5G+无人机_技术在高速公路巡检中的应用探索

DOI：10．13439月．cnki．jlsc．2023．11．们1 “5G+无人机"技术在高速公路巡检中的应用探索 权德强(甘肃紫光智能交通与控制技术有限公司，甘肃兰州7300IO) 摘要：随着无人机技术日趋成熟与5G网络的全面展开，“5G+无人机”方案在高速公路巡检工作中日渐体现出其便利性和应用价值，本文依托于银川机场高速智能交通诱导试点项目，对项目所使用的无人机平台和无人机远程管控系统及利用不同扩展模块实现对银川机场高速的日常巡 检、应急监测等服务进行了介绍，并对“5G+无人机”平台未来的应用场景进行了探索。 关键词：高速公路；无人机；5G；巡检 《宁夏交通运输信息化“十四五”发展规划》中提出了“现行平台作业范围有限、无法第一时间抵达现场的问题，做到常 有基础设施发展‘基本适应’的基础上‘适度超前’”，提出了态化的养护巡检及警务巡查，可以极大限度地降低对人员的依 “在完善银川绕城高速、机场至银川东路段机电设施的基础上构赖，更有利于高速公路管理决策，与现有业务信息平台打通实 建智慧高速安全诱导系统平台，同时引入5G技术应用”的要求。现高速公路信息的互通互联、深度融合，巡查与管制联动，辅 传统的养护巡检方式已经无法满足银川机场高速智能交通诱导试助指挥决策。点项目道路巡检的要求，随着小型无人机技术的日渐成熟，由无 人机平台搭载智能化监测、感知、广播等模块配合智能机库的无2‘5G+无人机。巡检平台 人机巡检系统已成为一种可行的巡检方案。为实现无人机自主巡检的目标，本方案采用软件和硬件相结合的综合管理平台，用于无人机的飞行控制及对无人机在巡检过 1’5G+无人机。巡检系统需求程中收集的数据进行处理。 银川机场高速地形条件复杂、道路范围内构造物多种多样，本方案是由无人机飞行平台、无人机智能机库、任务传感 异常情况的发生位置及发生方式常让人始料未及，传统的巡检方器、飞行大脑、无人机远程管控系统组成，运用高清AI图像识 式无法做到无死角覆盖，使道路养护管理及救援指挥困难重重。别、自主飞行、5G蜂窝联网技术等核心技术，实现无人机自主针对此类问题，本方案利用无人机飞行系统，搭载相关功能规划航迹、姿态、拍摄参数，获取高质量巡检数据。机载与云端 扩展模块，对复杂路段图像进行抓拍、广播，并通过网络将信息实时互动，对重点目标进行多维度数据收集，通过大数据投喂及 传至中心，在完善多样化视频采集手段的同时为管理养护及救援AI训练，不断提高识别诊断率，为后台提供优质、快捷的巡检 指挥提供灵活、可靠的保证和支撑。数据。 目前常用于电力、农业、环保等领域的无人机普遍使用点对目前，银川机场高速已完成5G无线基站信号覆盖，如图1所 点微波接力通信链路，为传统的单点控制的局域网模式，该模式示，实现飞行平台飞行控制信号由5G网络的无线信号替代，利用 要求基站与飞行平台必须通信，微波信号在传播时很容易受到外5G蜂窝联网技术的大带宽低时延的优势，配合无人机远程管控系 界的干扰，如建筑物、山脉、植被和天气因素都会影响传输的质统控制飞机飞行，如图2所示，并实现4K级别高清数据同步实时 量，而且微波接力通信链路的设备包括天线、收发器、调制器，传送及厘米级的无人机飞行姿态控制。解调器价格高昂且需要专业技术人员进行维护，不适用于高速 公路这种带状长线工作区域的覆盖。同时飞手成本高，控制精度 差，无法做到全工作区覆盖。 为解决以上问题，方案采用“5G+无人机”模式，利用银川机场高速已建成的5G无线基站，通过5G蜂窝联网技术实现控制平台对飞行系统的超视距调度与控制。在沿线设置智能机库即 可实现飞行系统的自动起降、模块更换、能源补给，解决了飞 万方数据 2023年第1l期(总第289期)I中国交通信息化i而ii五五而i忑五ii蕊97 帕／舟亟 2 且黼：髋帕糯粼露黼震㈣锵售即黼酋 通信网络望蠹旒麟氅齄雠嘟毒辫 自动机场向啭 受弼有信息资源的采集、存储、管理及外部数据的接入，为业务应用 数据资源层通过数据中心系统实现对无人机远程管控系统所 层提供数据上的支撑。 (3)业务应用层建设 2．1无人机飞行平台以空地一体化感知体系为支撑，以时空大数据为基础，构 无人机飞行平台采用D儿M300为基础打造的智能无人机，建路面巡查、日常养护巡查、协助应急、交通拥堵疏导、应急 最大载重2．7kg，空载续航55分钟，最大飞行速度82．8km／h，指挥、违停／违章取证、交通事故勘查、气象信息获取等的综合 搭配AI飞行大脑，可实现精准降落等多项AI飞行技能。将机应用。 体进行升级改造以对接智能机库，通过云台接口可挂载H20T(4)物联感知层建设 高清云台摄像机、MPl30S喊话器、Z15云台探照灯等功能扩物联网感知层主要基于无人机一物联网技术，将巡检所需的展模块。视频、正射影像、三维数据等通过无人机智能机库感知设备自主 2．2无人机智能机库进行数据更新，并可以实时获取所需数据。 无人机智能机库部署在高速公路沿线任务区域，负责无人机(5)服务接口设计思路 的存储、更换电池及地空通信，可实现无人机全天候自动起降、根据国家和行业相关规范，结合交通管理数据应用的实际能源补给、任务模块更换等功能，其覆盖作业半径可达5—8km，情况，制定平台服务接口标准规范，包括接口标准、服务的调用 接到起飞指令后3分钟即可实现无人机的挂载起飞，15分钟内即与注册规范、元数据标准规范、系统开发规范等，通过服务形 可抵达任务区域。式为委办单位提供规划成果服务。通过标准数据服务提供Web 2．3无人机远程管控系统serVice服务向数字指挥中心提供数据服务，也可以通过页面访问 无人机远程管控系统是一个覆盖无人机巡检业务、设备、资的方式实现数据的调用。 源、数据、成果全流程的一体化平台，由无人机自主飞行平台、2．3．2系统功能 数字交通可视化管控平台及相关算法服务调度组成。无人机远程管控系统采用端到端运营管理服务，满足无人机2．3．1系统架构可看可管的监管要求，能够实现无人机全自主巡检。该服务配备 无人机远程管控系统架构提供了飞行服务、道路巡检和可视了空域管理、飞行监视、作业管理、载荷管理、用户服务等通用 化指挥三大核心业务应用，覆盖了飞行前准备、飞行控制、数据能力，并提供养护巡检、应急保障、培训认证、信息库、飞手管 采集、飞行后数据处理4个核心业务流程，实现全流程的全自动理等行业应用，如图4所示。 化闭环能力。系统架构如图3所示。通过覆盖飞行前准备、飞行中数据采集、飞行后数据分析的 整套系统包含五个层面的建设内容。端到端场景，实现全自动化的应用落地。运用创新的管理模式， (1)基础设施层建设对无人机智能巡检设备以及巡检人员进行智能化立体协同管控， 基础设施层是无人机远程管控系统运行的软硬件底层环境，可实现以下功能： 包括机房、服务器、存储设备、网络设备、感知设备等基础硬件(1)空域管理 设施。基础设施主要包括计算中心、存储、网络安全及其他相关①按条件(如省市、关键地标、占用情况、空域属性等)查资源，为业务应用系统提供基础设施及底层环境。询空域及状态属性； (2)数据支撑层建设②按固定格式创建空域使用申请，在政策允许下直接通过电 ①对无人机的设备信息进行创建、编辑、查看和维护； ②对载荷的设备信息进行创建、编辑、查看和维护。(6)用户服务 ①通过在线申请、邀请码、批量创建等方式新建账号，并对 账号信息进行维护； ②对用户或组织功能权限使用范围配置； ③对用户或组织数据使用范围配置； ④对组织属性进行管理维护，用户可归属于某个组织。(7)个人系统 在Web端进行用户意见反馈；对个人信息进行编辑维护。 (8)审核系统 为系统功能提供审批流程配置，如审批层级、审批节点、审批人以及各节点要求的字段和附件。 子流提交到审批单位，或通过一键导出方式打印纸质申请材料。3’5G+无人机’巡检作业 (2)飞行监视3．1作业流程 ①呈现与当前账号权限匹配的所有在线无人机的信息快照和无人机智能化自主巡检系统从计划任务、巡检任务下发、目当日作业数据，如地图设备标记、统计数据等；标要素智能识别、数据分析处理等方面对无人机的巡检作业进行 ②对当前无人机的全景实时状态、实时载荷回传数据进行实时监管，实现无人机巡检作业的规范化、流程化、精细化、保展现；障无人机作业的合法化、合规化，为高速公路的巡检工作提供决 ③在单机监视界面提供虚拟摇杆按钮，对当前无人机进行飞策支持。 行控制以及控制权切换；(1)用户通过客户端(PC)在三维或平面图上进行任 ④在单机监视界面提供虚拟操作按钮，对当前无人机挂载的务规划； 载荷设备进行控制(如云台的旋转、对焦、拍照、摄影，喊话器(2)无人机远程管控平台收到任务并通过有线或5G方式下播放喊话内容等)。发到智能机库； (3)航线管理(3)无人机在机库内接收任务信息后自动起飞按照规划航 ①通过手机端App完成飞行航线规划，通过实际操控无人机线飞行，电量不足时自行返回机库更换电池； 飞行，并在关键位置进行打点记录；(4)无人机搭载AI芯片、GPS定位模块、搭载机载设备实 ②完成飞行后可将关键路径点位导人平台并在Web端查看和时监测各项参数； 二次编辑；(5)无人机返回机库后自动将飞行过程中采集的监测数据 ③在Web端以地图为界面进行飞行线路和关键点位规划，并传回服务器； 支持配置每个点位的无人机和载荷动作设定。(6)服务器提供AI智能分析服务并以可视化的二维网格或 (4)作业管理三维图形叠加到二三维管理平台上进行呈现和辅助分析。 ①根据航线为无人机创建飞行作业，支持一次或多次作业执3．2作业模式 行，并根据业务需要进行作业审批；高速监管无人机作业主要分为日常巡检和应急监测。 ②按条件(如时间、人员、名称等)查询已创建的作业及其3．2．1日常巡检 状态；要求：周期性巡检，无人机航线基本固定。 ③对已执行的单次作业进行轨迹、态势、载荷数据的回放，日常巡检包括和快速巡检和精细化巡检。 是程控飞行、飞手飞行(实操、微操)数据回放的唯一渠道；(1)快速巡检是利用无人机平台搭载可见光、红外等载荷设 ④对作业报告模板进行设计和管理，在作业执行后自动填入备，对高速路面沿线及附属设施进行扫描检查，实时视频回传。 相关数据(如作业基础信息、轨迹信息以及A1分析结果等)。(2)精细化巡检是利用无人机平台搭载可见光、红外等载 (5)设备管理荷设备，对高速路面沿线及附属设施进行特定目标跟踪拍摄，其 巡检作业速度相对较低。4．4行人穿越感知 根据巡检对象及无人机系统配置，在上述巡检作业速度的要行人非法穿越一直是高速安全治理的痛点，传统的固定监求下，形成精细化巡检和快速巡检两方面的应用场景。控无法做到面面俱到、无死角，很容易被行人钻空子，且一旦发 3．2．2应急监测现穿越事件后，无法有效及时处理。无人机在空中进行常态化巡 发生交通事故或者其他高速公路灾难时，无人机先抵达现场逻，多角度拍摄、位置随时调整，结合图像识别功能和喊话装置进行环境信息的收集，为灾后处置人员提供更多决策依据。可实现在发现异常穿越行为时立即进行广播提醒，立体化的防控 要求：一次性实时响应监测，航线根据情况设定。措施将有效遏制行人穿越行为的发生。飞行方式：无人机飞行平台在飞行中全程进行自主拍摄，4．5路况巡检 通过AI飞行大脑的控制可实现拍摄角度的优化，优先顺光，尽本巡检需求可以制定巡检周期，保证每日四次以上，特殊情 可能避免逆光拍摄，如遇较强气流，则调整飞行姿态，保持逆况下可以不间断巡检作业。 风飞行。在重点防控区域部署全自动飞行系统，使用无人机携带大疆 数据传输及处理：视频实时传输，对于影像飞行结束后，数H20T23倍光学变焦高清摄像云台，对巡检范围内的人员车辆 据远程自动回传再进行快速处理，以满足应急需求。密集地、事故高发地等进行日常巡检。通过云平台对无人机拍 摄画面实时分析处理，匹配到异常场景时(嫌疑人员、嫌疑车 4。5G+无人机’应用场景探索辆、交通违章等)，分析违章对象及违章行为，确认违章事实后 4．1日常高速养