基于鐵塔新基站與蜂巢無人機(jī)的智能巡檢系統(tǒng)

［曹明 陳欣 張凱 張紅梅］

近年來隨著無人機(jī)技術(shù)及智能巡檢技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)因其具備成本低、操作簡單、機(jī)動(dòng)性高、視野大、巡檢范圍廣、巡檢效率高、便捷運(yùn)輸且風(fēng)險(xiǎn)性低等優(yōu)點(diǎn)，通過無人機(jī)攜帶的任務(wù)載荷，如可見光相機(jī)、多光譜相機(jī)、紅外相機(jī)等傳感器，完成對(duì)目標(biāo)地區(qū)的巡檢或監(jiān)控的應(yīng)用場景越來越多。無人機(jī)因其具備成本低、操作簡單、機(jī)動(dòng)性高、視野大、巡檢范圍廣、巡檢效率高、便捷運(yùn)輸且風(fēng)險(xiǎn)性低等優(yōu)點(diǎn)，使得其已在電力巡檢、國土資源調(diào)查、應(yīng)急救災(zāi)、城市規(guī)劃等諸多領(lǐng)域中得到了突破性的運(yùn)行與發(fā)展，在電力、光伏、交通等多個(gè)行業(yè)的投入應(yīng)用也取得顯著效果[1～3]。但是目前無人機(jī)的供電續(xù)航能力、飛行半徑、無人機(jī)飛手人員的技能水平等都成為限制無人機(jī)執(zhí)飛行任務(wù)的瓶頸，因此研究一種不間斷續(xù)航，擴(kuò)大飛行半徑的無人控制的自主飛行巡航的無人機(jī)系統(tǒng)，成為一種技術(shù)的需要。

“凡有人煙處，皆有通信塔”，鐵塔公司國際一流的信息通信基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)商，擔(dān)負(fù)了全國通信基站的電力、配套建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)，目前已經(jīng)擁有200余萬個(gè)通信鐵塔，其部署具有點(diǎn)多面廣的優(yōu)勢[4]，有塔的地方就有就交流電、蓄電池可以給無人機(jī)提供充電，換電服務(wù)；有塔的地方就有通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可以為無人機(jī)提供視頻，圖像的回傳。

如果將蜂巢無人機(jī)智能巡檢與鐵塔有機(jī)結(jié)合，以鐵塔在基站部署、通信、供電等方面的優(yōu)勢結(jié)合無人機(jī)的靈活與智能，可建成“云霧端”多級(jí)無人機(jī)智能任務(wù)系統(tǒng)。以后臺(tái)服務(wù)器為“云計(jì)算”載體、自動(dòng)機(jī)場為“霧端控制系統(tǒng)”，無人機(jī)為“邊緣計(jì)算載體”，綜合運(yùn)用AI 技術(shù)與無人機(jī)平臺(tái)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)作業(yè)的遠(yuǎn)程化、自主化、智能化，并在智能城市巡邏、智能巡檢方面取得革命性的成果[5～7]。

1 基于5G 的無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

圖1 基于5G 的無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于5G 無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，改系統(tǒng)是以無人機(jī)為巡檢手段，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全自動(dòng)化作業(yè)的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由云系統(tǒng)（云）、固定機(jī)場（邊）、無人機(jī)及其掛載（端）三大部分組成。

該系統(tǒng)集成了無人機(jī)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等其它先進(jìn)技術(shù)于一體，不依賴現(xiàn)場人工操作，無人機(jī)即可完成城市網(wǎng)格化自動(dòng)巡檢及輔助任務(wù)。

操作人員可遠(yuǎn)程設(shè)定、下發(fā)作業(yè)任務(wù)，固定機(jī)場接收到遠(yuǎn)程下發(fā)的任務(wù)后，將指派無人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)，固定機(jī)場將全自動(dòng)化地完成無人機(jī)的起飛、巡檢、降落、回收、充電（選配）、數(shù)據(jù)上傳等操作步驟，全程無需現(xiàn)場人員參與，即可機(jī)動(dòng)靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)劃區(qū)域的城市環(huán)境、人流、車流情況的視頻監(jiān)控、應(yīng)急事件協(xié)助人工處理等功能，信息采集相比于傳統(tǒng)方式更加便捷，提高了工作效率，也保證了人員安全。

1.2 無人機(jī)蜂巢簡介

無人機(jī)蜂巢及多旋翼無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場，其主要功能是接收無人機(jī)、釋放無人機(jī)和貯藏?zé)o人機(jī)。無人機(jī)在工作結(jié)束后，自動(dòng)飛回機(jī)巢。無人機(jī)機(jī)巢可對(duì)非工作狀態(tài)無人機(jī)的安全進(jìn)行防護(hù)，防止外界風(fēng)雨侵蝕，防護(hù)過程中對(duì)其進(jìn)行充電和帶電檢查，外觀如圖2 所示。

圖2 無人機(jī)蜂巢實(shí)物圖

無人機(jī)機(jī)巢工作流程，機(jī)巢總體采用遠(yuǎn)端控制，所有操作均為無人機(jī)機(jī)巢和無人機(jī)交互自動(dòng)完成，特殊操作由上位機(jī)控制室監(jiān)視操作完成。

桅桿集成了RTK 基站，遙控甜心、氣象站和電源電控箱，實(shí)物圖如圖2 所示，功能主要有：（1）為無人機(jī)提供厘米級(jí)導(dǎo)航信息；（2）監(jiān)控機(jī)場周邊環(huán)境、氣象條件；（3）對(duì)機(jī)場內(nèi)部進(jìn)行溫控濕控，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供環(huán)境。

1.3 無人機(jī)簡介

目前，蜂巢無人機(jī)用的大多使用大疆經(jīng)緯M210RTK，可升級(jí)為經(jīng)緯M300RTK，主要出發(fā)點(diǎn)是大疆無人機(jī)性能優(yōu)異、可靠性高，但大疆航電系統(tǒng)的開發(fā)程度有限，靈活性較差，需要在該方面改進(jìn)提升，需要較好的充電、換電為無人機(jī)做好續(xù)航能力的支撐。此外，復(fù)合翼無人機(jī)應(yīng)用于蜂巢及巡檢也在探索中，已有不少成功案例。

2 蜂巢無人機(jī)與鐵塔的有機(jī)結(jié)合

2.1 無人機(jī)與鐵塔基站融合

充分共享基站電、傳輸及鐵塔資源，將無人機(jī)場與現(xiàn)有基站融合建設(shè)，如圖4 所示；實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)巡航、自動(dòng)充/換電，解決現(xiàn)有無人機(jī)兩大束縛-人工現(xiàn)場操作和電池瓶頸：

圖3 蜂巢無人機(jī)機(jī)型

（1）機(jī)房融合：將無人機(jī)場直接安裝至機(jī)房房頂，充分利用站址空間，無需增加租地面積。

（2）鐵塔融合：為提高無人機(jī)與機(jī)巢的通信質(zhì)量，提升飛機(jī)安全性，后期可將無人機(jī)與機(jī)場通信電臺(tái)設(shè)備上塔。

圖4 無人機(jī)與鐵塔融合示意圖

2.2 蜂巢無人機(jī)與4G/5G 技術(shù)的結(jié)合

無人機(jī)通訊技術(shù)傳統(tǒng)上往往采用視距無線電通訊，或者數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測控方式，利用作用距離在幾十公里以內(nèi)的專用測控站，為無人機(jī)提供通訊支撐，但由于本項(xiàng)目中無人機(jī)途經(jīng)海南全島，飛行范圍大、地形多樣化，傳統(tǒng)通訊手段效果嚴(yán)重受限，往往在飛機(jī)起飛不久即失去通訊聯(lián)系。同時(shí)，通過測控站接力或者衛(wèi)星通訊的方式建立連接，這些連接方式往往會(huì)受到施工建設(shè)、運(yùn)維保障、使用成本等問題的制約，缺乏經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

基于4G 技術(shù)的成熟及大面積終端布設(shè)，結(jié)合5G 技術(shù)具備的大帶寬、低延時(shí)、抗干擾、多波束指向等技術(shù)特點(diǎn)，4G/5G 技術(shù)的結(jié)合天然具備適應(yīng)網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)要求的高清圖傳、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)控和精準(zhǔn)定位的能力。加上低使用成本的衛(wèi)星通訊實(shí)時(shí)位置反饋，能夠保證飛機(jī)處在山地、遠(yuǎn)海等網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)內(nèi)指揮中心仍可實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)動(dòng)態(tài)位置，為飛行安全提供最低限度保障，如圖5 所示。

蜂巢無人機(jī)4G/5G 通信技術(shù)與無人機(jī)安裝的載荷配合，在應(yīng)急作業(yè)、日常巡檢、測繪采集等任務(wù)過程中，實(shí)現(xiàn)控制中心同步顯示現(xiàn)場實(shí)時(shí)畫面的功能。這有助于指揮中心及時(shí)準(zhǔn)確了解現(xiàn)場狀況，提升其常態(tài)化作業(yè)、應(yīng)急響應(yīng)等能力，提升指揮效率、增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作配合度的重要技術(shù)手段。

圖5 蜂巢無人機(jī)4G/5G 技術(shù)通信拓?fù)?/p>

3 “鐵塔蜂巢無人機(jī)”的優(yōu)勢

蜂巢無人機(jī)（多旋翼無人機(jī)）與鐵塔結(jié)合，下面簡稱“鐵塔蜂巢無人機(jī)”，鐵塔與蜂巢無人機(jī)，地空互補(bǔ)，如圖6 所示，具有如下優(yōu)勢。

（1）固定機(jī)場系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全自動(dòng)化作業(yè)的智能系統(tǒng)，是集成了無人機(jī)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等其它先進(jìn)技術(shù)于一體的智能巡檢系統(tǒng)。機(jī)場穩(wěn)定可靠，無需飛手即可完成安全、專業(yè)、精準(zhǔn)的低空數(shù)據(jù)采集。

（2）行業(yè)場景工具鏈完備，賦能用戶輕松完成專業(yè)、高效、精確的數(shù)據(jù)處理、可視化、和結(jié)果調(diào)用。

（3）固定機(jī)場可進(jìn)行私有化部署+功能API 化，可根據(jù)客戶需求與客戶OA 系統(tǒng)快速集成。

（4）管控平臺(tái)布置在客戶指定位置或者云端，支持多機(jī)場統(tǒng)一管理、集中化遠(yuǎn)程運(yùn)維、一鍵升級(jí)等。

（5）成熟的空域協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全、高效的多機(jī)協(xié)同作業(yè)。

（6）當(dāng)飛機(jī)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)支持4G/5G 直聯(lián)及機(jī)場轉(zhuǎn)發(fā)的“雙鏈路”遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接管，確保飛機(jī)安全。

（7）機(jī)場系統(tǒng)支持飛機(jī)直聯(lián)5G 及機(jī)場直聯(lián)5G 的“雙模式”5G 聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延數(shù)據(jù)傳輸及控制。

圖6 接力飛行示意圖

4 鐵塔蜂巢無人機(jī)與智慧城市建設(shè)

本節(jié)主要從智慧城市網(wǎng)格化巡檢與變電站智能巡檢兩方面給出鐵塔蜂巢無人機(jī)參與智慧城市建設(shè)的幾個(gè)案例。

4.1 智慧城市網(wǎng)格化巡檢

城市巡查管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在日常城市管理、行政執(zhí)法或市容環(huán)境改善過程中，城市管理涉及面廣，城市網(wǎng)格化巡查管理難度大。相對(duì)于傳統(tǒng)的人工巡邏或固定攝像頭監(jiān)控，無人機(jī)的高度機(jī)動(dòng)性、布點(diǎn)靈活性，在事故處理、秩序管理、交通疏導(dǎo)、流量檢測等方面具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢，特別是在一些監(jiān)控盲區(qū)，無人機(jī)可以發(fā)揮重要作用。

4.1.1 環(huán)境衛(wèi)生及市容秩序巡查

采用無人機(jī)進(jìn)行低空巡查，可以快速發(fā)現(xiàn)傾倒堆場、衛(wèi)生死角，同時(shí)憑借無人機(jī)寬廣視角和快速移動(dòng)速度，可以快速鎖定亂倒垃圾的源頭。同時(shí)，無人機(jī)可搭載喊話器配合執(zhí)法人員進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話，對(duì)區(qū)域人員進(jìn)行喊話勸誡、警告、指導(dǎo)，從而減少執(zhí)法人員親臨現(xiàn)場，及時(shí)高效完成遠(yuǎn)程指揮管理工作，如圖7 所示。

圖7 無人機(jī)巡查亂倒垃圾

4.1.2 城市規(guī)劃及違建巡查

高層陽光房、高層廣告、違法搭建等是城市管理中一大難題，受限于分布位置限制，人工巡查，耗時(shí)費(fèi)力，效率較低，部分違法建筑以地面視角根本無法發(fā)現(xiàn)。

采用無人機(jī)可以極大地提高違法建筑的防控、查處效率。采用無人機(jī)航拍取證，高空情況一覽無遺，執(zhí)法人員無需親臨現(xiàn)場，即可完成航拍取證，鎖定屋頂、巷道、地面、高層等視覺死角的違章情況。通過將航拍影像與原始測繪圖像進(jìn)行對(duì)比，可直觀判斷是否出現(xiàn)違法建筑，如圖8 所示。

圖8 無人機(jī)違建巡查

4.1.3 交通巡查

交通巡查對(duì)時(shí)效性要求強(qiáng)，無人機(jī)具較高的機(jī)動(dòng)性能和移動(dòng)性能，在接收到管控平臺(tái)下發(fā)的任務(wù)后，按照規(guī)劃航線執(zhí)行巡邏任務(wù)，在飛行過程中觀察道路車輛狀況，通過自動(dòng)懸停變焦，對(duì)上述違法行為進(jìn)行抓拍取證。無人機(jī)抓拍的違法證據(jù)圖片回傳至管控后臺(tái)，并可協(xié)助警察進(jìn)行非現(xiàn)場處罰或調(diào)動(dòng)民警進(jìn)行交通疏導(dǎo)等，如圖9 所示。

圖9 無人機(jī)交通巡查

4.2 變電站智能巡檢

無人機(jī)可搭載高清可見光相機(jī)或紅外相機(jī)，在指定設(shè)備區(qū)域（如110 kV區(qū)域、電容電抗區(qū)等）上空向下進(jìn)行連續(xù)的俯拍，從高空視角采集設(shè)備區(qū)的可見光或紅外照片，最終進(jìn)行異物識(shí)別或溫度識(shí)別，如圖10（a）所示。在出現(xiàn)惡劣天氣過后，無人機(jī)可執(zhí)行巡檢任務(wù)檢查是否有異物懸掛在設(shè)備上（塑料袋、風(fēng)箏等），檢查設(shè)備區(qū)內(nèi)地面是否有異物需預(yù)警清理，以防二次漂浮到設(shè)備上。

與區(qū)域巡檢相似，無人機(jī)按既定路線從高空視角俯拍，不采集照片僅巡邏傳回實(shí)時(shí)拍攝畫面（實(shí)時(shí)視頻）。可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電站的日常安保巡邏，有效覆蓋視頻監(jiān)控盲區(qū)，預(yù)防異物入侵或快速預(yù)警。同時(shí)也可對(duì)檢修工作進(jìn)行監(jiān)工。如圖10（b）所示通過對(duì)巡檢視頻進(jìn)行分析檢測，檢測出人員活動(dòng)等行為，及時(shí)發(fā)現(xiàn)區(qū)域人員非法入侵當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑人員后可通過喊話器推送發(fā)出警告，提醒非法入侵人員及時(shí)撤離當(dāng)前區(qū)域。同時(shí)，無人機(jī)可攜帶紅外熱像儀對(duì)視頻中的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行熱源檢測，當(dāng)檢測出異常溫度時(shí)及時(shí)開啟警報(bào)推送異常信息。

此外，在精細(xì)巡檢基礎(chǔ)上，無人機(jī)自身配備使用探照燈，配合厘米級(jí)的高精度定位，在夜間也能自主飛至指定設(shè)備拍照點(diǎn)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行可見光或紅外照片的采集，亦能智能補(bǔ)光完成自主返航精準(zhǔn)降落回收。如保變電時(shí)期亦能完成夜間應(yīng)急巡檢。且夜間進(jìn)行紅外巡檢能有效減少日光照射帶來的干擾，使溫度數(shù)據(jù)更精確有效，如圖10（c）所示。

5 結(jié)論

鐵塔與蜂巢無人機(jī)的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)地空互補(bǔ)，無人機(jī)構(gòu)成鐵塔的空中平臺(tái)，延伸了鐵塔的空中巡邏能力與邊緣計(jì)算能力，蜂巢置于鐵塔基站，為無人機(jī)的自動(dòng)維護(hù)、運(yùn)營與管控提供了體系化支撐，在智慧城市巡檢、園區(qū)內(nèi)巡檢等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖10 無人機(jī)變電站智能巡檢