單華偉

(哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 引 言

2021年12月國(guó)務(wù)院發(fā)布《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，要求加快推進(jìn)能源、交通運(yùn)輸、水利、物流、環(huán)保等領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造[1]。同時(shí)，交通運(yùn)輸部發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)的通知》要求，利用無(wú)人機(jī)等移動(dòng)手段，開(kāi)展路網(wǎng)大數(shù)據(jù)收集和綜合管理，提升數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析、運(yùn)用能力。以北斗高精度定位技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字經(jīng)濟(jì)下對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造要求，開(kāi)展基于北斗高精度定位的高速公路路網(wǎng)無(wú)人巡檢模式研究，結(jié)合實(shí)際環(huán)境應(yīng)用條件對(duì)境內(nèi)高速、國(guó)道、省道、縣道和鄉(xiāng)村道路等開(kāi)展例行常規(guī)巡查和重點(diǎn)區(qū)域詳查監(jiān)測(cè)，為智能化、高效化、便捷化的道路運(yùn)輸監(jiān)管提供支撐。

2 北斗無(wú)人路網(wǎng)巡檢模式

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2020年，我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，順利實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，其將導(dǎo)航與通信實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合和創(chuàng)新，與美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的GALILEO系統(tǒng)共同成為提供全球服務(wù)的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，形成了世界衛(wèi)星導(dǎo)航的新格局。北斗系統(tǒng)共有46顆在軌衛(wèi)星，包括28顆北斗三號(hào)衛(wèi)星和18顆北斗二號(hào)衛(wèi)星，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)異。尤其是北斗三號(hào)衛(wèi)星，其空間信號(hào)精度均值約為0.41 m，精度提升約30%。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)的精度、定位、測(cè)速和授時(shí)能力更為優(yōu)秀[2]。

同時(shí)，北斗三號(hào)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航定位與通信和增強(qiáng)服務(wù)的融合設(shè)計(jì)，在導(dǎo)航定位之外還提供了星基增強(qiáng)、精密定位信息播發(fā)、區(qū)域短報(bào)文通信、全球短報(bào)文通信和國(guó)際搜救共6類服務(wù)。其中，導(dǎo)航定位、全球短報(bào)文、國(guó)際搜救3類服務(wù)覆蓋全球，星基增強(qiáng)、區(qū)域短報(bào)文通信和精密定位信息播發(fā)服務(wù)3類服務(wù)覆蓋中國(guó)及周邊地區(qū)。

2.2 北斗無(wú)人路網(wǎng)巡檢系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

依照北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)特點(diǎn)及路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)需求分析，結(jié)合路網(wǎng)信息化建設(shè)中巡路查特點(diǎn)，基于北斗的無(wú)人路網(wǎng)巡檢系統(tǒng)總體可劃分為交通監(jiān)管平臺(tái)、無(wú)人值守多旋翼數(shù)據(jù)采集、垂直起降無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集、道路巡查移動(dòng)平臺(tái)四個(gè)部分[3]。整體架構(gòu)如下。

圖1 北斗無(wú)人路網(wǎng)巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)交通監(jiān)管平臺(tái)部分，包括平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)硬件設(shè)施、基礎(chǔ)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和道路巡查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。

(2)無(wú)人值守?zé)o人機(jī)：以低空無(wú)人值守多旋翼以及無(wú)人值守垂直起降固定翼為基礎(chǔ)，在巡查內(nèi)容上劃分為精細(xì)化巡查與長(zhǎng)線路道路巡查。

(3)移動(dòng)端：查看部分包括現(xiàn)場(chǎng)巡查大隊(duì)手持?jǐn)?shù)據(jù)回傳與查看終端。

(4)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)部分:依靠4G/5G通信實(shí)現(xiàn)視頻、遙測(cè)等數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)前方道路與后方平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸與狀態(tài)監(jiān)控。

(5)業(yè)務(wù)深化應(yīng)用部分，包括道路巡查業(yè)務(wù)應(yīng)用、對(duì)外公共應(yīng)用，依據(jù)層次化、模塊化設(shè)計(jì)理念，后期可為交通道路巡查監(jiān)管部門提供道路業(yè)務(wù)綜合監(jiān)管等接口服務(wù)。

2.3 基于北斗高精度定位的無(wú)人巡檢模式

基于北斗高精度定位的無(wú)人巡檢模式主要包括五類，分別為常規(guī)巡視、重點(diǎn)巡視、定點(diǎn)監(jiān)控、應(yīng)急監(jiān)控和移動(dòng)監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)日常自動(dòng)巡視可以有效發(fā)現(xiàn)路面裂痕、塌陷、路基損毀、掉落物、事故擁堵、交通設(shè)施等情況，并可通過(guò)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)違章車輛并通過(guò)遠(yuǎn)程喊話進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮，具體如下所示。

(1)北斗無(wú)人機(jī)常規(guī)巡視

北斗無(wú)人機(jī)常規(guī)巡視模式面向常態(tài)化巡視監(jiān)測(cè)需求，選取常規(guī)巡視路段通過(guò)飛機(jī)作業(yè)半徑和實(shí)際地理、環(huán)境情況布設(shè)一定數(shù)量的系統(tǒng)，通過(guò)一站多機(jī)控制模式完成整條道路的常規(guī)巡視工作[4]。

表1 常規(guī)巡視經(jīng)濟(jì)巡檢指標(biāo)

圖2 無(wú)人值守?zé)o人機(jī)常規(guī)巡視布設(shè)示意圖

(2)北斗無(wú)人機(jī)重點(diǎn)巡視模式

北斗無(wú)人機(jī)重點(diǎn)巡視模式針對(duì)道路交叉口、事故多發(fā)地或易擁堵的區(qū)域及路段的重點(diǎn)巡視需求開(kāi)展涉及，主要是在無(wú)人機(jī)續(xù)航里程內(nèi)通過(guò)合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航跡來(lái)覆蓋巡視范圍，如下圖所示。針對(duì)一個(gè)5岔口的路口，可以歸劃無(wú)人機(jī)航跡經(jīng)過(guò)每個(gè)岔口，并在中間懸停來(lái)觀測(cè)路況。無(wú)人機(jī)在重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)數(shù)量需要結(jié)合巡檢頻次來(lái)考慮停機(jī)艙/停機(jī)坪的選擇。

針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，無(wú)人機(jī)單次巡檢時(shí)間為0.5 h，其中懸停時(shí)間5～8 min，作業(yè)間隔為2 h，作業(yè)航程最大16 km，當(dāng)重點(diǎn)巡視區(qū)域航程超過(guò)無(wú)人機(jī)最大作業(yè)航程或要求巡視間隔時(shí)間小于2 h時(shí)，可選擇在重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)多套無(wú)人值守?zé)o人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)。

圖3 無(wú)人值守?zé)o人機(jī)重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)示意圖

(3)北斗無(wú)人機(jī)應(yīng)急監(jiān)控模式

北斗無(wú)人機(jī)應(yīng)急監(jiān)控模式重點(diǎn)針對(duì)道路內(nèi)出現(xiàn)的交通事故、人員傷亡、交通擁堵、塌陷、拋棄物等應(yīng)急事件的應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用模式，應(yīng)急監(jiān)測(cè)位置為隨機(jī)事件，當(dāng)需要應(yīng)急的時(shí)候只需給出應(yīng)急監(jiān)測(cè)位置，無(wú)人機(jī)即可由當(dāng)前位置按直線快速抵達(dá)應(yīng)急點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)、指揮。

圖4 無(wú)人值守?zé)o人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)示意圖

在應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用模式下，后臺(tái)控制中心可以任意調(diào)配距離事發(fā)地點(diǎn)最近的無(wú)人值守?zé)o人機(jī)(且距離小于無(wú)人值守?zé)o人機(jī)作業(yè)半徑)直接飛往目標(biāo)點(diǎn)，并進(jìn)行觀測(cè)。

(4)北斗無(wú)人機(jī)定點(diǎn)監(jiān)控模式

北斗無(wú)人機(jī)定點(diǎn)監(jiān)控模式是根據(jù)在常規(guī)、重點(diǎn)巡視過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)異常情況或需要詳細(xì)監(jiān)測(cè)的區(qū)域而進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)控的應(yīng)用模式，定點(diǎn)監(jiān)控?zé)o人機(jī)在既定飛行航跡范圍內(nèi)，可進(jìn)行短距離的位置、無(wú)人機(jī)飛行高度、監(jiān)控方向和變焦等操控，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化詳查。

(5)北斗無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)巡視模式

北斗無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)巡視模式是將無(wú)人機(jī)放置于車輛內(nèi)部，通過(guò)車輛運(yùn)輸無(wú)人機(jī)至指定區(qū)域進(jìn)行飛行巡視，通過(guò)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操控，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

3 北斗無(wú)人路網(wǎng)巡檢模式實(shí)踐應(yīng)用

為對(duì)速公路路網(wǎng)無(wú)人巡檢模式及系統(tǒng)的功能、性能進(jìn)行驗(yàn)證，選取黑龍江省某省級(jí)公路開(kāi)展應(yīng)用示范建設(shè)，累計(jì)開(kāi)展無(wú)人路網(wǎng)巡護(hù)37架次，初步實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用、養(yǎng)護(hù)決策及路網(wǎng)指揮調(diào)度，具體說(shuō)明如下。

3.1 高速路網(wǎng)狀態(tài)采集

采用常規(guī)巡護(hù)模式及重點(diǎn)巡視模式對(duì)路網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行信息監(jiān)控采集，實(shí)現(xiàn)了公路路網(wǎng)路面裂痕、塌陷、路基損毀、掉落物、事故擁堵、交通設(shè)施等情況的采集，通過(guò)該模式改變以往單純依靠人員及巡護(hù)車輛對(duì)路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)信息采集及擁堵調(diào)查的模式，巡查成本可節(jié)省75%以上。

3.2 高速路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策

采用應(yīng)急監(jiān)控模式輔以定點(diǎn)監(jiān)控模式對(duì)事發(fā)地點(diǎn)、事件進(jìn)行快速排查，輔以現(xiàn)場(chǎng)情況研判，實(shí)現(xiàn)公路路網(wǎng)塌陷、擁堵、違停等問(wèn)題的綜合處理，提升路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策效率60%以上并極大降低了由于擁堵、事故導(dǎo)致的二次事故發(fā)生。

3.3 高速路網(wǎng)指揮調(diào)度

依托北斗無(wú)人機(jī)動(dòng)巡視模式進(jìn)行高速路網(wǎng)動(dòng)態(tài)指揮調(diào)度，對(duì)偶發(fā)性事故或異常擁堵、阻塞情況進(jìn)行詳查，并可通過(guò)遠(yuǎn)程喊話系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行指揮，提升偶發(fā)性事故處置效率70%以上。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃及交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，對(duì)精細(xì)化、智能化的路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)應(yīng)用需求將愈發(fā)迫切，對(duì)路網(wǎng)無(wú)人巡檢模式的應(yīng)用系統(tǒng)將愈發(fā)細(xì)致，本文通過(guò)以北斗高精度定位技術(shù)構(gòu)建無(wú)路網(wǎng)無(wú)任何巡護(hù)模式并開(kāi)展探究應(yīng)用，對(duì)后續(xù)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略及交通領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造具備一定指導(dǎo)意義。