吴勤峰

(福建罗宁高速公路有限公司，福建 福州 350600)

截至2020年，我国高速公路通车里程已经超过12.5万公里，位居世界首位，福建省高速公路里程已超6000公里。随着高速公路通车里程的递增，对管养、维护、应急施救等科学管养的专业化、智能化要求越来越高，采用传统的人工巡查方式对路面信息的采集，存在工作效率低、系统集成度低、各专业协同性差等困难。近年来，研发应用无人机技术来解决高速公路管理上的难点、痛点问题，取得了一定的突破，研发的高速公路无人机自动巡航系统于2018年和2019年两次参加中国·海峡项目成果交易会，受到广泛好评，获得福建省总工会“五小创新”奖。本文就无人机的应用背景、系统实施、解决问题、深度应用、前景展望等方面进行阐述。

1 应用背景及自动巡航需求

近年来，无人机技术在消费市场发展迅猛，相关技术在行业领域持续发力，以其机动灵活、高效经济、安全稳定、视角广等优势，被越来越多的行业重视应用。特别是电力、交通、农业等已经具有一定的规模。

目前市面上无人机普遍采用的是操作者地面遥控飞行的模式，此模式能在一定程度上提高工效，但在高速公路上应用存在以下突出的缺点：对操作者技术要求高；安全风险大；遇道路转弯或者山体、建筑物阻挡等情况影响遥控传输距离；紧急情况下需要操作者先就位才能进行拍摄；控制距离短导致指挥中心难以获取实时现场信息等。这种无人机在应用本质上还是“有人机”，局限性较大。

为此，在高速公路上我们需要的自动巡航系统，是能实现远程通信、路径规划自动巡检、定点自动起降、监控后台远程控制、实时图传等功能的系统，为管理者提供精准、快捷的决策依据。

2 自动巡航系统研发实施

从2016年起，探索研发了无人机在高速公路管养应用的自动巡航系统。

2.1 实施目标

①无需专业飞手操控，实现定时巡航及应急飞行。

②多路径选择，包括日常巡航、高边坡巡查、桥梁巡查、护栏及隔离栅巡查等路径。

③自动巡航，可实现应急情况下，后台远程操控，包括悬停、云台球基调整等。

④后台录像回传，包括实时画面回传至路段及集团中控室。

⑤飞行数据后台分析比对，判别异常情况，并发送信息至相关业务部门，信息内容包括位置、图片、时间等。

2.2 关键技术

2.2.1 飞行平台

针对高速公路巡检的实际需求，本项目以歌尔泰克研发的GT1无人机飞行平台为例(图1)。无人机基本参数：

图1 GT1六旋翼无人机

尺寸：945mm×813mm×508mm

空载净重：5.6kg

最大航时：45分钟

最大飞行高度：122m(可开放至1000m)

最高时速：60km/h

巡检高度：60m(通过变焦可清晰拍摄车牌)

巡检速度：21km/h

抗干扰：在中国电科院射频电磁场辐射抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、脉冲磁场抗扰度试验和工频磁场抗扰度中试验结果达到A级水平。

抗风等级：5级

防护等级：IP54(防护灰尘、防护喷水)

载重：1kg

摄像云台：36倍光学变焦，1400万像素，三轴增稳防抖动。

支持净空通视条件下的5km高清图传，飞控、GPS、气压计等关键芯片和部件双冗余备份。机臂可折叠，便于携带。

图2 高倍光学变焦自稳云台图

2.2.2 通讯网络

高速公路覆盖的4G网络存在传输延时较高、信号强度不稳定等，不利于远程实时操控和影像回传。为此，我们结合利用高速公路已有的监控杆、电源和高速公路光纤等通讯资源，在公司楼顶及巡航路段等关键区域布局安装若干个无人机地面基站，建设无人机远程通信专用网络，采用无线与有线结合的方式，通过光信号、电信号、射频信号之间的相互转换实现无人机远程通信和远程操控。

2.2.3 相邻基站自动切换

当无人机通过相邻基站时，自主检测GPS位置、相邻基站的通信质量、误码率、延时等实时数据，分析并选择地面基站进行数据对话，提前建立通信链路，确保无人机在运行过程中远程控制和影像传输的平滑切换。

图3 通信和传输拓扑结构图

2.2.4 地面基站主要技术指标

工作频段：1430MHz～1444MHz；工信部授权的无人机公共网段。

覆盖范围：理想视通条件下半径5km，一般实际应用半径3km。

最大接入机组数量：5台。

通信方式：双向TDD。

用户净速率：下行不小于10Mbps,上行不小于250kbps。

图像：采用H264对视频流进行压缩编码，飞机内的TF卡采用的是MOV格式存储。无线链路传输的图像比特率大概是10Mbps，后台存储格式为AVI。

数传延时：不大于30ms。

丢包率：5×10-5/-86dBm。

基站切换时间：不大于100ms。

2.2.5 精准起降平台

为了实现高速公路无人机应用的全自动，必须建设自动起降平台。该平台一般位于控制中心大楼楼顶，为一个边长4m×4m的正方形防腐木台，通过红外定位及图像识别技术，以便实现无人机小于50cm精度范围内的全自动起降。

2.2.6 低空数字化巡航线路

实现无人机的全自动巡检，应进行无人机航线规划，能够在飞行过程中自由进行镜头缩放及云台角度、变焦倍数的调整，可随时暂停执行悬停、微操平移等动作，进行指定目标的抓拍。目前暂时采用预设航点方式，在飞行过程中按航点顺序执行航线，并在实施中进一步优化，使无人机灵活地在区域范围内任意航点间飞行。

2.2.7 后台操作系统建设

必须编制一套飞控软件，以对无人机巡检情况进行统一监控和后台调度，并将飞控系统安装在监控中心大厅，通过后台(监控室)实现了无人机实时控制、图像和视频的实时观看、图像和视频的存储以及图像实时投屏到监控大屏等，实现日常监管及应急施救功能。

3 应用情况

根据前期研发建设和应用情况，无人机应用系统能实现多种巡检功能。

3.1 综合路面情况巡检

利用无人机进行综合路面情况的全景巡检，并且可以通过摄像头的悬停放大识别路面裂缝，车辆牌照等有关信息。

3.2 高边坡、桥梁等险峻地形的建筑结构巡检

相关养护和机电部门可以利用无人机，对边坡、高位水池、桥梁、收费大棚等固定设施，以及情报板等机电设施进行巡检和处置。

3.3 执法情况巡检

路政部门可以利用无人机对高速公路路面和道路两侧红线内的违法情况进行巡检，及时获取路产设施维护信息。

3.4 广告牌、路牌标志等巡检

管理部门可以利用无人机对广告牌、路牌标志等进行巡检和处置。

3.5 突发情况巡检

在突发拥堵和交通事故等情况下，可以第一时间起飞无人机至指定区域，进行突发状况巡查，及时把现场情况传输至指挥中心。

4 应用前景展望

目前，无人机自动巡航系统的第一阶段研发成果已在福建罗宁高速公路上得到不断地应用和优化，并取得了突破性成效。随着无人机技术提升和北斗导航技术的推广，高速公路无人机场景和工况的应用至少在以下方向具有研发潜力。

4.1 路径自动规划与地形跟踪功能拓展

研究无人机航线数字化与飞行路径的自动规划，实现数字化电子地图，开展无人机地图作业，使无人机飞行轨迹能随着地形起伏保持和地面的固定高度。

4.2 不间断巡航方式研究

研究自动收纳的起降方舱，无人机起飞和降落前方舱自动开启，无人机入舱后方舱自动关闭，并进行自动充电或自动更换电池，实现不间断巡航。

4.3 长航时、高机动性飞行平台搭建

继续探索新型的无人机飞行平台，如采用了氢能源电池的长航时无人机，或兼具长航时和机动性的可倾转旋翼无人机。

4.4 数据库建立与信息共享功能

对无人机巡检过程中拍摄的视频、照片等数据，实现自动检索和数据分类，建立高速公路管理大数据。通过大数据、云计算，实现数据的分析、比对，为高速公路各子行业的应用提供数据共享以及辅助决策。

4.5 模块化挂载和应急救援功能开发

在事故现场与外界失去联系的恶劣环境下，采用多架无人机自主组网，分别挂载照明、图像、对讲喊话、医疗救援物资等模块进行现场协作救援，及时帮助指挥中心了解现场情况，建立救援对象与外界沟通的渠道，并为现场提供精准、快捷应急救援物资，形成一个整体的救援辅助系统。

5 结束语

随着科学技术的飞速发展，如何更有效地提升高速公路科学管养效率，智能化提升运营管理服务水平，成为近年来高速公路行业一直探索的问题。利用无人机智能巡航系统，能为高速公路道路日常巡查信息采集及分析对比，以及应急施救的开发应用，不断提升高速公路管理智能化的科技创新能力和水平。