基于5G網聯無人機的智慧巡防應用研究*

于海洋，董石磊，張學智

(中國電信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

當下的社會環境，龐大的人流、物流、資金流等高速流動，新冠疫情防控持續不能松懈，社會治安要素的動態管控難度加大，僅靠傳統警務模式、方法和手段管理已不能滿足需求[1]。公安機關迫切需要利用AI識別、視頻監控、無人機追蹤等各類新興信息化手段和技術開展動態、立體、智慧巡防[2]。

近年來，無人機市場規模增長迅速，在多行業、多領域得到重要應用。在警務巡防領域，5G使能網聯無人機技術，以最小的延遲傳輸大量的數據[3]。本文介紹了基于5G網聯無人機智慧巡防解決方案，通過5G網絡使現場情報的獲取和傳輸更清晰、流暢，使指揮中心和現場作戰協同更加實時精準。基于無人機高分辨率影像的人臉識別，加速疑犯的識別效率，提升識別精度。在疫情防控方面，及時發現人員聚集、未佩戴口罩等風險因素。

1 無人機巡防技術應用現狀及趨勢分析

1.1 無人機巡防技術應用現狀

無人機，全稱為無人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是通過無線遙控或內設的智能控件進行操控，利用機內嵌入式系統及配件與遠程信息平臺構建數據鏈，實現信息實時交互的不載人飛行器[4]。在偵查巡防工作中，無人機的微型化形態、全景式監視以及高空動態長航時使之成為各地公安機關關注的重點，可以協助完成處置突發群體事件、打擊違法犯罪、交通管理巡控、安保維穩、搶險救災救援、地理信息采集等任務[5]。公安部部長郭聲琨提出：“加快警航事業發展，以適應新型安全需要，生成新的戰斗力。”巡防應用實踐中已有眾多警用無人機協助警務機關偵破案件，無人機偵查儼然成為巡防工作發展趨向之一[6]。

1.2 無人機巡防面臨問題及需求

當前大多數無人機主要采用點對點遙控操控和自主導航飛行，自主導航飛行是按照事先規劃的路徑自主飛行，飛行過程中不能隨時靈活地調整飛行軌跡和角度；點對點遙控操控方式采用類似Wi-Fi或藍牙通信，其控制距離只有幾百米到幾公里，大大限制了無人機的應用空間。同時，無人機實時無線數據傳輸最大可支持1080P視頻傳輸，傳輸距離有限且易受障礙物影響，無法實現無人機載荷數據遠距高質量的實時回傳。上述弊端一定程度上制約了無人機在治安巡防中的應用效率和質量[7]。

因此，無人機與移動通信跨界融合的需求與趨勢明顯，通過接入低空移動通信網絡，實現無人機的網聯。無人機與移動通信融合，從而實現無人機飛行狀態的實時監管、無人機遠程實時操控以及載荷數據遠距離高精度的實時回傳是目前無人機巡防應用的重要需求[8]。

2 5G網聯無人機的智慧巡防解決方案

新一代蜂窩移動通信網絡5G具備超高帶寬、低時延高可靠、廣覆蓋大連接特性，基于5G網絡實現無人機網聯，能夠賦予無人機實時超高清圖傳、遠程低時延控制等重要能力[9]。在日常巡防中，警務人員根據接警情況或經驗，通過5G控制無人機快速到達指定地點進行現場布控，通過無人機現場拍攝的高清視頻、熱成像、音頻進行現場取證，把實時情況回傳給地面設備或監控大廳等，為指揮人員決策提供依據；通過結合AI識別技術實現敏感信息自動提取與報警，提升巡防效率和精度，助力實現智慧巡防。

2.1 方案架構

本文提出的網聯無人機智慧巡防解決方案如圖1所示。基于5G網絡、邊緣計算以及AI智能算法，整體技術方案采用云邊協同的架構部署，云端獲取到的信息更加全面，算法統一易于升級，主要功能包括運營及業務管理、AI訓練等綜合業務。將內容應用及業務能力按需下沉到邊端，高清大數據不需繞經核心網即可實現智能分析，保證業務低時延響應，主要部署實時飛行控制、AI實時分析等功能[10]。無人機及其載荷設備通過5G機載專用通信終端接入5G網絡。

圖1 5G網聯無人機智慧巡防解決方案

方案架構如圖2所示，主要包含接入層、數據層、支撐層以及業務應用層。其中，接入層主要包括無人機硬件、機巢、載荷設備及網絡通信硬件設備等，接入層設備通過機載專用通信終端接入5G網絡；數據層主要是數據庫資源的記錄，包括資源設備數據、系統日志、業務數據等；支撐層主要包括用戶權限管理、圖像分析、AI識別算法、數據接口等；應用層主要包括面向無人機的任務規劃及飛行控制，面向巡防業務應用的AI自動識別等。

圖2 5G網聯無人機智慧巡防方案架構

2.2 方案特色功能規劃

2.2.1 高清視頻實時回傳

通過機載通信終端進行任務載荷視頻傳輸，依托5G高速網絡、機載硬件編碼器、智能流媒體管理等技術，實現4K視頻的高速傳輸，同時通過網絡實現對攝像頭的操控，將圖像接入流媒體服務器。

2.2.2 無人機航線規劃

通過設置起飛點、降落點、途徑點的方式調用航線規劃服務，直觀展示航線規劃結果；還可以通過繪制固定任務區域，實現固定區域的覆蓋飛行航線，以滿足區域飛行監視覆蓋的航線規劃需求。飛行航線規劃可接入高精度地形數據、任務區高精度建筑等障礙信息數據、地貌特征數據、飛行器飛行性能等約束條件，以仿真環境對規劃結果實現動態安全評估。

2.2.3 無人機超視距控制

1) 當政策模糊性低、沖突程度也低的情況下，選用行政性實行。 該模式的支配要素為“資源”，資源越多，行政性實行越有保障。 實行的過程好比一臺機器，呈現出垂直方式，最頂端是中央權威機構，信息自上而下傳遞給實行層。 較低程度的模糊性意味著政策的實行者目標十分明確。

無人飛行器加裝5G專用通信終端，融合主流無人機飛控系統，集成多種型號的無人飛行器遠程指揮控制能力。基于5G移動運營商網絡的低時延載荷圖傳技術等多種優勢，實現超視距指揮控制無人飛行器的功能，通過統一指揮平臺實現對接入系統的全國范圍內的無人機的指揮和控制。

2.2.4 無人機狀態監控和預警

根據無人機設備的唯一標識，查詢無人機設備當前的狀態是處于在線狀態；展示無人機飛行信息，如：經度、緯度、高度、機頭方向、偏航角、俯仰角、滾轉角等信息。如有異常會通過高亮提示進行異常預警，提醒工作人員查看無人機設備的狀態。

2.2.5 智慧巡防

針對無人機低空飛行獲取的影像特征，優化低空傾斜視角下人臉識別算法，結合城市常規巡防與疫情防控需求，對人物是否佩戴口罩進行預警，即使在人物佩戴口罩的情況下也能實現人物識別與跟蹤，提高智能巡防的魯棒性[11]。

基于5G邊緣計算，基于視頻圖像的AI識別服務采用邊緣側部署，大數據量的高清視頻不需繞經核心網等路徑，能夠大大降低時延，提高系統處理效率，實現視角內多人物的實時識別、快速鎖定與跟蹤。

3 關鍵技術及特點

本文所述方案中，所涉及的技術主要包括無人機網聯技術、5G邊緣計算技術以及基于低空影像的AI識別技術。

3.1 無人機網聯技術

通信鏈路是無人機實現飛行控制、狀態監控以及載荷數據回傳的必要條件。上行通信鏈路負責地面站到無人機的遙控指令的發送和接收，下行通信鏈路主要負責無人機到地面站的遙測數據、載荷數據等的發送和接收[12]。5G網絡的大帶寬、低時延、高可靠等特點能夠有效滿足行業無人機的高清圖傳、精細定位、實時控制等需求[13]。通過集成5G通信模組，并對接無人機的飛行控制及圖傳系統，構建無人機機載5G通信終端，實現通信鏈路切換。基于唯一的標識碼，網聯無人機控制管理平臺完成通信終端的鑒權認證和接入管理，實現無人機的接入控制、載荷上傳、狀態監控等超視距、低時延、大數據量的5G網聯應用。

3.2 5G邊緣計算技術

網聯無人機的實時控制、載荷數據的實時回傳與AI解析等應用需要低時延、大帶寬的穩定帶寬保障。通過5G網絡及云邊協同設置的分流策略，將大流量、低時延業務本地化部署，載荷數據的上傳與解析可直接通過基站經UPF到達MEC節點智能分析模塊，不需經過核心網，從而減少數據傳輸的節點來降低網絡時延[14]。實現快速的AI計算分析，將分析結果及壓縮后的影像數據上傳云端指揮決策系統，降低網絡帶寬壓力，降低結果反饋時延。

3.3 低空影像AI識別技術

利用無人機進行治安巡防，借助于無人機飛行空中視角、飛行速度高的特點，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，傳統的人臉識別算法多適用于為正視角度下圖像識別，對于低空無人機傾斜視角下影像特征，需針對性地優化人臉識別算法，提高識別準確率[15]。

基于無人機平臺，利用高清攝像機獲取人臉影像并提取人臉特征，將檢測到的特征信息利用多分類邏輯回歸算法等進行訓練，得到AI訓練模型，可基于低空傾斜視角下AI識別模型進行智慧巡防應用。

4 實踐與應用

基于本文技術方案研發了一套網聯無人機智慧巡防系統，并成功在中國電信研究院北京園區開展了應用實踐。中國電信研究院北京園區現有一棟辦公用樓宇在建，為監督建設單位疫情防控措施落實情況，基于5G網聯無人機在施工工地開展了智能巡防應用，對于工地附近人員是否佩戴口罩等進行實時監測，對發現未佩戴口罩的行為及時上報，如圖3所示。

圖3 是否佩戴口罩狀態實時監測

經實際應用驗證，系統對于是否佩戴口罩的識別率在95%以上，且能夠在人員佩戴口罩的情況下對其身份、年齡進行識別，對于陌生人進入園區、是否越界等行為能夠進行進一步防范，達到了預期應用效果。

5 結論

本文探討了基于5G網聯無人機的智慧巡防解決方案，基于5G網絡實現無人機超視距操控和高清載荷實時回傳，大大拓展了無人機應用空間；在線規劃無人機飛行路徑，大大降低了無人機的操控難度；基于高清影像的AI識別，增強了治安巡防的效率，擠壓違法犯罪空間。在疫情防控中，便于及時發現隱患，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險。