唐前進，徐 崢

(公安部第三研究所物聯網技術研發(fā)中心,上海 201204)

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警用多軸旋翼無人機的應用及發(fā)展方向

唐前進，徐 崢

(公安部第三研究所物聯網技術研發(fā)中心,上海 201204)

為提高無人機在公安行業(yè)的實戰(zhàn)應用能力，促進無人機產業(yè)在警用市場的發(fā)展，通過對多軸旋翼無人機在公安行業(yè)不同任務類別的需求和應用現狀進行分析，指出了警用多軸旋翼無人機應用存在的問題，闡述了警用多軸旋翼無人機的發(fā)展方向。

警用無人機；警務應用；任務載荷；視頻偵查；通信中繼

近年來，隨著技術外溢、硬件產業(yè)鏈成熟和成本下降，從軍事應用發(fā)展起來的無人機正在農業(yè)、電力、石油、檢災、林業(yè)、氣象、國土資源、警用、海洋水利、測繪、城市規(guī)劃等多個民用行業(yè)得到應用，其市場規(guī)模呈爆炸式增長趨勢[1]。無人機在警務活動中的應用要追溯到2008年，北京和山東公安系統分別購置了4套無人機系統，之后河北、遼寧等地陸續(xù)購置了各型的警用無人機，截至目前全國超過150家公安部門購置了無人機。警用無人機是面向公安行業(yè)視頻偵查、反恐維穩(wěn)、交通監(jiān)測、緝毒緝私、消防救援、大型安保、指揮調度等警務活動的移動式專業(yè)裝備，能與視頻偵查車、通信指揮車等平臺進行配合，形成空地一體化的偵察與指揮調度系統，加載的專業(yè)裝備能滿足多種特定公安業(yè)務的實戰(zhàn)需要[2-3]。針對我國警力配備不足、警用裝備技術含量不高、多警種協同作戰(zhàn)能力弱等現狀，無人機的應用可以大幅提高警務效能。

無人機有無人直升機、固定翼無人機、多軸旋翼無人機等多種類型，在21世紀初就在公安行業(yè)探索應用，并有許多成功的應用案例[4-5]。由于多軸旋翼無人機具有操作方便、可垂直起降、懸停效果好、體積小、價格相對便宜的特點，目前在警用航空已經成為不可缺少的機型；無人直升機和固定翼無人機盡管有續(xù)航時間長、抗風能力好、載重量大等優(yōu)點，但其成本高、操作復雜、起飛條件要求相對較高的局限性也較為明顯，目前主要在新疆等地配置該類機型。筆者僅就多軸旋翼無人機的警務應用進行分析。

1 多軸旋翼無人機警務應用

1.1 警用多軸旋翼無人機系統組成

警用多軸旋翼無人機系統組成如圖1所示。由圖1可知，警用多軸旋翼無人機系統主要由無人機平臺、任務載荷、地面站和無線傳輸鏈路組成。其中，一種模式是可視距離內使用，其無線傳輸鏈路僅在無人機平臺與地面站之間保持數據傳輸；另外一種模式是非可視使用，需要將現場信息傳輸到指揮中心，這種模式需要遠距離無線傳輸鏈路。任務載荷的功能決定了警用無人機能完成的任務使命，這也是警用無人機最重要的特點，任務載荷的多元化、實戰(zhàn)化、模塊化是警用無人機載荷的理想目標。在實際應用中，無線傳輸數據鏈路也是決定其實戰(zhàn)應用的重要因素，尤其是無線寬帶圖像傳輸的效果對無人機的實戰(zhàn)應用具有關鍵作用，這與當前以視頻偵查為主要應用模式有關，即使是一些輔助打擊、物資拋投等行為也要借助于視頻圖像進行現場情況判斷。

圖1 警用多軸旋翼無人機系統組成

1.2 警用多軸旋翼無人機的技術要求

1.2.1 基本要求

從目前警用多軸旋翼無人機的發(fā)展階段來看，其最基本的技術要求應滿足以下4點：①能持續(xù)飛行30 min以上；②具有視頻圖像拍攝功能；③具有近距離視頻傳輸功能；④具有可視距離遙控飛行功能。這些最基本的功能也是目前最普遍和最重要的應用，其實質是延伸人的視覺空間，從更高角度來觀察地面。天津港“8·12”爆炸事故發(fā)生后，先后共有8架無人機對爆炸現場進行了全方位的高清圖傳，對災情和救援實施有效的監(jiān)控，為指揮員提供了有力的決策支持，是一次無人機成功應用的案例。

1.2.2 增強要求

1.3 警用多軸旋翼無人機的應用

1.3.1 基本成熟的應用

目前，警用無人機還處于以航拍為主的初級應用階段，應用形式和應用場景非常簡單。在反恐處突、高速公路交通監(jiān)測、森林防火、應急防空、禁種鏟毒、大型活動安保、群體性事件處置等多種作戰(zhàn)任務中，航拍圖像能從總體上看清現場態(tài)勢的全貌，這對指揮決策具有重要作用。

這種應用其實是無人機的一種通用模式，但為了適應警務的需要，還需要滿足一些特殊的要求。如對違章停車的機動車進行監(jiān)測取證時，需要無人機的攝像機配有變焦鏡頭，能看清楚機動車號牌。抓拍違章停車畫面對比圖如圖2所示，圖2(a)為100 m高空航拍攝的畫面，圖2(b)為20倍光學變焦后拍攝取證的車牌，能識別出機動車號牌號碼。

圖2 抓拍違章停車畫面對比圖

1.3.2 正在探索的應用

任務載荷的功能決定了警用無人機的應用場景和效果，但受限于多軸旋翼無人機的載重能力、續(xù)航時間等因素，除了基本應用模式外，正在探索的應用主要有以下4類：

(1)搭載非可見光波段的圖像采集任務載荷。相對于可見光，不可見光波段的圖像帶有可見光不具有的信息，主要有熱成像和高光譜攝像機任務載荷。機載熱成像能在大范圍內搜索熱源，故適用于夜間搜捕逃犯、監(jiān)測森林火災隱患、消防撲救監(jiān)測等警務活動。而高光譜成像儀能在連續(xù)光譜段上對同一目標同時成像，可直接反映被觀測物體的光譜特征，甚至能識別物體表面物質的成分，使目標檢測識別能力顯著提高，且使目標的探測由定性分析轉為定量分析成為可能。如利用機載高光譜成像儀進行毒品種植查緝時，能從相似的植物中分辨出大麻、鴉片等植物，提高了查緝效率。而適合于多軸旋翼無人機的高光譜攝像機相對較少，主要以進口為主。目前該類任務載荷的重點是核心采集器件的國產化和低成本化。

(2)搭載基于圖像智能分析的任務載荷。由于智能視頻分析技術和計算處理模塊的快速發(fā)展，人工查看圖像的應用模式已經具備朝智能化方向轉變的條件，甚至業(yè)界已提出了無人機大數據的概念[6]。基于圖像智能分析的任務載荷能實現嫌疑車輛與人員自動跟蹤[7]、現場人流與車流數量自動統計分析、高速路違章占用應急車道的交通執(zhí)法與取證，這些應用能大大降低警務活動強度，提高執(zhí)法效率。

(3)搭載抓放機構任務載荷。抓放機構根據地面控制人員的指令，能實現機構的閉合與張開，并完成特定的警務任務。現在公安機關正在探索的應用包括：拋投救生衣、拋投催淚瓦斯、發(fā)射催淚彈、抓取可疑物證樣品、擴音警告、輔助打擊等。但受限于多軸旋翼無人機的載重能力，這些應用的效果往往有明顯的局限性,其任務執(zhí)行能力相當有限。國外也報道了不少無人機的警務應用，如目前美國最新一代的警用武裝無人機，可裝置多種致命性或非致命性武器，致命性武器主要用于消滅危害較大、犯罪事實明確的恐怖分子，而非致命性武器主要用于制止人群騷亂[8]。但利用無人機搭載致命武器的應用模式可能還存在法律問題，即無法確定該種模式下的法律責任認定。

(4)搭載通信中繼任務載荷。在山區(qū)等特殊地形環(huán)境中，往往需要在高處架設通信中繼基站，而小型化的通信基站能加載在多軸旋翼無人機上，這樣能在最短時間建立一個制高點，以確保通信暢通。鑒于一般多軸旋翼無人機續(xù)航時間較短，國內已有采用系留旋翼無人機進行通信中繼，能確保24 h不中斷，系留多軸旋翼無人機系統如圖3所示。圖3(a)為系留多軸無人機，其通過一個光電復合電纜與地面的不同載體相連，如圖3(b)所示。

圖3 系留多軸旋翼無人機系統

除了上述4類，還有一些任務載荷也正在探索應用，如頻率干擾儀、搜爆器、手機信號偵測等任務載荷。

2 應用中存在的問題

2.1 技術方面

制約多軸旋翼無人機警務應用的技術因素主要有以下5個方面：①續(xù)航能力不強。在一些警務活動中，往往需要長時間的飛行偵察，這就要求無人機能長時間飛行；②抗風能力不強。由于抗風能力差導致墜機的事故在警務活動中經常發(fā)生，其限制了無人機的應用場景；③復雜環(huán)境的避障能力不足。由于公安缺乏專門的無人機飛行訓練保障，在城市環(huán)境下的無人機操控就面臨了極大的次生傷害風險；④輕量化、模塊化任務載荷不多。針對不同場景，能應用的模塊化、輕量化的任務載荷在種類、功能、性能方面都還沒有達到業(yè)務需求；⑤技術標準缺乏。目前，公安行業(yè)的無人機系統標準《警用無人機通用技術要求》、《警用多軸旋翼無人機系統》正在制定過程中，尚缺乏明確的技術標準。

2.2 非技術方面

制約多軸旋翼無人機警務應用的非技術因素主要有以下幾個方面：①缺乏明確的管理制度。多軸旋翼無人機屬于低慢小目標，其飛行本身可能會帶來安全隱患，目前管理這些飛行器的相關制度尚不完善；②人才隊伍缺乏。目前既缺乏專門的警用無人機操作維護人員，又缺乏對無人機警務應用戰(zhàn)術研究的人才隊伍；③缺乏公開透明的科學評估方法。由于目前市場上宣稱可以用于警務活動的多軸旋翼無人機多達上百家供應商，產品型號更達數百個，價格也從幾千到上百萬，但缺乏公開公正的評估方法， 這給采購方帶來極大的困惑。

3 發(fā)展方向

3.1 增強無人機的安全性

增強無人機的安全性可以避免無人機墜毀造成的財產損失和地面人員受傷。在某地組織的無人機現場測試中，12架不同型號的多軸旋翼無人機竟然有一半墜機，還有一架無人機發(fā)生墜機燃燒，這充分說明了無人機的安全性急需加強。故應從技術上保障無人機在非正常狀態(tài)下的自動終止技術、自動返還技術，增強無人機的自動避障能力，使得無人機能在非專業(yè)人員使用時不出現安全事故[9]。因此，要增強無人機在強電場、磁場環(huán)境下的可靠性測試。同時，公安是特殊部門，執(zhí)行的任務很多具有隱蔽性，保密性要求高，任務內容不能隨意泄露。在利用無人機執(zhí)行任務時，數據、通信傳輸必須數據鏈化，才能保證內容的安全。

3.2 增強人機交互的便捷性

公安工作的一個突出特點是突發(fā)性、應急性，這要求警用裝備必須能快速部署，盡快用得上。目前不少警用無人機的作戰(zhàn)單元和無人機配件實現了模塊化，具備可插拔功能，可在幾分鐘內快速安裝和拆解。傻瓜式的操作和快速的展開方式是無人機的發(fā)展方向。多軸旋翼無人機快速展開結構如圖4所示，其旋翼軸只需要通過簡單兩個動作就能收放，特別適合室外臨時作業(yè)，其狀態(tài)轉換只需按動軸上的一個按鈕即可。

圖4 多軸旋翼無人機快速展開結構

3.3 提升無人機續(xù)航時間

提升無人機的續(xù)航時間是一個永恒的話題，續(xù)航時間與續(xù)航距離太短是制約多軸旋翼無人機應用的世界性難題。以增加鋰電池容量的方式提升續(xù)航時間，往往導致自身重量的增加而縮短時間，目前只能平衡電池容量與續(xù)航時間。因此，開展新型能源供應方式才是發(fā)展方向，目前已開始研究氫燃料電池、太陽能電池等新型能源供應方式。

3.4 開發(fā)更多實用化任務載荷

研究分析無人機任務載荷，首先應對無人機作戰(zhàn)任務使命進行分析，結合某項具體的警務活動，研制符合實戰(zhàn)化需求的任務載荷，做到任務載荷的智能化、集成化、信息化和互換性。

3.5 增強無人機應用智能化水平

無人機的智能化應用要根據警務活動需要，提升任務載荷數據的價值，從目前技術的可實現性和應用需求角度來看，其重點是基于無人機圖像的深度應用，主要包括圖像的跟蹤定位、現場測量、三維重構、現場信息圖像自動識別等[10]。

4 結論

警用無人機不單純是一個無人機硬件，更是一個整體系統，是整個公安業(yè)務系統的重要組成部分。警用無人機的應用，從表面上看是無人機平臺、任務載荷在起作用，但實際上涵蓋了出警方案制定、無人機和任務載荷控制、警察辦案思路具化、警力指揮與調度、應急預案準備與執(zhí)行等，這些相關系統的銜接和配合，形成了一個完善的、前聯后通的通信指揮控制系統，因此，研究無人機警務應用必須與公安業(yè)務系統高度融合。無人機在技術越來越成熟的今天，如何更深入應用到警務工作的各個領域，除了無人機設備本身，更關鍵的在于結合各警種本身業(yè)務，深度研究、定制無人機警務實戰(zhàn)應用解決方案，開發(fā)配套軟件、應用系統，而不是光顧著好看，擺“花架子”，只有踏踏實實研究技術，才能將警用無人機的作用發(fā)揮得更好。

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TANG Qianjin:Associate Researcher; Internet of Things Technology Research and Development Center,Third Research Institute of Ministry of Public Security, Shanghai 201024, China.

Application and Development Direction of Police Multi-axis Rotor UAV

TANGQianjin,XUZheng

To improve the actual application ability of UAVs for public security, and promote the development of the UAV industry in the police market, the paper analyses the demand and application status of multi axis rotor UAV (unmanned aerial vehicle) for different job categories of public security. It pointed out that the multi rotor UAV exists the problems in application and the development direction of police multi axis rotor UAV..

police unmanned aerial vehicle; police application; task load; video detection; communications relay

2095-3852(2017)02-0239-04

A

2016-10-12.

唐前進(1976-),男,重慶人,公安部第三研究所物聯網技術研發(fā)中心副研究員，主要研究方向為公共安全.

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項基金項目(2016C16346)；公安部重點研究基金項目(2016JSYJC18).

V279.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.025