數字經濟下的高速公路路網無人巡檢模式研究及實踐

單華偉

(哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 引 言

2021年12月國務院發布《“十四五”數字經濟發展規劃》，要求加快推進能源、交通運輸、水利、物流、環保等領域基礎設施數字化改造[1]。同時，交通運輸部發布《關于加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》要求，利用無人機等移動手段，開展路網大數據收集和綜合管理，提升數據采集、傳輸、存儲、分析、運用能力。以北斗高精度定位技術為基礎，結合數字經濟下對于交通運輸等領域的基礎設施數字化改造要求，開展基于北斗高精度定位的高速公路路網無人巡檢模式研究，結合實際環境應用條件對境內高速、國道、省道、縣道和鄉村道路等開展例行常規巡查和重點區域詳查監測，為智能化、高效化、便捷化的道路運輸監管提供支撐。

2 北斗無人路網巡檢模式

2.1 北斗衛星導航系統

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

同時，北斗三號實現了導航定位與通信和增強服務的融合設計，在導航定位之外還提供了星基增強、精密定位信息播發、區域短報文通信、全球短報文通信和國際搜救共6類服務。其中，導航定位、全球短報文、國際搜救3類服務覆蓋全球，星基增強、區域短報文通信和精密定位信息播發服務3類服務覆蓋中國及周邊地區。

2.2 北斗無人路網巡檢系統架構設計

依照北斗導航定位系統特點及路網養護需求分析，結合路網信息化建設中巡路查特點，基于北斗的無人路網巡檢系統總體可劃分為交通監管平臺、無人值守多旋翼數據采集、垂直起降無人機數據采集、道路巡查移動平臺四個部分[3]。整體架構如下。

圖1 北斗無人路網巡檢系統架構圖

(1)交通監管平臺部分，包括平臺運行的基礎硬件設施、基礎軟件、數據庫管理和道路巡查基礎數據處理。

(2)無人值守無人機：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，在巡查內容上劃分為精細化巡查與長線路道路巡查。

(3)移動端：查看部分包括現場巡查大隊手持數據回傳與查看終端。

(4)網絡通信基礎部分:依靠4G/5G通信實現視頻、遙測等數據傳輸，實現前方道路與后方平臺的數據傳輸與狀態監控。

(5)業務深化應用部分，包括道路巡查業務應用、對外公共應用，依據層次化、模塊化設計理念，后期可為交通道路巡查監管部門提供道路業務綜合監管等接口服務。

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，分別為常規巡視、重點巡視、定點監控、應急監控和移動監測，無人機日常自動巡視可以有效發現路面裂痕、塌陷、路基損毀、掉落物、事故擁堵、交通設施等情況，并可通過定點監測發現違章車輛并通過遠程喊話進行遠程指揮，具體如下所示。

(1)北斗無人機常規巡視

北斗無人機常規巡視模式面向常態化巡視監測需求，選取常規巡視路段通過飛機作業半徑和實際地理、環境情況布設一定數量的系統，通過一站多機控制模式完成整條道路的常規巡視工作[4]。

表1 常規巡視經濟巡檢指標

圖2 無人值守無人機常規巡視布設示意圖

(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、事故多發地或易擁堵的區域及路段的重點巡視需求開展涉及，主要是在無人機續航里程內通過合理規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過每個岔口，并在中間懸停來觀測路況。無人機在重點區域布設數量需要結合巡檢頻次來考慮停機艙/停機坪的選擇。

針對重點區域，無人機單次巡檢時間為0.5 h，其中懸停時間5～8 min，作業間隔為2 h，作業航程最大16 km，當重點巡視區域航程超過無人機最大作業航程或要求巡視間隔時間小于2 h時，可選擇在重點區域布設多套無人值守無人機智能巡檢系統。

圖3 無人值守無人機重點區域布設示意圖

(3)北斗無人機應急監控模式

北斗無人機應急監控模式重點針對道路內出現的交通事故、人員傷亡、交通擁堵、塌陷、拋棄物等應急事件的應急監測應用模式，應急監測位置為隨機事件，當需要應急的時候只需給出應急監測位置，無人機即可由當前位置按直線快速抵達應急點進行應急監測、指揮。

圖4 無人值守無人機應急監測示意圖

在應急監測應用模式下，后臺控制中心可以任意調配距離事發地點最近的無人值守無人機(且距離小于無人值守無人機作業半徑)直接飛往目標點，并進行觀測。

(4)北斗無人機定點監控模式

北斗無人機定點監控模式是根據在常規、重點巡視過程中的發現異常情況或需要詳細監測的區域而進行定點監控的應用模式，定點監控無人機在既定飛行航跡范圍內，可進行短距離的位置、無人機飛行高度、監控方向和變焦等操控，可以實現精細化詳查。

(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部，通過車輛運輸無人機至指定區域進行飛行巡視，通過無人機系統對無人機進行操控，以實現無人機的動態監測應用。

3 北斗無人路網巡檢模式實踐應用

為對速公路路網無人巡檢模式及系統的功能、性能進行驗證，選取黑龍江省某省級公路開展應用示范建設，累計開展無人路網巡護37架次，初步實現了基于無人機的動態監測應用、養護決策及路網指揮調度，具體說明如下。

3.1 高速路網狀態采集

采用常規巡護模式及重點巡視模式對路網狀態進行信息監控采集，實現了公路路網路面裂痕、塌陷、路基損毀、掉落物、事故擁堵、交通設施等情況的采集，通過該模式改變以往單純依靠人員及巡護車輛對路面進行養護信息采集及擁堵調查的模式，巡查成本可節省75%以上。

3.2 高速路網養護決策

采用應急監控模式輔以定點監控模式對事發地點、事件進行快速排查，輔以現場情況研判，實現公路路網塌陷、擁堵、違停等問題的綜合處理，提升路網養護決策效率60%以上并極大降低了由于擁堵、事故導致的二次事故發生。

3.3 高速路網指揮調度

依托北斗無人機動巡視模式進行高速路網動態指揮調度，對偶發性事故或異常擁堵、阻塞情況進行詳查，并可通過遠程喊話系統實時進行指揮，提升偶發性事故處置效率70%以上。

4 結 語

隨著數字經濟發展規劃及交通強國戰略的穩步推進，對精細化、智能化的路網養護應用需求將愈發迫切，對路網無人巡檢模式的應用系統將愈發細致，本文通過以北斗高精度定位技術構建無路網無任何巡護模式并開展探究應用，對后續交通強國戰略及交通領域的基礎設施數字化改造具備一定指導意義。