數(shù)字經(jīng)濟(jì)下的高速公路路網(wǎng)無人巡檢模式研究及實踐

單華偉

(哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 引 言

2021年12月國務(wù)院發(fā)布《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，要求加快推進(jìn)能源、交通運輸、水利、物流、環(huán)保等領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造[1]。同時，交通運輸部發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點的通知》要求，利用無人機等移動手段，開展路網(wǎng)大數(shù)據(jù)收集和綜合管理，提升數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析、運用能力。以北斗高精度定位技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字經(jīng)濟(jì)下對于交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造要求，開展基于北斗高精度定位的高速公路路網(wǎng)無人巡檢模式研究，結(jié)合實際環(huán)境應(yīng)用條件對境內(nèi)高速、國道、省道、縣道和鄉(xiāng)村道路等開展例行常規(guī)巡查和重點區(qū)域詳查監(jiān)測，為智能化、高效化、便捷化的道路運輸監(jiān)管提供支撐。

2 北斗無人路網(wǎng)巡檢模式

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2020年，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，順利實現(xiàn)全球組網(wǎng)，其將導(dǎo)航與通信實現(xiàn)有機融合和創(chuàng)新，與美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的GALILEO系統(tǒng)共同成為提供全球服務(wù)的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，形成了世界衛(wèi)星導(dǎo)航的新格局。北斗系統(tǒng)共有46顆在軌衛(wèi)星，包括28顆北斗三號衛(wèi)星和18顆北斗二號衛(wèi)星，整個系統(tǒng)運行良好，信號質(zhì)量優(yōu)異。尤其是北斗三號衛(wèi)星，其空間信號精度均值約為0.41 m，精度提升約30%。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)的精度、定位、測速和授時能力更為優(yōu)秀[2]。

同時，北斗三號實現(xiàn)了導(dǎo)航定位與通信和增強服務(wù)的融合設(shè)計，在導(dǎo)航定位之外還提供了星基增強、精密定位信息播發(fā)、區(qū)域短報文通信、全球短報文通信和國際搜救共6類服務(wù)。其中，導(dǎo)航定位、全球短報文、國際搜救3類服務(wù)覆蓋全球，星基增強、區(qū)域短報文通信和精密定位信息播發(fā)服務(wù)3類服務(wù)覆蓋中國及周邊地區(qū)。

2.2 北斗無人路網(wǎng)巡檢系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

依照北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)特點及路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)需求分析，結(jié)合路網(wǎng)信息化建設(shè)中巡路查特點，基于北斗的無人路網(wǎng)巡檢系統(tǒng)總體可劃分為交通監(jiān)管平臺、無人值守多旋翼數(shù)據(jù)采集、垂直起降無人機數(shù)據(jù)采集、道路巡查移動平臺四個部分[3]。整體架構(gòu)如下。

圖1 北斗無人路網(wǎng)巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)交通監(jiān)管平臺部分，包括平臺運行的基礎(chǔ)硬件設(shè)施、基礎(chǔ)軟件、數(shù)據(jù)庫管理和道路巡查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。

(2)無人值守?zé)o人機：以低空無人值守多旋翼以及無人值守垂直起降固定翼為基礎(chǔ)，在巡查內(nèi)容上劃分為精細(xì)化巡查與長線路道路巡查。

(3)移動端：查看部分包括現(xiàn)場巡查大隊手持?jǐn)?shù)據(jù)回傳與查看終端。

(4)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)部分:依靠4G/5G通信實現(xiàn)視頻、遙測等數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)前方道路與后方平臺的數(shù)據(jù)傳輸與狀態(tài)監(jiān)控。

(5)業(yè)務(wù)深化應(yīng)用部分，包括道路巡查業(yè)務(wù)應(yīng)用、對外公共應(yīng)用，依據(jù)層次化、模塊化設(shè)計理念，后期可為交通道路巡查監(jiān)管部門提供道路業(yè)務(wù)綜合監(jiān)管等接口服務(wù)。

2.3 基于北斗高精度定位的無人巡檢模式

基于北斗高精度定位的無人巡檢模式主要包括五類，分別為常規(guī)巡視、重點巡視、定點監(jiān)控、應(yīng)急監(jiān)控和移動監(jiān)測，無人機日常自動巡視可以有效發(fā)現(xiàn)路面裂痕、塌陷、路基損毀、掉落物、事故擁堵、交通設(shè)施等情況，并可通過定點監(jiān)測發(fā)現(xiàn)違章車輛并通過遠(yuǎn)程喊話進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮，具體如下所示。

(1)北斗無人機常規(guī)巡視

北斗無人機常規(guī)巡視模式面向常態(tài)化巡視監(jiān)測需求，選取常規(guī)巡視路段通過飛機作業(yè)半徑和實際地理、環(huán)境情況布設(shè)一定數(shù)量的系統(tǒng)，通過一站多機控制模式完成整條道路的常規(guī)巡視工作[4]。

表1 常規(guī)巡視經(jīng)濟(jì)巡檢指標(biāo)

圖2 無人值守?zé)o人機常規(guī)巡視布設(shè)示意圖

(2)北斗無人機重點巡視模式

北斗無人機重點巡視模式針對道路交叉口、事故多發(fā)地或易擁堵的區(qū)域及路段的重點巡視需求開展涉及，主要是在無人機續(xù)航里程內(nèi)通過合理規(guī)劃無人機飛行航跡來覆蓋巡視范圍，如下圖所示。針對一個5岔口的路口，可以歸劃無人機航跡經(jīng)過每個岔口，并在中間懸停來觀測路況。無人機在重點區(qū)域布設(shè)數(shù)量需要結(jié)合巡檢頻次來考慮停機艙/停機坪的選擇。

針對重點區(qū)域，無人機單次巡檢時間為0.5 h，其中懸停時間5～8 min，作業(yè)間隔為2 h，作業(yè)航程最大16 km，當(dāng)重點巡視區(qū)域航程超過無人機最大作業(yè)航程或要求巡視間隔時間小于2 h時，可選擇在重點區(qū)域布設(shè)多套無人值守?zé)o人機智能巡檢系統(tǒng)。

圖3 無人值守?zé)o人機重點區(qū)域布設(shè)示意圖

(3)北斗無人機應(yīng)急監(jiān)控模式

北斗無人機應(yīng)急監(jiān)控模式重點針對道路內(nèi)出現(xiàn)的交通事故、人員傷亡、交通擁堵、塌陷、拋棄物等應(yīng)急事件的應(yīng)急監(jiān)測應(yīng)用模式，應(yīng)急監(jiān)測位置為隨機事件，當(dāng)需要應(yīng)急的時候只需給出應(yīng)急監(jiān)測位置，無人機即可由當(dāng)前位置按直線快速抵達(dá)應(yīng)急點進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測、指揮。

圖4 無人值守?zé)o人機應(yīng)急監(jiān)測示意圖

在應(yīng)急監(jiān)測應(yīng)用模式下，后臺控制中心可以任意調(diào)配距離事發(fā)地點最近的無人值守?zé)o人機(且距離小于無人值守?zé)o人機作業(yè)半徑)直接飛往目標(biāo)點，并進(jìn)行觀測。

(4)北斗無人機定點監(jiān)控模式

北斗無人機定點監(jiān)控模式是根據(jù)在常規(guī)、重點巡視過程中的發(fā)現(xiàn)異常情況或需要詳細(xì)監(jiān)測的區(qū)域而進(jìn)行定點監(jiān)控的應(yīng)用模式，定點監(jiān)控?zé)o人機在既定飛行航跡范圍內(nèi)，可進(jìn)行短距離的位置、無人機飛行高度、監(jiān)控方向和變焦等操控，可以實現(xiàn)精細(xì)化詳查。

(5)北斗無人機機動巡視模式

北斗無人機機動巡視模式是將無人機放置于車輛內(nèi)部，通過車輛運輸無人機至指定區(qū)域進(jìn)行飛行巡視，通過無人機系統(tǒng)對無人機進(jìn)行操控，以實現(xiàn)無人機的動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用。

3 北斗無人路網(wǎng)巡檢模式實踐應(yīng)用

為對速公路路網(wǎng)無人巡檢模式及系統(tǒng)的功能、性能進(jìn)行驗證，選取黑龍江省某省級公路開展應(yīng)用示范建設(shè)，累計開展無人路網(wǎng)巡護(hù)37架次，初步實現(xiàn)了基于無人機的動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用、養(yǎng)護(hù)決策及路網(wǎng)指揮調(diào)度，具體說明如下。

3.1 高速路網(wǎng)狀態(tài)采集

采用常規(guī)巡護(hù)模式及重點巡視模式對路網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行信息監(jiān)控采集，實現(xiàn)了公路路網(wǎng)路面裂痕、塌陷、路基損毀、掉落物、事故擁堵、交通設(shè)施等情況的采集，通過該模式改變以往單純依靠人員及巡護(hù)車輛對路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)信息采集及擁堵調(diào)查的模式，巡查成本可節(jié)省75%以上。

3.2 高速路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策

采用應(yīng)急監(jiān)控模式輔以定點監(jiān)控模式對事發(fā)地點、事件進(jìn)行快速排查，輔以現(xiàn)場情況研判，實現(xiàn)公路路網(wǎng)塌陷、擁堵、違停等問題的綜合處理，提升路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策效率60%以上并極大降低了由于擁堵、事故導(dǎo)致的二次事故發(fā)生。

3.3 高速路網(wǎng)指揮調(diào)度

依托北斗無人機動巡視模式進(jìn)行高速路網(wǎng)動態(tài)指揮調(diào)度，對偶發(fā)性事故或異常擁堵、阻塞情況進(jìn)行詳查，并可通過遠(yuǎn)程喊話系統(tǒng)實時進(jìn)行指揮，提升偶發(fā)性事故處置效率70%以上。

4 結(jié) 語

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃及交通強國戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，對精細(xì)化、智能化的路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)應(yīng)用需求將愈發(fā)迫切，對路網(wǎng)無人巡檢模式的應(yīng)用系統(tǒng)將愈發(fā)細(xì)致，本文通過以北斗高精度定位技術(shù)構(gòu)建無路網(wǎng)無任何巡護(hù)模式并開展探究應(yīng)用，對后續(xù)交通強國戰(zhàn)略及交通領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造具備一定指導(dǎo)意義。