圖，將其灰度值矩陣提取出，用相應(yīng)灰度等級光總能量與PM2.5或PM10濃度進行擬合，得到高擬合度的線性關(guān)系式，進而求出揚塵的濃度[2]。數(shù)據(jù)記錄模塊中，數(shù)據(jù)以文件形式存儲于模塊上的SD卡中，通過3G/4G ISP傳輸?shù)椒?wù)器。以現(xiàn)行的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB 3095-2012）的二級濃度限值為依據(jù)，超出限值（PM10≤150μg/m3 ， PM2.5≤75μg/m3）則視為需要清掃。

3.3清掃路徑規(guī)劃

清掃車路徑規(guī)劃首先將需要進行清掃的街道標記在路網(wǎng)中，清掃車需要從起點出發(fā)，遍歷所有待清掃道路并返回起點，本系統(tǒng)采用改進的蟻群算法進行清掃車的路徑規(guī)劃。使用ArcGIS API for JavaScript對清掃車進行路徑規(guī)劃，通過調(diào)用該接口，可以建立交互式地圖應(yīng)用。

3.4系統(tǒng)特點

應(yīng)用基于紋理特征融合與支持向量機方法對道路垃圾圖像進行識別，可以準確判斷道路是否需要清潔，精準判斷需要清掃路段范圍，保證城市道路清潔。

無人機道路揚塵檢測可獲取某一路段連續(xù)的顆粒物數(shù)據(jù)，比測站檢測的數(shù)據(jù)更完整，能更準確地描述某一路段的揚塵情況。

應(yīng)用北斗定位導航系統(tǒng)對清掃車統(tǒng)一管理，及時反饋所需清掃的路段，并依據(jù)蟻群算法確定最佳路徑，避免了傳統(tǒng)清掃方式所造成的資源浪費以及清掃不及時的問題的出現(xiàn)，提高了工作效率和資源利用率，使城市道路的清潔更準確、及時、有效。

4.結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于北斗和無人機的道路清掃車調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星獲取位置信息，對無人機航線進行規(guī)劃。無人機通過航攝像機和PM濃度傳感器獲取地面道路信息，計算機對獲取的地面道路信息進行分析處理后判斷出需要清掃的路面，清掃車調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)蟻群算法對清掃車進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，清掃車沿指定路線完成道路清掃任務(wù)。該系統(tǒng)對城市道路清掃效率的提高以及緩解清掃車不足的問題提供了幫助，具有重要的實用價值。

參考文獻：

[1]高曉紅.工業(yè)儀表與自動化裝置[J].2019，（05）：110-113

[2]胡淼，李齊良，吳端法等.基于CCD側(cè)向散射激光雷達的PM2.5濃度測量研究[J].光學學報. 2016，36（11）：1-6

[3]劉海穎.衛(wèi)星導航原理與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：23-132

[4]趙鵬，沈庭芝，單寶堂.微小型無人機遙感圖像應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2009，34（7）：158-161

作者簡介：

李慧珍（1998.08—），女，漢族，河南省商丘人，鄭州市高新區(qū)鄭州大學，地理信息科學專業(yè)本科生，研究方向：地理信息科學專業(yè)

張渤琳（1999.01—），女，漢族， 河北省唐山人，鄭州市高新區(qū)鄭州大學，地理信息科學專業(yè)本科生，研究方向：地理信息科學專業(yè)

肖旖旎（2000.04—），女，漢族，湖南省株洲人，鄭州市高新區(qū)鄭州大學，地理信息科學專業(yè)本科生，研究方向：地理信息科學專業(yè)

（鄭州大學 地球科學與技術(shù)學院 ?河南鄭州 ?450001）