基于5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的智慧巡防應(yīng)用研究*

于海洋，董石磊，張學(xué)智

(中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

當(dāng)下的社會(huì)環(huán)境，龐大的人流、物流、資金流等高速流動(dòng)，新冠疫情防控持續(xù)不能松懈，社會(huì)治安要素的動(dòng)態(tài)管控難度加大，僅靠傳統(tǒng)警務(wù)模式、方法和手段管理已不能滿足需求[1]。公安機(jī)關(guān)迫切需要利用AI識(shí)別、視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)追蹤等各類新興信息化手段和技術(shù)開展動(dòng)態(tài)、立體、智慧巡防[2]。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，在多行業(yè)、多領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。在警務(wù)巡防領(lǐng)域，5G使能網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)技術(shù)，以最小的延遲傳輸大量的數(shù)據(jù)[3]。本文介紹了基于5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)智慧巡防解決方案，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)場(chǎng)情報(bào)的獲取和傳輸更清晰、流暢，使指揮中心和現(xiàn)場(chǎng)作戰(zhàn)協(xié)同更加實(shí)時(shí)精準(zhǔn)?；跓o(wú)人機(jī)高分辨率影像的人臉識(shí)別，加速疑犯的識(shí)別效率，提升識(shí)別精度。在疫情防控方面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員聚集、未佩戴口罩等風(fēng)險(xiǎn)因素。

1 無(wú)人機(jī)巡防技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

1.1 無(wú)人機(jī)巡防技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)，全稱為無(wú)人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是通過(guò)無(wú)線遙控或內(nèi)設(shè)的智能控件進(jìn)行操控，利用機(jī)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)及配件與遠(yuǎn)程信息平臺(tái)構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交互的不載人飛行器[4]。在偵查巡防工作中，無(wú)人機(jī)的微型化形態(tài)、全景式監(jiān)視以及高空動(dòng)態(tài)長(zhǎng)航時(shí)使之成為各地公安機(jī)關(guān)關(guān)注的重點(diǎn)，可以協(xié)助完成處置突發(fā)群體事件、打擊違法犯罪、交通管理巡控、安保維穩(wěn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)救援、地理信息采集等任務(wù)[5]。公安部部長(zhǎng)郭聲琨提出：“加快警航事業(yè)發(fā)展，以適應(yīng)新型安全需要，生成新的戰(zhàn)斗力?！毖卜缿?yīng)用實(shí)踐中已有眾多警用無(wú)人機(jī)協(xié)助警務(wù)機(jī)關(guān)偵破案件，無(wú)人機(jī)偵查儼然成為巡防工作發(fā)展趨向之一[6]。

1.2 無(wú)人機(jī)巡防面臨問題及需求

當(dāng)前大多數(shù)無(wú)人機(jī)主要采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遙控操控和自主導(dǎo)航飛行，自主導(dǎo)航飛行是按照事先規(guī)劃的路徑自主飛行，飛行過(guò)程中不能隨時(shí)靈活地調(diào)整飛行軌跡和角度；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遙控操控方式采用類似Wi-Fi或藍(lán)牙通信，其控制距離只有幾百米到幾公里，大大限制了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用空間。同時(shí)，無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸最大可支持1080P視頻傳輸，傳輸距離有限且易受障礙物影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)載荷數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距高質(zhì)量的實(shí)時(shí)回傳。上述弊端一定程度上制約了無(wú)人機(jī)在治安巡防中的應(yīng)用效率和質(zhì)量[7]。

因此，無(wú)人機(jī)與移動(dòng)通信跨界融合的需求與趨勢(shì)明顯，通過(guò)接入低空移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的網(wǎng)聯(lián)。無(wú)人機(jī)與移動(dòng)通信融合，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)管、無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控以及載荷數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離高精度的實(shí)時(shí)回傳是目前無(wú)人機(jī)巡防應(yīng)用的重要需求[8]。

2 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的智慧巡防解決方案

新一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)5G具備超高帶寬、低時(shí)延高可靠、廣覆蓋大連接特性，基于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)網(wǎng)聯(lián)，能夠賦予無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)超高清圖傳、遠(yuǎn)程低時(shí)延控制等重要能力[9]。在日常巡防中，警務(wù)人員根據(jù)接警情況或經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)5G控制無(wú)人機(jī)快速到達(dá)指定地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布控，通過(guò)無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的高清視頻、熱成像、音頻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取證，把實(shí)時(shí)情況回傳給地面設(shè)備或監(jiān)控大廳等，為指揮人員決策提供依據(jù)；通過(guò)結(jié)合AI識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)敏感信息自動(dòng)提取與報(bào)警，提升巡防效率和精度，助力實(shí)現(xiàn)智慧巡防。

2.1 方案架構(gòu)

本文提出的網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)智慧巡防解決方案如圖1所示?；?G網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算以及AI智能算法，整體技術(shù)方案采用云邊協(xié)同的架構(gòu)部署，云端獲取到的信息更加全面，算法統(tǒng)一易于升級(jí)，主要功能包括運(yùn)營(yíng)及業(yè)務(wù)管理、AI訓(xùn)練等綜合業(yè)務(wù)。將內(nèi)容應(yīng)用及業(yè)務(wù)能力按需下沉到邊端，高清大數(shù)據(jù)不需繞經(jīng)核心網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)智能分析，保證業(yè)務(wù)低時(shí)延響應(yīng)，主要部署實(shí)時(shí)飛行控制、AI實(shí)時(shí)分析等功能[10]。無(wú)人機(jī)及其載荷設(shè)備通過(guò)5G機(jī)載專用通信終端接入5G網(wǎng)絡(luò)。

圖1 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)智慧巡防解決方案

方案架構(gòu)如圖2所示，主要包含接入層、數(shù)據(jù)層、支撐層以及業(yè)務(wù)應(yīng)用層。其中，接入層主要包括無(wú)人機(jī)硬件、機(jī)巢、載荷設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信硬件設(shè)備等，接入層設(shè)備通過(guò)機(jī)載專用通信終端接入5G網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)層主要是數(shù)據(jù)庫(kù)資源的記錄，包括資源設(shè)備數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等；支撐層主要包括用戶權(quán)限管理、圖像分析、AI識(shí)別算法、數(shù)據(jù)接口等；應(yīng)用層主要包括面向無(wú)人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃及飛行控制，面向巡防業(yè)務(wù)應(yīng)用的AI自動(dòng)識(shí)別等。

圖2 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)智慧巡防方案架構(gòu)

2.2 方案特色功能規(guī)劃

2.2.1 高清視頻實(shí)時(shí)回傳

通過(guò)機(jī)載通信終端進(jìn)行任務(wù)載荷視頻傳輸，依托5G高速網(wǎng)絡(luò)、機(jī)載硬件編碼器、智能流媒體管理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)4K視頻的高速傳輸，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的操控，將圖像接入流媒體服務(wù)器。

2.2.2 無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃

通過(guò)設(shè)置起飛點(diǎn)、降落點(diǎn)、途徑點(diǎn)的方式調(diào)用航線規(guī)劃服務(wù)，直觀展示航線規(guī)劃結(jié)果；還可以通過(guò)繪制固定任務(wù)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)固定區(qū)域的覆蓋飛行航線，以滿足區(qū)域飛行監(jiān)視覆蓋的航線規(guī)劃需求。飛行航線規(guī)劃可接入高精度地形數(shù)據(jù)、任務(wù)區(qū)高精度建筑等障礙信息數(shù)據(jù)、地貌特征數(shù)據(jù)、飛行器飛行性能等約束條件，以仿真環(huán)境對(duì)規(guī)劃結(jié)果實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估。

2.2.3 無(wú)人機(jī)超視距控制

1) 當(dāng)政策模糊性低、沖突程度也低的情況下，選用行政性實(shí)行。 該模式的支配要素為“資源”，資源越多，行政性實(shí)行越有保障。 實(shí)行的過(guò)程好比一臺(tái)機(jī)器，呈現(xiàn)出垂直方式，最頂端是中央權(quán)威機(jī)構(gòu)，信息自上而下傳遞給實(shí)行層。 較低程度的模糊性意味著政策的實(shí)行者目標(biāo)十分明確。

無(wú)人飛行器加裝5G專用通信終端，融合主流無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)，集成多種型號(hào)的無(wú)人飛行器遠(yuǎn)程指揮控制能力?；?G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延載荷圖傳技術(shù)等多種優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)超視距指揮控制無(wú)人飛行器的功能，通過(guò)統(tǒng)一指揮平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接入系統(tǒng)的全國(guó)范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)的指揮和控制。

2.2.4 無(wú)人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)警

根據(jù)無(wú)人機(jī)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)，查詢無(wú)人機(jī)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)是處于在線狀態(tài)；展示無(wú)人機(jī)飛行信息，如：經(jīng)度、緯度、高度、機(jī)頭方向、偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角等信息。如有異常會(huì)通過(guò)高亮提示進(jìn)行異常預(yù)警，提醒工作人員查看無(wú)人機(jī)設(shè)備的狀態(tài)。

2.2.5 智慧巡防

針對(duì)無(wú)人機(jī)低空飛行獲取的影像特征，優(yōu)化低空傾斜視角下人臉識(shí)別算法，結(jié)合城市常規(guī)巡防與疫情防控需求，對(duì)人物是否佩戴口罩進(jìn)行預(yù)警，即使在人物佩戴口罩的情況下也能實(shí)現(xiàn)人物識(shí)別與跟蹤，提高智能巡防的魯棒性[11]。

基于5G邊緣計(jì)算，基于視頻圖像的AI識(shí)別服務(wù)采用邊緣側(cè)部署，大數(shù)據(jù)量的高清視頻不需繞經(jīng)核心網(wǎng)等路徑，能夠大大降低時(shí)延，提高系統(tǒng)處理效率，實(shí)現(xiàn)視角內(nèi)多人物的實(shí)時(shí)識(shí)別、快速鎖定與跟蹤。

3 關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

本文所述方案中，所涉及的技術(shù)主要包括無(wú)人機(jī)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)、5G邊緣計(jì)算技術(shù)以及基于低空影像的AI識(shí)別技術(shù)。

3.1 無(wú)人機(jī)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)

通信鏈路是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行控制、狀態(tài)監(jiān)控以及載荷數(shù)據(jù)回傳的必要條件。上行通信鏈路負(fù)責(zé)地面站到無(wú)人機(jī)的遙控指令的發(fā)送和接收，下行通信鏈路主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)到地面站的遙測(cè)數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)等的發(fā)送和接收[12]。5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延、高可靠等特點(diǎn)能夠有效滿足行業(yè)無(wú)人機(jī)的高清圖傳、精細(xì)定位、實(shí)時(shí)控制等需求[13]。通過(guò)集成5G通信模組，并對(duì)接無(wú)人機(jī)的飛行控制及圖傳系統(tǒng)，構(gòu)建無(wú)人機(jī)機(jī)載5G通信終端，實(shí)現(xiàn)通信鏈路切換?；谖ㄒ坏臉?biāo)識(shí)碼，網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)控制管理平臺(tái)完成通信終端的鑒權(quán)認(rèn)證和接入管理，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的接入控制、載荷上傳、狀態(tài)監(jiān)控等超視距、低時(shí)延、大數(shù)據(jù)量的5G網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用。

3.2 5G邊緣計(jì)算技術(shù)

網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)控制、載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳與AI解析等應(yīng)用需要低時(shí)延、大帶寬的穩(wěn)定帶寬保障。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)及云邊協(xié)同設(shè)置的分流策略，將大流量、低時(shí)延業(yè)務(wù)本地化部署，載荷數(shù)據(jù)的上傳與解析可直接通過(guò)基站經(jīng)UPF到達(dá)MEC節(jié)點(diǎn)智能分析模塊，不需經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)，從而減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延[14]。實(shí)現(xiàn)快速的AI計(jì)算分析，將分析結(jié)果及壓縮后的影像數(shù)據(jù)上傳云端指揮決策系統(tǒng)，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，降低結(jié)果反饋時(shí)延。

3.3 低空影像AI識(shí)別技術(shù)

利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行治安巡防，借助于無(wú)人機(jī)飛行空中視角、飛行速度高的特點(diǎn)，能夠極大地提高巡防效率，在低空傾斜視角下，大大降低人物間相互遮擋。然而，傳統(tǒng)的人臉識(shí)別算法多適用于為正視角度下圖像識(shí)別，對(duì)于低空無(wú)人機(jī)傾斜視角下影像特征，需針對(duì)性地優(yōu)化人臉識(shí)別算法，提高識(shí)別準(zhǔn)確率[15]。

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)，利用高清攝像機(jī)獲取人臉影像并提取人臉特征，將檢測(cè)到的特征信息利用多分類邏輯回歸算法等進(jìn)行訓(xùn)練，得到AI訓(xùn)練模型，可基于低空傾斜視角下AI識(shí)別模型進(jìn)行智慧巡防應(yīng)用。

4 實(shí)踐與應(yīng)用

基于本文技術(shù)方案研發(fā)了一套網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)智慧巡防系統(tǒng)，并成功在中國(guó)電信研究院北京園區(qū)開展了應(yīng)用實(shí)踐。中國(guó)電信研究院北京園區(qū)現(xiàn)有一棟辦公用樓宇在建，為監(jiān)督建設(shè)單位疫情防控措施落實(shí)情況，基于5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)在施工工地開展了智能巡防應(yīng)用，對(duì)于工地附近人員是否佩戴口罩等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)發(fā)現(xiàn)未佩戴口罩的行為及時(shí)上報(bào)，如圖3所示。

圖3 是否佩戴口罩狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，系統(tǒng)對(duì)于是否佩戴口罩的識(shí)別率在95%以上，且能夠在人員佩戴口罩的情況下對(duì)其身份、年齡進(jìn)行識(shí)別，對(duì)于陌生人進(jìn)入園區(qū)、是否越界等行為能夠進(jìn)行進(jìn)一步防范，達(dá)到了預(yù)期應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

本文探討了基于5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的智慧巡防解決方案，基于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)超視距操控和高清載荷實(shí)時(shí)回傳，大大拓展了無(wú)人機(jī)應(yīng)用空間；在線規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行路徑，大大降低了無(wú)人機(jī)的操控難度；基于高清影像的AI識(shí)別，增強(qiáng)了治安巡防的效率，擠壓違法犯罪空間。在疫情防控中，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，非接觸式的智能巡防能夠避免人員密集以及交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。