［曹明 陳欣 張凱 張紅梅］

近年來隨著無人機技術(shù)及智能巡檢技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機因其具備成本低、操作簡單、機動性高、視野大、巡檢范圍廣、巡檢效率高、便捷運輸且風(fēng)險性低等優(yōu)點，通過無人機攜帶的任務(wù)載荷，如可見光相機、多光譜相機、紅外相機等傳感器，完成對目標(biāo)地區(qū)的巡檢或監(jiān)控的應(yīng)用場景越來越多。無人機因其具備成本低、操作簡單、機動性高、視野大、巡檢范圍廣、巡檢效率高、便捷運輸且風(fēng)險性低等優(yōu)點，使得其已在電力巡檢、國土資源調(diào)查、應(yīng)急救災(zāi)、城市規(guī)劃等諸多領(lǐng)域中得到了突破性的運行與發(fā)展，在電力、光伏、交通等多個行業(yè)的投入應(yīng)用也取得顯著效果[1～3]。但是目前無人機的供電續(xù)航能力、飛行半徑、無人機飛手人員的技能水平等都成為限制無人機執(zhí)飛行任務(wù)的瓶頸，因此研究一種不間斷續(xù)航，擴大飛行半徑的無人控制的自主飛行巡航的無人機系統(tǒng)，成為一種技術(shù)的需要。

“凡有人煙處，皆有通信塔”，鐵塔公司國際一流的信息通信基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)商，擔(dān)負了全國通信基站的電力、配套建設(shè)、運營和維護，目前已經(jīng)擁有200余萬個通信鐵塔，其部署具有點多面廣的優(yōu)勢[4]，有塔的地方就有就交流電、蓄電池可以給無人機提供充電，換電服務(wù)；有塔的地方就有通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可以為無人機提供視頻，圖像的回傳。

如果將蜂巢無人機智能巡檢與鐵塔有機結(jié)合，以鐵塔在基站部署、通信、供電等方面的優(yōu)勢結(jié)合無人機的靈活與智能，可建成“云霧端”多級無人機智能任務(wù)系統(tǒng)。以后臺服務(wù)器為“云計算”載體、自動機場為“霧端控制系統(tǒng)”，無人機為“邊緣計算載體”，綜合運用AI 技術(shù)與無人機平臺的結(jié)合，可實現(xiàn)無人機作業(yè)的遠程化、自主化、智能化，并在智能城市巡邏、智能巡檢方面取得革命性的成果[5～7]。

1 基于5G 的無人機智能巡檢系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

圖1 基于5G 的無人機智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于5G 無人機智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，改系統(tǒng)是以無人機為巡檢手段，實現(xiàn)無人機全自動化作業(yè)的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由云系統(tǒng)（云）、固定機場（邊）、無人機及其掛載（端）三大部分組成。

該系統(tǒng)集成了無人機技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、自動化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等其它先進技術(shù)于一體，不依賴現(xiàn)場人工操作，無人機即可完成城市網(wǎng)格化自動巡檢及輔助任務(wù)。

操作人員可遠程設(shè)定、下發(fā)作業(yè)任務(wù)，固定機場接收到遠程下發(fā)的任務(wù)后，將指派無人機進行自動作業(yè)，固定機場將全自動化地完成無人機的起飛、巡檢、降落、回收、充電（選配）、數(shù)據(jù)上傳等操作步驟，全程無需現(xiàn)場人員參與，即可機動靈活地實現(xiàn)對規(guī)劃區(qū)域的城市環(huán)境、人流、車流情況的視頻監(jiān)控、應(yīng)急事件協(xié)助人工處理等功能，信息采集相比于傳統(tǒng)方式更加便捷，提高了工作效率，也保證了人員安全。

1.2 無人機蜂巢簡介

無人機蜂巢及多旋翼無人機自動機場，其主要功能是接收無人機、釋放無人機和貯藏?zé)o人機。無人機在工作結(jié)束后，自動飛回機巢。無人機機巢可對非工作狀態(tài)無人機的安全進行防護，防止外界風(fēng)雨侵蝕，防護過程中對其進行充電和帶電檢查，外觀如圖2 所示。

圖2 無人機蜂巢實物圖

無人機機巢工作流程，機巢總體采用遠端控制，所有操作均為無人機機巢和無人機交互自動完成，特殊操作由上位機控制室監(jiān)視操作完成。

桅桿集成了RTK 基站，遙控甜心、氣象站和電源電控箱，實物圖如圖2 所示，功能主要有：（1）為無人機提供厘米級導(dǎo)航信息；（2）監(jiān)控機場周邊環(huán)境、氣象條件；（3）對機場內(nèi)部進行溫控濕控，為設(shè)備的正常運行提供環(huán)境。

1.3 無人機簡介

目前，蜂巢無人機用的大多使用大疆經(jīng)緯M210RTK，可升級為經(jīng)緯M300RTK，主要出發(fā)點是大疆無人機性能優(yōu)異、可靠性高，但大疆航電系統(tǒng)的開發(fā)程度有限，靈活性較差，需要在該方面改進提升，需要較好的充電、換電為無人機做好續(xù)航能力的支撐。此外，復(fù)合翼無人機應(yīng)用于蜂巢及巡檢也在探索中，已有不少成功案例。

2 蜂巢無人機與鐵塔的有機結(jié)合

2.1 無人機與鐵塔基站融合

充分共享基站電、傳輸及鐵塔資源，將無人機場與現(xiàn)有基站融合建設(shè)，如圖4 所示；實現(xiàn)無人機的自動巡航、自動充/換電，解決現(xiàn)有無人機兩大束縛-人工現(xiàn)場操作和電池瓶頸：

圖3 蜂巢無人機機型

（1）機房融合：將無人機場直接安裝至機房房頂，充分利用站址空間，無需增加租地面積。

（2）鐵塔融合：為提高無人機與機巢的通信質(zhì)量，提升飛機安全性，后期可將無人機與機場通信電臺設(shè)備上塔。

圖4 無人機與鐵塔融合示意圖

2.2 蜂巢無人機與4G/5G 技術(shù)的結(jié)合

無人機通訊技術(shù)傳統(tǒng)上往往采用視距無線電通訊，或者數(shù)據(jù)鏈點對點測控方式，利用作用距離在幾十公里以內(nèi)的專用測控站，為無人機提供通訊支撐，但由于本項目中無人機途經(jīng)海南全島，飛行范圍大、地形多樣化，傳統(tǒng)通訊手段效果嚴(yán)重受限，往往在飛機起飛不久即失去通訊聯(lián)系。同時，通過測控站接力或者衛(wèi)星通訊的方式建立連接，這些連接方式往往會受到施工建設(shè)、運維保障、使用成本等問題的制約，缺乏經(jīng)濟性和實用性。

基于4G 技術(shù)的成熟及大面積終端布設(shè)，結(jié)合5G 技術(shù)具備的大帶寬、低延時、抗干擾、多波束指向等技術(shù)特點，4G/5G 技術(shù)的結(jié)合天然具備適應(yīng)網(wǎng)聯(lián)無人機要求的高清圖傳、遠程控制、狀態(tài)監(jiān)控和精準(zhǔn)定位的能力。加上低使用成本的衛(wèi)星通訊實時位置反饋，能夠保證飛機處在山地、遠海等網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)內(nèi)指揮中心仍可實時監(jiān)控飛機動態(tài)位置，為飛行安全提供最低限度保障，如圖5 所示。

蜂巢無人機4G/5G 通信技術(shù)與無人機安裝的載荷配合，在應(yīng)急作業(yè)、日常巡檢、測繪采集等任務(wù)過程中，實現(xiàn)控制中心同步顯示現(xiàn)場實時畫面的功能。這有助于指揮中心及時準(zhǔn)確了解現(xiàn)場狀況，提升其常態(tài)化作業(yè)、應(yīng)急響應(yīng)等能力，提升指揮效率、增強團隊協(xié)作配合度的重要技術(shù)手段。

圖5 蜂巢無人機4G/5G 技術(shù)通信拓撲

3 “鐵塔蜂巢無人機”的優(yōu)勢

蜂巢無人機（多旋翼無人機）與鐵塔結(jié)合，下面簡稱“鐵塔蜂巢無人機”，鐵塔與蜂巢無人機，地空互補，如圖6 所示，具有如下優(yōu)勢。

（1）固定機場系統(tǒng)是實現(xiàn)無人機全自動化作業(yè)的智能系統(tǒng)，是集成了無人機技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、自動化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等其它先進技術(shù)于一體的智能巡檢系統(tǒng)。機場穩(wěn)定可靠，無需飛手即可完成安全、專業(yè)、精準(zhǔn)的低空數(shù)據(jù)采集。

（2）行業(yè)場景工具鏈完備，賦能用戶輕松完成專業(yè)、高效、精確的數(shù)據(jù)處理、可視化、和結(jié)果調(diào)用。

（3）固定機場可進行私有化部署+功能API 化，可根據(jù)客戶需求與客戶OA 系統(tǒng)快速集成。

（4）管控平臺布置在客戶指定位置或者云端，支持多機場統(tǒng)一管理、集中化遠程運維、一鍵升級等。

（5）成熟的空域協(xié)同技術(shù)，實現(xiàn)安全、高效的多機協(xié)同作業(yè)。

（6）當(dāng)飛機出現(xiàn)異常，系統(tǒng)支持4G/5G 直聯(lián)及機場轉(zhuǎn)發(fā)的“雙鏈路”遠程網(wǎng)絡(luò)接管，確保飛機安全。

（7）機場系統(tǒng)支持飛機直聯(lián)5G 及機場直聯(lián)5G 的“雙模式”5G 聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)低時延數(shù)據(jù)傳輸及控制。

圖6 接力飛行示意圖

4 鐵塔蜂巢無人機與智慧城市建設(shè)

本節(jié)主要從智慧城市網(wǎng)格化巡檢與變電站智能巡檢兩方面給出鐵塔蜂巢無人機參與智慧城市建設(shè)的幾個案例。

4.1 智慧城市網(wǎng)格化巡檢

城市巡查管理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在日常城市管理、行政執(zhí)法或市容環(huán)境改善過程中，城市管理涉及面廣，城市網(wǎng)格化巡查管理難度大。相對于傳統(tǒng)的人工巡邏或固定攝像頭監(jiān)控，無人機的高度機動性、布點靈活性，在事故處理、秩序管理、交通疏導(dǎo)、流量檢測等方面具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢，特別是在一些監(jiān)控盲區(qū)，無人機可以發(fā)揮重要作用。

4.1.1 環(huán)境衛(wèi)生及市容秩序巡查

采用無人機進行低空巡查，可以快速發(fā)現(xiàn)傾倒堆場、衛(wèi)生死角，同時憑借無人機寬廣視角和快速移動速度，可以快速鎖定亂倒垃圾的源頭。同時，無人機可搭載喊話器配合執(zhí)法人員進行遠程喊話，對區(qū)域人員進行喊話勸誡、警告、指導(dǎo)，從而減少執(zhí)法人員親臨現(xiàn)場，及時高效完成遠程指揮管理工作，如圖7 所示。

圖7 無人機巡查亂倒垃圾

4.1.2 城市規(guī)劃及違建巡查

高層陽光房、高層廣告、違法搭建等是城市管理中一大難題，受限于分布位置限制，人工巡查，耗時費力，效率較低，部分違法建筑以地面視角根本無法發(fā)現(xiàn)。

采用無人機可以極大地提高違法建筑的防控、查處效率。采用無人機航拍取證，高空情況一覽無遺，執(zhí)法人員無需親臨現(xiàn)場，即可完成航拍取證，鎖定屋頂、巷道、地面、高層等視覺死角的違章情況。通過將航拍影像與原始測繪圖像進行對比，可直觀判斷是否出現(xiàn)違法建筑，如圖8 所示。

圖8 無人機違建巡查

4.1.3 交通巡查

交通巡查對時效性要求強，無人機具較高的機動性能和移動性能，在接收到管控平臺下發(fā)的任務(wù)后，按照規(guī)劃航線執(zhí)行巡邏任務(wù)，在飛行過程中觀察道路車輛狀況，通過自動懸停變焦，對上述違法行為進行抓拍取證。無人機抓拍的違法證據(jù)圖片回傳至管控后臺，并可協(xié)助警察進行非現(xiàn)場處罰或調(diào)動民警進行交通疏導(dǎo)等，如圖9 所示。

圖9 無人機交通巡查

4.2 變電站智能巡檢

無人機可搭載高清可見光相機或紅外相機，在指定設(shè)備區(qū)域（如110 kV區(qū)域、電容電抗區(qū)等）上空向下進行連續(xù)的俯拍，從高空視角采集設(shè)備區(qū)的可見光或紅外照片，最終進行異物識別或溫度識別，如圖10（a）所示。在出現(xiàn)惡劣天氣過后，無人機可執(zhí)行巡檢任務(wù)檢查是否有異物懸掛在設(shè)備上（塑料袋、風(fēng)箏等），檢查設(shè)備區(qū)內(nèi)地面是否有異物需預(yù)警清理，以防二次漂浮到設(shè)備上。

與區(qū)域巡檢相似，無人機按既定路線從高空視角俯拍，不采集照片僅巡邏傳回實時拍攝畫面（實時視頻）?？蓪崿F(xiàn)對整個變電站的日常安保巡邏，有效覆蓋視頻監(jiān)控盲區(qū)，預(yù)防異物入侵或快速預(yù)警。同時也可對檢修工作進行監(jiān)工。如圖10（b）所示通過對巡檢視頻進行分析檢測，檢測出人員活動等行為，及時發(fā)現(xiàn)區(qū)域人員非法入侵當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑人員后可通過喊話器推送發(fā)出警告，提醒非法入侵人員及時撤離當(dāng)前區(qū)域。同時，無人機可攜帶紅外熱像儀對視頻中的運動物體進行熱源檢測，當(dāng)檢測出異常溫度時及時開啟警報推送異常信息。

此外，在精細巡檢基礎(chǔ)上，無人機自身配備使用探照燈，配合厘米級的高精度定位，在夜間也能自主飛至指定設(shè)備拍照點對電氣設(shè)備進行可見光或紅外照片的采集，亦能智能補光完成自主返航精準(zhǔn)降落回收。如保變電時期亦能完成夜間應(yīng)急巡檢。且夜間進行紅外巡檢能有效減少日光照射帶來的干擾，使溫度數(shù)據(jù)更精確有效，如圖10（c）所示。

5 結(jié)論

鐵塔與蜂巢無人機的結(jié)合可實現(xiàn)地空互補，無人機構(gòu)成鐵塔的空中平臺，延伸了鐵塔的空中巡邏能力與邊緣計算能力，蜂巢置于鐵塔基站，為無人機的自動維護、運營與管控提供了體系化支撐，在智慧城市巡檢、園區(qū)內(nèi)巡檢等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖10 無人機變電站智能巡檢