李慧珍 張渤琳 肖旖旎

摘 要：城市道路的清潔程度與市民的生活質(zhì)量密切相關(guān)，傳統(tǒng)清掃車按固定路線進(jìn)行清掃，未顧及不同路面垃圾與揚(yáng)塵濃度的差異，清掃的工作效率較為低下。本文提出了基于北斗和無人機(jī)的道路清掃車調(diào)度系統(tǒng)，可依據(jù)實(shí)際路面情況調(diào)度清掃車。首先，基于北斗衛(wèi)星定位無人機(jī)上搭載的航拍相機(jī)和PM濃度傳感器，對(duì)道路垃圾進(jìn)行航拍及揚(yáng)塵監(jiān)測;其次，基于紋理特征融合與支持向量機(jī)方法完成道路垃圾圖像進(jìn)行識(shí)別;最后，基于蟻群算法進(jìn)行清掃車的線路調(diào)度。該系統(tǒng)提高了城市道路清掃的效率，對(duì)城市環(huán)境保護(hù)提供高效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);無人機(jī);清掃車調(diào)度;蟻群算法

1.引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高使得城市道路也快速發(fā)展，道路清掃車的出現(xiàn)雖然完成了人工化向機(jī)械化的飛躍，但是受垃圾種類繁多、道路狀況復(fù)雜等多種因素的影響，清掃車的覆蓋度不夠高[1]。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于北斗和無人機(jī)的道路清掃車調(diào)度系統(tǒng)，通過無人機(jī)監(jiān)測地面道路情況，實(shí)現(xiàn)清掃車的智能調(diào)度。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國獨(dú)立自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有精準(zhǔn)導(dǎo)航、快速定位、報(bào)告位置等功能，可以提供高精度的定位和導(dǎo)航服務(wù)。無人機(jī)可以搭載其他零件擴(kuò)展功能，完成人類平時(shí)不易完成的空中作業(yè)，并且使用成本低、工作靈活，在小區(qū)域低空作業(yè)時(shí)具有很大優(yōu)勢[4]。

2. 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要分為北斗定位通信系統(tǒng)，無人機(jī)探測系統(tǒng)和清掃車調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無人機(jī)對(duì)路面垃圾和路面顆粒物情況進(jìn)行探測，清掃車調(diào)度系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，篩選出待清掃路段，并基于蟻群算法為清掃車規(guī)劃行進(jìn)路徑。

2.1北斗定位通信系統(tǒng)

目前北斗三號(hào)基本系統(tǒng)已經(jīng)完成建設(shè)，具備全球?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，可以達(dá)到10m的定位精度，0.2m/s的測速精度，20ns的授時(shí)精度，并預(yù)計(jì)通過建立地基增強(qiáng)站達(dá)到厘米級(jí)定位。本系統(tǒng)的北斗定位模塊采用BDS/GPS聯(lián)合定位[3]，定位精度為2.5m（CEP50）。通過北斗定位通訊系統(tǒng)，用戶在PC端即可獲取無人機(jī)和清掃車的精準(zhǔn)位置。

2.2無人機(jī)探測系統(tǒng)

無人機(jī)探測系統(tǒng)是通過無人機(jī)配備的硬件來獲取城市道路路面垃圾情況與揚(yáng)塵情況的系統(tǒng)。探測系統(tǒng)使用多旋翼無人機(jī)，無人機(jī)搭載PM濃度傳感器以及北斗定位傳感器。工作時(shí)，無人機(jī)按規(guī)定的路徑對(duì)城市的道路進(jìn)行巡邏，通過北斗衛(wèi)星來定位無人機(jī)的實(shí)時(shí)地理位置，同時(shí)傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集該時(shí)空下的PM2.5和PM10的濃度并將數(shù)據(jù)通過3G/4G ISP上傳到服務(wù)器，傳輸給車輛調(diào)度系統(tǒng)。另一邊無人機(jī)搭載的相機(jī)同時(shí)進(jìn)行航拍，將航拍照片上傳給車輛調(diào)度系統(tǒng)。

2.3清掃車調(diào)度系統(tǒng)

車輛調(diào)度系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一環(huán)，負(fù)責(zé)收集處理數(shù)據(jù)，發(fā)布待清掃信息，進(jìn)行路徑規(guī)劃。車輛調(diào)度系統(tǒng)收集路面航拍照片和道路揚(yáng)塵數(shù)據(jù)，通過路面垃圾識(shí)別算法找出待清掃道路，通過PM2.5和PM10數(shù)據(jù)找出路面揚(yáng)塵超標(biāo)的道路，綜合兩項(xiàng)指標(biāo)判斷出需要進(jìn)行清掃的街道，系統(tǒng)管理層利用ArcGIS Sever地圖空間分析與處理功能，為清掃車制定個(gè)性化路線，完成道路清潔。

依據(jù)北斗模塊能在短時(shí)間內(nèi)反饋車輛位置，實(shí)時(shí)更新清掃車的位置，根據(jù)清掃車的行進(jìn)速度，計(jì)算出待清掃道路清掃完成所需的時(shí)間。每三分鐘更新一次地圖，便于管理者根據(jù)清掃車作業(yè)情況對(duì)清潔進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)清掃車完成清潔時(shí)，發(fā)送信息給調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)不同時(shí)間不同季節(jié)的清潔時(shí)間進(jìn)行記錄，作為車輛調(diào)度的參考數(shù)據(jù)之一。

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1路面垃圾識(shí)別

本系統(tǒng)采用紋理特征融合和支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）相結(jié)合的方法對(duì)道路垃圾圖像進(jìn)行識(shí)別。首先對(duì)局部二值模式（localbinary patter，LBP）進(jìn)行改進(jìn)得到A-LBP算法，然后A-LBP與Uniform LBP算法進(jìn)行融合形成最終的AD-LBP算法。利用AD-LBP和梯度直方圖算法提取圖像紋理特征，并結(jié)合SVM對(duì)道路垃圾圖像進(jìn)行分類識(shí)別。其中A-LBP是對(duì)LBP的參數(shù)進(jìn)行改正而得到的，包括取得受路面影響較小的閾值和加權(quán)系數(shù)的選取。U-LBP則是對(duì)LBP進(jìn)行降維得到的。

3.2路面揚(yáng)塵檢測

無人機(jī)揚(yáng)塵檢測由控制中心、北斗定位傳感器、PM（PM2.5和PM10）濃度傳感器、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)等部分組成。使得PM濃度傳感器和北斗定位模塊在控制中心的調(diào)配下同時(shí)工作，得到與位置相關(guān)聯(lián)的PM2.5和PM10濃度數(shù)據(jù)。

通過PM濃度傳感器觀測大氣顆粒物散射得到側(cè)向散射回波信號(hào)圖，將其灰度值矩陣提取出，用相應(yīng)灰度等級(jí)光總能量與PM2.5或PM10濃度進(jìn)行擬合，得到高擬合度的線性關(guān)系式，進(jìn)而求出揚(yáng)塵的濃度[2]。數(shù)據(jù)記錄模塊中，數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)于模塊上的SD卡中，通過3G/4G ISP傳輸?shù)椒?wù)器。以現(xiàn)行的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）的二級(jí)濃度限值為依據(jù)，超出限值（PM10≤150μg/m3 ， PM2.5≤75μg/m3）則視為需要清掃。

3.3清掃路徑規(guī)劃

清掃車路徑規(guī)劃首先將需要進(jìn)行清掃的街道標(biāo)記在路網(wǎng)中，清掃車需要從起點(diǎn)出發(fā)，遍歷所有待清掃道路并返回起點(diǎn)，本系統(tǒng)采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行清掃車的路徑規(guī)劃。使用ArcGIS API for JavaScript對(duì)清掃車進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過調(diào)用該接口，可以建立交互式地圖應(yīng)用。

3.4系統(tǒng)特點(diǎn)

應(yīng)用基于紋理特征融合與支持向量機(jī)方法對(duì)道路垃圾圖像進(jìn)行識(shí)別，可以準(zhǔn)確判斷道路是否需要清潔，精準(zhǔn)判斷需要清掃路段范圍，保證城市道路清潔。

無人機(jī)道路揚(yáng)塵檢測可獲取某一路段連續(xù)的顆粒物數(shù)據(jù)，比測站檢測的數(shù)據(jù)更完整，能更準(zhǔn)確地描述某一路段的揚(yáng)塵情況。

應(yīng)用北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)清掃車統(tǒng)一管理，及時(shí)反饋所需清掃的路段，并依據(jù)蟻群算法確定最佳路徑，避免了傳統(tǒng)清掃方式所造成的資源浪費(fèi)以及清掃不及時(shí)的問題的出現(xiàn)，提高了工作效率和資源利用率，使城市道路的清潔更準(zhǔn)確、及時(shí)、有效。

4.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于北斗和無人機(jī)的道路清掃車調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星獲取位置信息，對(duì)無人機(jī)航線進(jìn)行規(guī)劃。無人機(jī)通過航攝像機(jī)和PM濃度傳感器獲取地面道路信息，計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的地面道路信息進(jìn)行分析處理后判斷出需要清掃的路面，清掃車調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)蟻群算法對(duì)清掃車進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃，清掃車沿指定路線完成道路清掃任務(wù)。該系統(tǒng)對(duì)城市道路清掃效率的提高以及緩解清掃車不足的問題提供了幫助，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[2]胡淼，李齊良，吳端法等.基于CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)的PM2.5濃度測量研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào). 2016，36（11）：1-6

[3]劉海穎.衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：23-132

[4]趙鵬，沈庭芝，單寶堂.微小型無人機(jī)遙感圖像應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2009，34（7）：158-161

作者簡介：

李慧珍（1998.08—），女，漢族，河南省商丘人，鄭州市高新區(qū)鄭州大學(xué)，地理信息科學(xué)專業(yè)本科生，研究方向：地理信息科學(xué)專業(yè)

張渤琳（1999.01—），女，漢族， 河北省唐山人，鄭州市高新區(qū)鄭州大學(xué)，地理信息科學(xué)專業(yè)本科生，研究方向：地理信息科學(xué)專業(yè)

肖旖旎（2000.04—），女，漢族，湖南省株洲人，鄭州市高新區(qū)鄭州大學(xué)，地理信息科學(xué)專業(yè)本科生，研究方向：地理信息科學(xué)專業(yè)

（鄭州大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ?河南鄭州 ?450001）