無人機自動巡航系統在高速公路管理中的應用

吳勤峰

(福建羅寧高速公路有限公司，福建 福州 350600)

截至2020年，我國高速公路通車里程已經超過12.5萬公里，位居世界首位，福建省高速公路里程已超6000公里。隨著高速公路通車里程的遞增，對管養、維護、應急施救等科學管養的專業化、智能化要求越來越高，采用傳統的人工巡查方式對路面信息的采集，存在工作效率低、系統集成度低、各專業協同性差等困難。近年來，研發應用無人機技術來解決高速公路管理上的難點、痛點問題，取得了一定的突破，研發的高速公路無人機自動巡航系統于2018年和2019年兩次參加中國·海峽項目成果交易會，受到廣泛好評，獲得福建省總工會“五小創新”獎。本文就無人機的應用背景、系統實施、解決問題、深度應用、前景展望等方面進行闡述。

1 應用背景及自動巡航需求

近年來，無人機技術在消費市場發展迅猛，相關技術在行業領域持續發力，以其機動靈活、高效經濟、安全穩定、視角廣等優勢，被越來越多的行業重視應用。特別是電力、交通、農業等已經具有一定的規模。

目前市面上無人機普遍采用的是操作者地面遙控飛行的模式，此模式能在一定程度上提高工效，但在高速公路上應用存在以下突出的缺點：對操作者技術要求高；安全風險大；遇道路轉彎或者山體、建筑物阻擋等情況影響遙控傳輸距離；緊急情況下需要操作者先就位才能進行拍攝；控制距離短導致指揮中心難以獲取實時現場信息等。這種無人機在應用本質上還是“有人機”，局限性較大。

為此，在高速公路上我們需要的自動巡航系統，是能實現遠程通信、路徑規劃自動巡檢、定點自動起降、監控后臺遠程控制、實時圖傳等功能的系統，為管理者提供精準、快捷的決策依據。

2 自動巡航系統研發實施

從2016年起，探索研發了無人機在高速公路管養應用的自動巡航系統。

2.1 實施目標

①無需專業飛手操控，實現定時巡航及應急飛行。

②多路徑選擇，包括日常巡航、高邊坡巡查、橋梁巡查、護欄及隔離柵巡查等路徑。

③自動巡航，可實現應急情況下，后臺遠程操控，包括懸停、云臺球基調整等。

④后臺錄像回傳，包括實時畫面回傳至路段及集團中控室。

⑤飛行數據后臺分析比對，判別異常情況，并發送信息至相關業務部門，信息內容包括位置、圖片、時間等。

2.2 關鍵技術

2.2.1 飛行平臺

針對高速公路巡檢的實際需求，本項目以歌爾泰克研發的GT1無人機飛行平臺為例(圖1)。無人機基本參數：

圖1 GT1六旋翼無人機

尺寸：945mm×813mm×508mm

空載凈重：5.6kg

最大航時：45分鐘

最大飛行高度：122m(可開放至1000m)

最高時速：60km/h

巡檢高度：60m(通過變焦可清晰拍攝車牌)

巡檢速度：21km/h

抗干擾：在中國電科院射頻電磁場輻射抗擾度試驗、靜電放電抗擾度試驗、脈沖磁場抗擾度試驗和工頻磁場抗擾度中試驗結果達到A級水平。

抗風等級：5級

防護等級：IP54(防護灰塵、防護噴水)

載重：1kg

攝像云臺：36倍光學變焦，1400萬像素，三軸增穩防抖動。

支持凈空通視條件下的5km高清圖傳，飛控、GPS、氣壓計等關鍵芯片和部件雙冗余備份。機臂可折疊，便于攜帶。

圖2 高倍光學變焦自穩云臺圖

2.2.2 通訊網絡

高速公路覆蓋的4G網絡存在傳輸延時較高、信號強度不穩定等，不利于遠程實時操控和影像回傳。為此，我們結合利用高速公路已有的監控桿、電源和高速公路光纖等通訊資源，在公司樓頂及巡航路段等關鍵區域布局安裝若干個無人機地面基站，建設無人機遠程通信專用網絡，采用無線與有線結合的方式，通過光信號、電信號、射頻信號之間的相互轉換實現無人機遠程通信和遠程操控。

2.2.3 相鄰基站自動切換

當無人機通過相鄰基站時，自主檢測GPS位置、相鄰基站的通信質量、誤碼率、延時等實時數據，分析并選擇地面基站進行數據對話，提前建立通信鏈路，確保無人機在運行過程中遠程控制和影像傳輸的平滑切換。

圖3 通信和傳輸拓撲結構圖

2.2.4 地面基站主要技術指標

工作頻段：1430MHz～1444MHz；工信部授權的無人機公共網段。

覆蓋范圍：理想視通條件下半徑5km，一般實際應用半徑3km。

最大接入機組數量：5臺。

通信方式：雙向TDD。

用戶凈速率：下行不小于10Mbps,上行不小于250kbps。

圖像：采用H264對視頻流進行壓縮編碼，飛機內的TF卡采用的是MOV格式存儲。無線鏈路傳輸的圖像比特率大概是10Mbps，后臺存儲格式為AVI。

數傳延時：不大于30ms。

丟包率：5×10-5/-86dBm。

基站切換時間：不大于100ms。

2.2.5 精準起降平臺

為了實現高速公路無人機應用的全自動，必須建設自動起降平臺。該平臺一般位于控制中心大樓樓頂，為一個邊長4m×4m的正方形防腐木臺，通過紅外定位及圖像識別技術，以便實現無人機小于50cm精度范圍內的全自動起降。

2.2.6 低空數字化巡航線路

實現無人機的全自動巡檢，應進行無人機航線規劃，能夠在飛行過程中自由進行鏡頭縮放及云臺角度、變焦倍數的調整，可隨時暫停執行懸停、微操平移等動作，進行指定目標的抓拍。目前暫時采用預設航點方式，在飛行過程中按航點順序執行航線，并在實施中進一步優化，使無人機靈活地在區域范圍內任意航點間飛行。

2.2.7 后臺操作系統建設

必須編制一套飛控軟件，以對無人機巡檢情況進行統一監控和后臺調度，并將飛控系統安裝在監控中心大廳，通過后臺(監控室)實現了無人機實時控制、圖像和視頻的實時觀看、圖像和視頻的存儲以及圖像實時投屏到監控大屏等，實現日常監管及應急施救功能。

3 應用情況

根據前期研發建設和應用情況，無人機應用系統能實現多種巡檢功能。

3.1 綜合路面情況巡檢

利用無人機進行綜合路面情況的全景巡檢，并且可以通過攝像頭的懸停放大識別路面裂縫，車輛牌照等有關信息。

3.2 高邊坡、橋梁等險峻地形的建筑結構巡檢

相關養護和機電部門可以利用無人機，對邊坡、高位水池、橋梁、收費大棚等固定設施，以及情報板等機電設施進行巡檢和處置。

3.3 執法情況巡檢

路政部門可以利用無人機對高速公路路面和道路兩側紅線內的違法情況進行巡檢，及時獲取路產設施維護信息。

3.4 廣告牌、路牌標志等巡檢

管理部門可以利用無人機對廣告牌、路牌標志等進行巡檢和處置。

3.5 突發情況巡檢

在突發擁堵和交通事故等情況下，可以第一時間起飛無人機至指定區域，進行突發狀況巡查，及時把現場情況傳輸至指揮中心。

4 應用前景展望

目前，無人機自動巡航系統的第一階段研發成果已在福建羅寧高速公路上得到不斷地應用和優化，并取得了突破性成效。隨著無人機技術提升和北斗導航技術的推廣，高速公路無人機場景和工況的應用至少在以下方向具有研發潛力。

4.1 路徑自動規劃與地形跟蹤功能拓展

研究無人機航線數字化與飛行路徑的自動規劃，實現數字化電子地圖，開展無人機地圖作業，使無人機飛行軌跡能隨著地形起伏保持和地面的固定高度。

4.2 不間斷巡航方式研究

研究自動收納的起降方艙，無人機起飛和降落前方艙自動開啟，無人機入艙后方艙自動關閉，并進行自動充電或自動更換電池，實現不間斷巡航。

4.3 長航時、高機動性飛行平臺搭建

繼續探索新型的無人機飛行平臺，如采用了氫能源電池的長航時無人機，或兼具長航時和機動性的可傾轉旋翼無人機。

4.4 數據庫建立與信息共享功能

對無人機巡檢過程中拍攝的視頻、照片等數據，實現自動檢索和數據分類，建立高速公路管理大數據。通過大數據、云計算，實現數據的分析、比對，為高速公路各子行業的應用提供數據共享以及輔助決策。

4.5 模塊化掛載和應急救援功能開發

在事故現場與外界失去聯系的惡劣環境下，采用多架無人機自主組網，分別掛載照明、圖像、對講喊話、醫療救援物資等模塊進行現場協作救援，及時幫助指揮中心了解現場情況，建立救援對象與外界溝通的渠道，并為現場提供精準、快捷應急救援物資，形成一個整體的救援輔助系統。

5 結束語

隨著科學技術的飛速發展，如何更有效地提升高速公路科學管養效率，智能化提升運營管理服務水平，成為近年來高速公路行業一直探索的問題。利用無人機智能巡航系統，能為高速公路道路日常巡查信息采集及分析對比，以及應急施救的開發應用，不斷提升高速公路管理智能化的科技創新能力和水平。