無人機(jī)技術(shù)在沂沭泗水利工作中的應(yīng)用與前景

闞向楠 張大鵬 溫佳文

（沂沭泗水利管理局水文局（信息中心） 徐州 221000）

近年來，無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速。由于其機(jī)動(dòng)性和靈活性強(qiáng)，無人機(jī)技術(shù)已在各行各業(yè)取得了較為突出的應(yīng)用，尤其在交通管理、農(nóng)林植保、電力巡線、安防應(yīng)急、航拍航測(cè)等領(lǐng)域。在水利領(lǐng)域采用無人機(jī)技術(shù)，可以及時(shí)獲取常規(guī)監(jiān)視手段無法獲取的災(zāi)情信息，從不同角度了解災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展情況并及時(shí)制定相對(duì)的對(duì)策，為水利現(xiàn)代化發(fā)展提供更加完善的技術(shù)支持。本文主要以多旋翼無人機(jī)作為飛行平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 多旋翼無人機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

多旋翼無人機(jī)作為應(yīng)用最為廣泛的無人機(jī)，相對(duì)于其他種類的無人機(jī)，應(yīng)用于水利行業(yè)具有以下主要優(yōu)勢(shì)：

（1）機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。目前先進(jìn)的多旋翼無人機(jī)可以達(dá)到140km/h 的速度，百公里加速僅需2s，可以在7s 之內(nèi)上升到100m 高空，進(jìn)行空中作業(yè)不受地形限制，同時(shí)對(duì)起降條件的要求較低，只需要一個(gè)相對(duì)較小的平面例如石墩、車頂就可以作為起降平臺(tái)。根據(jù)操作員所處空間環(huán)境和磁場(chǎng)條件不同，可覆蓋半徑3~10km 高度達(dá)500m 的監(jiān)測(cè)區(qū)域，并且在車船等移動(dòng)平臺(tái)上，操作員作為中心還可以將此覆蓋面積無限延伸。

（2）安全性高。多旋翼無人機(jī)可以在陰天、低霧等環(huán)境下升空作業(yè)，采集大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其在水旱災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，操作人員可以選擇較為安全的區(qū)域?qū)o人機(jī)進(jìn)行操控，最大限度保障了人身安全，即使無人機(jī)故障，也可最大限度地避免人員傷亡，降低損失，具有較高的安全性。

（3）采集數(shù)據(jù)多樣化。多旋翼無人機(jī)主要通過攜帶高清影像采集設(shè)備采集地面圖像，并且可以實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)情況，有利于防汛抗旱減災(zāi)的及時(shí)決策。通過搭載一體式多光譜成像系統(tǒng)、熱成像傳感器、環(huán)掃毫米波雷達(dá)、RTK（Real—time kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）模塊、探照燈、喊話器等不同功能模塊及設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化數(shù)據(jù)采集傳輸，能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜困難局面。

2 無人機(jī)技術(shù)在沂沭泗局的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 在水旱災(zāi)害防御中的應(yīng)用

近年來，沂沭泗流域暴雨洪水頻發(fā)，2018年防御臺(tái)風(fēng)“溫比亞”，2019年防御臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，2020年防御“8·14”大洪水，在汛情嚴(yán)重時(shí)，可使用無人機(jī)攜帶可見光感相機(jī)對(duì)洪澇災(zāi)區(qū)的環(huán)境進(jìn)行勘探檢測(cè)，尤其在2020年防御“8·14”大洪水過程中，水位暴漲導(dǎo)致多條公路被淹，車輛難以通行，此時(shí)無人機(jī)充當(dāng)了防汛指揮系統(tǒng)的“千里眼”，將前方洪災(zāi)實(shí)時(shí)情況傳輸?shù)揭抒疸艟址姥粗笓]調(diào)度中心，為防汛決策指揮提供有力支撐。

2.2 在水利工程管理中的應(yīng)用

保障防洪工程安全運(yùn)行是防汛工作的重要工作內(nèi)容之一。利用無人機(jī)掛載光感相機(jī)、熱成像相機(jī)等設(shè)備，可有效代替人工巡查防洪工程，既能從高空大范圍視野角度進(jìn)行全面巡查，又能留下大量影像資料，同時(shí)利用歷史影像資料科學(xué)對(duì)比，能有效監(jiān)測(cè)險(xiǎn)情發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程，不僅可以減少人力成本、提高巡堤效率，又能降低巡查人員的危險(xiǎn)性。

2.3 在水行政執(zhí)法中的應(yīng)用

無人機(jī)系統(tǒng)不僅可以收集信息和進(jìn)行監(jiān)管，還可以持續(xù)跟蹤事件的發(fā)展情況，輔助指揮決策部門進(jìn)行不間斷的信息搜集。無人機(jī)部署迅速，無視地形影響，可以在第一時(shí)間到達(dá)事件發(fā)生地，迅速展開信息采集，便于追蹤突發(fā)事件和掌握事件的態(tài)勢(shì)。在夜間水行政執(zhí)法過程中，無人機(jī)通過搭載熱成像傳感器，能夠在夜間沒有任何照明設(shè)施輔助的情況下，及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法采砂犯罪活動(dòng)并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，為水行政執(zhí)法全過程記錄提供有力技術(shù)支撐。

2.4 在河（湖）長(zhǎng)信息化管理中的應(yīng)用

在常態(tài)化河（湖）巡查任務(wù)中，無人機(jī)具有高清圖像實(shí)時(shí)傳輸、深入危險(xiǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)⒑雍咔逵跋襁m時(shí)導(dǎo)入管理信息平臺(tái)，對(duì)河湖岸線情況、亂占、亂采、亂堆、亂建、非法排污等實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和記錄，有效提升巡河湖效率，助力河道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程建設(shè)情況、岸線管護(hù)成效數(shù)字化管理，為智慧河湖筑牢基礎(chǔ)。

2.5 在水利安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

在常規(guī)檢查工作中，多旋翼無人機(jī)可以通過高危險(xiǎn)區(qū)，監(jiān)測(cè)年久的堤壩、堤防、水庫(kù)和堤防險(xiǎn)段，無需專業(yè)攀登人員即可對(duì)防汛鐵塔掛載設(shè)備和銹蝕情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，使管理人員能夠及時(shí)了解水利設(shè)施的運(yùn)行情況，極大方便了施工，簡(jiǎn)化了水利設(shè)施的檢查維護(hù)工作。

3 無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

3.1 續(xù)航時(shí)間不足

現(xiàn)有旋翼無人機(jī)在儲(chǔ)電技術(shù)沒有根本性變革的前提下，電池儲(chǔ)能密度提升空間不大，增加電池?cái)?shù)量或單個(gè)重量的同時(shí)，也會(huì)增加機(jī)身重量，從而導(dǎo)致功耗的提升。目前各行各業(yè)所采用的無人機(jī)續(xù)航時(shí)間基本在20~30min，對(duì)于河湖岸線較長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)區(qū)域較廣的工作需要反復(fù)起降更換電池，增加往返次數(shù)，浪費(fèi)了有效飛行時(shí)間。

3.2 在惡劣環(huán)境條件下的操控距離有待加強(qiáng)

目前用于無人機(jī)遙控器主流的無線電頻率是2.4G，無線電波在傳輸過程中可能受到干擾或是數(shù)據(jù)丟失等問題，因此在高壓線附近、目視線遮蔽、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境等情況下，無人機(jī)的有效飛行距離會(huì)受到較大限制。

3.3 搭載重量不能滿足行業(yè)需求

現(xiàn)有高性能無人機(jī)搭載重量在40~60kg 之間，能夠搭載大量外部設(shè)備，在農(nóng)藥噴灑、快遞配送等高負(fù)重情況下能夠較好完成分型任務(wù)。但水旱災(zāi)害防御有其特殊性，例如在洪水行進(jìn)過程中，現(xiàn)階段無人機(jī)的性能還不足以搭載走航式ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）進(jìn)行測(cè)流。

3.4 現(xiàn)有操作人員不足

目前沂沭泗局下屬基層局直屬局部分配備了無人機(jī)設(shè)備，但是缺乏專業(yè)的操作人員，現(xiàn)有大部分操作人員未取得相應(yīng)資格證明。未經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的操作人員在無人機(jī)設(shè)備操控的過程中容易造成碰撞、落水、墜機(jī)甚至人身傷害等事故的發(fā)生，存在安全隱患。

4 無人機(jī)在沂沭泗流域的應(yīng)用展望

4.1 無人化空中自動(dòng)巡檢系統(tǒng)

無人化空中自動(dòng)巡檢系統(tǒng)是由無人機(jī)平臺(tái)、機(jī)庫(kù)平臺(tái)、外部智能氣象站、云端平臺(tái)構(gòu)成的智能立體化巡檢平臺(tái)。具備自主起飛，智能巡檢，自動(dòng)、手動(dòng)飛行模式無縫切換，精準(zhǔn)回巢，遠(yuǎn)程控制，快速充電復(fù)飛，視頻實(shí)時(shí)回傳，系統(tǒng)智能分析等諸多功能，真正做到了無人值守、自主充電、遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人數(shù)據(jù)處理、全自主飛行作業(yè)。將無人機(jī)機(jī)巢部署在移動(dòng)平臺(tái)和重點(diǎn)監(jiān)控地段即可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定期巡航監(jiān)視，操作人員也在指揮中心遠(yuǎn)程操控復(fù)數(shù)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集和編隊(duì)作業(yè)，進(jìn)一步提高應(yīng)急響應(yīng)速度，助力沂沭泗智慧水利發(fā)展。

4.2 無人機(jī)智能集群控制技術(shù)

無人機(jī)智能集群指的是在大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)據(jù)鏈整合以及云計(jì)算的基礎(chǔ)上，同時(shí)發(fā)射數(shù)十架乃至數(shù)百架無人機(jī)進(jìn)行集群化指揮，并在智能分工的情況下，無人機(jī)自行進(jìn)行精準(zhǔn)編隊(duì)、精確分工，同時(shí)執(zhí)行多種任務(wù)的集群化智能作業(yè)方式。通過集群化無人機(jī)編隊(duì)可以進(jìn)一步克服無人機(jī)搭載重量、視角覆蓋范圍、通訊保障等問題，形成流域水系智能化監(jiān)控。

5 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)以其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安全性高、數(shù)據(jù)采集多樣化、實(shí)時(shí)高清圖像傳輸?shù)泉?dú)特優(yōu)勢(shì)，在水利工作中，彌補(bǔ)了遙感系統(tǒng)與地面感知平臺(tái)之間的盲區(qū)，有助于創(chuàng)新防汛抗旱減災(zāi)的工作方式，提高工作效率。隨著無人機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星遙感、5G 通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，無人機(jī)在水旱災(zāi)害防御、水文水資源監(jiān)測(cè)、水土保持、河湖監(jiān)管、水利工程運(yùn)行管理等水利行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，在水利現(xiàn)代化、信息化、智能化工作中將會(huì)承擔(dān)越來越重要的角色