无人机高速公路巡检和应急指挥解决方案-

无人机高速公路巡检和应急指挥解决方案V1.12017年7月一.概述1.行业背景从交通运输信息化“十三五”发展规划来看，十三五时期，全球信息技术革命持续迅猛发展，互联网+和大数据上升为国家战略，互联网成为交通运输的重要基础设施，智慧化成为交通运输系统的显著特征，对行业治理体系和服务模式产生广泛而深刻的影响，行业信息化发展面临前所未有的重大机遇。建设国内国际通道联通、区域城乡覆盖广泛、枢纽节点功能完善、运输服务一体高效的综合交通运输体系，对交通运输信息化提出了新的要求从《规划》中看，形式要求中指出，全面深化改革和推进法治建设，要求以信息化促进行业治理能力现代化，从总体思路来看，要坚持全面贯彻党的十八大和十八届三中、四中、五中全会精神，围绕加快“四个交通”建设和“十三五”期交通运输发展的主要任务，坚持需求和问题导向，注重统筹开放、融合创新，大力推进智慧交通建设，不断提高交通运输信息化发展水平的指导思想，遵守自主创新，安全可控的基本原则，实现发展环境协调高效的目标。从主要任务来看，需要实施“互联网+”便捷交通、提高行业运行监测能力、提高行业协同执法能力、提升交通决策支持能力、强化政务管理服务效能、加强高新技术创新应用。2.行业现状目前的道路监控系统架构在不断完善，视频分辨率从标清到高清，监控点位越来越多，监控死角越来越少，极大的提高了高速的运营维护能力，但是在发展过程中也存在不少的困难与挑战。主要体现在以下一些方面：1)耗：耗时耗力在日常工作中路政人员在进行一些人员无法直接到达的地方进行信息采集的时候，不仅困难重重，而且异常的耗时耗力；2)多：事故处理困难多事故发生后，交通出现大面积的拥堵，事故处理车辆第一时间进入事故现场比较困难；当出现人员受伤情况，往往救援人员赶到现场后，由于出勤紧急，一些救援药品物资却没有及时的到达现场，救援物资送进救援现场困难；由于高速上的视频监控点都是固定位置，造成肇事车辆持续近距离跟踪难；3)低：巡检工作量大，效率低目前高速公路采用人工的路面巡检工作，不仅工作量大，费时费力，而且效率也比较低。4)险：恶劣条件危及人身安全在遇到地震、洪灾、海啸、暴雪等自然灾害时，地面交通全部瘫痪，有人驾驶飞机和直升机进入会危及人员的人身安全，在日常工作中路政人员对桥梁下、隧道内、边坡、危涯的信息的采集不仅困难，而且时刻存在危及人身安全的情况。随着我国现代通信的发展和技术的不断提升，特别是在4G网络的飞速发展过程中，移动通信网络的发展更是不断取得了新的进步和发展。网络速度能够达到无人机运行要求，“无人机”凭借其强大的机动性、监控范围广、效率高、经济实用高效等独特的优势，在面对上述的问题时，有其独特的解决办法帮助高速人员快速准确的了解现场的事故情况，配合保障车进入现场处理事故，提高事故的处理效率，减少因事故造成的生命与财产的损失。3.无人机系统概述通过在无人机上搭载高清摄像头和音频模块以及4G传输模块，将无人机投放到高速公路上，进行实时的视频和音频的数据传输到控制端，再通过4G智慧协同路由将视频和音频数据传回到现有的视频监控中心，实现机动灵活的视频监控方式，对高速路上的日常路况监控，应急事件处置，信息采集都有着比传统方式方便快捷的操作模式，提高了工作效率，加强了执法人员的人身安全。4.无人机应用优势与传统高速公路养护与应急处理手段相比较,无人机系统具有如下优点｡1)成本低廉,影像获取快捷方便｡小型无人机和超轻型无人机价格便宜,大多价值几万元,单反相机加上光学镜头数万元左右;且日常维护相对简单,使得图像数据的获取成本大大降低。2)机动性强,工作连续性好。可随时随地部署到各种环境中,迅速进行数据采集作业,并可根据实际需要挂载多种负载,例如可以挂载高清摄像头,对重要区域进行连续的观测,甚至可以通过数据链将实时的影像数据传送回总部或在现场实时监测,同时根据需求调度飞机进行数据采集部位的调整｡3)时效性强数据采集完毕后现场就可以对数据进行粗略检视,对重点部位可以进行重复观测,可快速有效监测道路状态实际情况｡4)不受气象､地理条件的影响一般无人机巡查适应激烈的机动和恶劣的环境,更适于执行特殊时期危险性高的任务;和有人飞机､直升机相比,受阴､雨､雾等天气的限制要小得多,而且弥补了卫星遥感受云层遮挡无法获得影像的缺陷｡5)抗干扰能力强利用具有6万多种跳频序列的工业级数字电台作为控制器，保证了在复杂的无线环境中，地面站对无人机飞行的绝对控制。6)工业级可靠性在6级风力的情况下可正常工作。时速达到120KM时，8M视频传输稳定。机身防水设计，保证小雨天气正常使用。7)视频传输能力强无人机利用微波技术作为视频图像传输通道，能达7-10KM的控制覆盖半径，非常适合于环境复杂、监控范围广的任务。8)无缝对接视频监控系统无人机视频监控协议是按照视频监控国家标准（GB/T28181-2011）研制，确保无人机视频无缝对接标准视频监控系统。二.应用场景在现代社会中科技的进步和发展的过程中，无人机不再只局限于军事的领域，而是在发展的过程中，由于技术的不断提升和无人机的小巧、方便，也被逐渐应用在了交通领域和其他各个领域中。尤其在交通行业中，无人机的使用有其不可替代的优势。其中集中比较典型的应用如下所示。2.1交通拥堵疏导通过在无人机上搭载高清摄像头和无线喊话系统，在高速公路交通拥堵的地方进行远程交通疏导，快速高效的解决交通拥堵问题。2.2交通事故精确定位利用无人机的高度的灵活性，当高速公路发生交通事故时，无人机可以快速的飞到事故发生地精确的定位到事故发生的原因。2.3应急救援无人机凭借其强大的机动性与灵活性，可以及时的将救援物资运送到事故现场，为救援人员第一时间抢救手上人员提供强有力的支持。2.4高危或恶劣环境辅助执勤高速公路执勤人员利用无人机可以对桥梁下、隧道内、边坡、危涯的信息进行采集，避免执勤人员涉险，更可以在极端气候条件下进行路面的巡查工作。2.5违法行为抓拍高速公路上的监控探头是固定的，不能够有效抓拍违法行为。“无人机”上搭载的录像及测速设备可以全方位固定车辆违法行为，有效维护高速公路正常秩序。三.无人机系统介绍3.1设计原则为了确保高速公路无线远程监控和应急预案系统顺利实施，针对性的制定了一个无人机+4G图传监控方案，本方案将会满足高速公路管理部门的监控需求。本方案遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则：1)先进性与适用性本系统采用先进的无人机设备和纯数字信号传输方式，采用H.264编码技术结合3G/4G无线调制技术，体现了当前计算机控制技术与计算机网络技术的最新发展水平，适应时代发展的要求。2)经济性与便捷性充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势，根据环境需要，设计选用功能适合现场情况，采用3G/4G/无线专网传输的解决方案，无需大规模布线，解决工程造价成本。前端设备无线传输安装调试方便快捷，后端平台搭建便捷，为用户实现了方便快捷的即插即用功能。3)开放性以现有成熟的产品为对象设计，同时还考虑到周边信息通信环境的现状和技术的发展趋势，具有RJ-45网络通讯口/RS232/RS485通讯接口，可实现远程云台控制。4)可扩充性系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。并根据今后实际要求扩展系统功能，同时，本方案在设计中留有冗余，以满足今后的发展要求。3.2整体应用示意图3.3系统组成3.3.1无人机系统无人机系统采用预设起飞地点和地面车辆机动的方式提供无人机飞行保障。对重要交通枢纽提供不间断的高空视频保障，视频实时回传至飞控终端，通过4G图传设备将信号上传至调度指挥中心。对超出无人机飞行范围的目标地点采用地面机动的方式，用最短的时间提供视频保障。根据不同的应用场景，无人机有不同的解决方案，覆盖各种应用场景：体积小巧便于型无人机便于携带，可以在任务区域后依次起飞进行定点环绕监视。每个监视路段可以配置2架作为交替监视，依次循环确保监视工作持续性和实时性。具备搭载不同类型镜头的无人机,可以作为整个任务区域应急保障机型。在监视区域若出现交通事故或拥堵时，可以搭载具有7倍变焦性能的镜头飞抵监视区域上空，通过7倍变焦性能抓拍交通事故现场或寻找拥堵点，便于交警快速准确处理；在能见度较低或黄昏时，可以搭载具有红外热成像功能的镜头，根据汽车排放的热量监视道路交通状况。具有出色的续航能力的无人机，可挂载多种类型专业拍摄装备，因此可以作为突发事件（比如雾霾天气、重大交通事故等）的任务机型。例如搭载高倍变焦能力的相机时，能提供超远距离高清图像画面，同时在能见度较低的情况使用去霾功能的镜头清楚地勾勒出道路、车辆的细节。在使用不同飞行器执行任务中，均可以使用遥控器的HDMI接口，利用4G网络直播方式实时传回监视区域视频画面到调度指挥中心，有助于路政、交警及时了解路况动态，在重大事故发生时为领导决策提供真实有效的参考依据。从无人机特点来看，应用与高速公路上的无人机系统有如下一些特点：1)大范围：无人机可以低空飞行、路径短、速度快、变换视角灵活、活动范围大2)高效率：无人机的地勤和机务准备时间短，可随时出动，与载人通用飞机、载人直升机，或其他交通工具相比，具有低投入、高效益的特点3)居高临下：无人机可以鸟瞰地面车流实况，有利于高速管理部门掌握全局，通盘指挥和正确疏导。4)低风险：在参与高速交通管理过程中，无人机能够在灾害天气或者受污染的环境下执行高危险性的任务等无人机性能：1)卫星定位模块GPS、北斗、GLONASS三模2)桨翼机械特性折叠浆3)悬停精度（相对精度）水平:±0.2m，垂直:±0.5m4)飞行控制定高、定点、自主巡航等多姿态飞行模式、一键起降低电压保护、自动返航、预置禁飞区、电子围栏5)工作环境-20~60°C，95%无凝结6)机臂机械特性可折叠7)起落架特性可遥控收放8)机架重量3.3kg9)最大起飞重量10kg3.3.24G图传系统无人机回传信号通过HDMI接口应急终端将现场画面和设备运行数据图片实时传到水利站的监控监管中心，后台通过客户端即可查看实时视频并与现场互动，下达指示。执法人员携带单兵系统开始巡查工作时，单兵系统即开机启动，启动后至关闭时，定位功能始终处于工作状态；系统摄像头启动后，记录巡查过程视频；遇到执法突发事件时，启动告警功能，向监控室或系统监控中心发出协助呼叫；单兵系统将执法现场视频实时传输至监控室或系统监控中心，建立双向语音接受上级部门的指导和调度；巡逻工作过程中，执法人员能够通过单兵系统录制记录现场画面，需要时，监控室和监控中心可开启实时传输，查看现场视频；遇到紧急突发事件或基层人员无法解决的问题，巡查执法人员能够通过单兵系统向监控室或系统监控中心告警呼叫，进行双向语音通话，接受上级部门的执法处理意见和调度指令，指导现场执法工作，保障处置突发事件和复杂事件工作的顺利完成。4G图传系统相对有线的图传方式有以下一些特点：1)设备小巧操作灵活，背包式设计，方便现场试用。2)终端采用嵌入式系统架构，高性能H265编解码处理器设计。3)设备支持视频采集、编码压缩、传输、双向对讲、地理定位等功能4)支持4G全网通网络制式；多卡绑定传输策略，最多可支持四卡同时传输。5)可用于无人机图传、电视直播图传等实时性要求高的应用场景6)监控点位灵活，无需固定点位监控，在任何可以到达的地方均可以进行实时布控4G图传设备性能：1)1路HDMI视频输入2)1路AHD视频输入(兼容CVBS)3)视频编码H265/264MainProfile，最高支持1080P传输和存储4)音频支持AAC编码，最高32K采样率5)本地存储，支持2张TF卡存储，单张支持128GB6)前端和中心可以进行双向的语音对讲7)4GLTE四卡绑定、双卡绑定、单卡传输8)图片抓拍，JPEG格式，最高支持200W像素图片9)GNSS北斗/GPS定位10)大容量锂电池，支持设备长时间续航3.3.3无线喊话系统在高速公路出现交通拥堵导致执勤人员无法亲临现场进行交通疏导与事故处理的时候，可以通过无人机上搭载无线喊话系统进行远程的交通疏导与事故处理工作，提高