无人机高速公路巡检和应急指挥
解决方案
河南天腾测绘科技有限公司
2018 年 9 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：
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；
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；
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。
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｡
小型无人机日常维护费用低，获取信息快速直接，可节省项目周转等附加成本,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/T 28181-2011）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。
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. 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。
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。
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。
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。
6. 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
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，采用垂直起降的方式，以及 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。
三. 无人机系统介绍
2. 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： 5)
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。 6)
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，采用垂直起降的方式，以及 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。 7)
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。 8)
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. 整体应用示意图
4. 系统组成
•
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
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。
3）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
5. 无人机性能
（1）无人机参数 类别 名称 单位 机体材质 翼展 起飞重量 最小 最大 固定翼模式 旋翼模式 技术参数 碳纤维/凯夫拉/玻纤复合机体 2550mm 6.9kg 8.9kg 120min 25min 海拔≤4000m 1m/s～25m/d（视任务模式，可固定翼多旋翼同时融合） 28m/s 6m/s（海平面） 标准 最大 垂直起降 水平航迹 垂直航迹 15km@城区 控制半径 30km@野外 50km@野外 失控保护能力 5m 3m 7dbi全向天线 7dbi全向天线 14dbi定向跟踪天线 1kg 2kg 续航时间 飞行高度 巡航速度 最大海平面速度 套 最大爬升率 最大有效载荷 起降方式 航迹控制精度 飞行器 Angel UAV混合翼无人飞行器 低电量保护、电子围栏、低高度保护、失速保护 存储形式 适航能力 操控方式 RAW+JPG数据存储、POS数据存储 抗风5级 遥控、自控、程控 Core i7处理器/16GB内存/512GB SSD固态硬盘 地面控制站系统 飞控电脑 套 配合地面控制站电源最大自持能力48小时，集成50km数据链路接收系统 支持可选装支持4GLTE数字链路 遥控器 综合天线 充电器 供电系统 充电电源 动力电池 套 套 个 个 套 Futaba-T8fg 7dbi全向天线 6S 500W充电器*1件 750W开关电源*1件 6S 24AH动力电池*1组 （2）可搭配载荷 摄影测量相机：
相机重量：大约250g 定焦：21mm
焦距：10cm/无限远
光圈：F2.8-22多级可变光圈 像素：2040万
传感器尺寸：22.3*15.8mm，约2英寸（APS-C传感器） 快门：机械式
最大快门速度：1/2000s ISO：100-6400 白平衡：自动
图像格式：JPEG & DNG 纵横比例：5472×3648px JPEG颜色协议：sRGB
五通道相机（含GPS/IMU芯片）： 相机体
4个光谱1.2Mpx 10位全局快门 高达1FPS
RGB相机 16Mpx卷帘快门 Wi-Fi配置 IMU+磁力仪 64GB
5瓦（~12瓦高峰值） 重量72g 光照传感器
滤镜与相机体的4个光谱相机一样 GPS
IMU-磁力仪
SD卡（3张，64G）
1瓦 重量35g
热红外相机：
图像大小640像素×512像素 GSD在75米高度：14cm 成像率：7.5张每秒 影像输出率：7.5fps 影像格式：GPX轨道的mp4 场景温度：-40℃到160℃ 温度分辨率：0.1℃
温度校准：自动，以热成像为基础 输出格式：TIFF图像、mp4影像 相机重量：大约134g
作业高度：75-150米
6. 4G 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
6) . 终端采用嵌入式系统架构，高性能 H265 编解码处理器设计。 7) 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 8) 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。 9) 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
10) 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
布设
7. 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 H265/264 Main Profile，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 128GB 6) 前端和中心可以进行双向的语音对讲 7) 4G LTE 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
8. 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，提高了交通拥堵与事故处理能力。
执勤人员通过手持的无线语音发射器进行语音的输入，在无人机上搭载的无线语音接收器可以接受到执勤人员发出的语音信息，同时结合视频信息，执勤人
员就可以如亲临现场的体验进行执勤与交通拥堵和事故的处理工作。
无线喊话系统性能：
1) 支持单发单收、单发多收应用模式。
2) 喇叭重量 500g，一体化设计，结构简单，安装方便。 3) 内磁喇叭，有效避免干扰飞机地磁。
4) 采用数字语音算法，声音清晰度高，消除模拟语音的杂音现象。 5) 支持实时喊话和 SD 存储卡语音播报，随时灵活切换。
6) 喊话音质清晰宏亮，警调低音浑厚，穿透力强，100 米外测得 80 分贝。 7) 有效传音距离 1 公里。
8) 防啸叫设计，20 米外喊话喇叭无啸叫声。
9) 喇叭体积小，重量轻，在飞机上的飞行空气阻力小。
10) 发射接收传输距离最远能达到 10 公里，距离变化不影响声音强度音质。 11) 在嘈杂环境中使用不影响喊话声音清晰度，更适合复杂的现场指挥环境。
•
调度指挥中心平台
无人机视频监控协议是按照视频监控国家标准（GB/T 28181-2011）研制，
确保无人机视频无缝对接标准视频监控平台。补充了传统视频监控摄像头的不足，给高速公路交通管理带来了新的视野，提升了应对突发事件的响应速度。
中心视频平台中接入无人机系统，对无人机系统有良好的功能性扩展的特点，具体特点如下：
3 良好的扩展性，能方便的添加监控点及报警功能 4 可追溯性强，对无人机回传的信息进行集中的存储
5 监控能力强，通过网络可以同时监控在不同地域的无人机信号
6 综合指挥能力高，通过在中心对整体情况的分析与判断可以整体把控交通情
况
三．高速行业功能应用
1.
大型固定翼无人机具备速度快、航程远、飞行高度较高等诸多优势，并且这种无人机通常可以搭载高清数字化摄像头，可以对地面实时情况进行清晰地拍摄和录像，非常适用于在空中进行日常巡逻和路况采集任务。如果让固定翼无人机运行在巡航模式下，无需人工干预，每天自动地往返于已经规划好的路段上。这样无人机就像一个飞行的干里眼、将源源不断的视频信息通过移动互联网发送给道路指挥中心，道路指挥中心能直观并且迅捷地对该条道路的通行状况和天气状况有一个很清晰的了解，并且可以将实时获取的路况发布到信息平台一，让路上的驾乘人员和即将出行的人们都能获取最新最准确的路况信息。自主选择出行路线和时间，为安全而便捷的出行打下坚实基础。
日常路况监控
2.
交通管制 当高速公路出现事故逃逸、闯卡等违章违法的恶劣行为时，搭载视频传输系
统和全球定位系统的无人机可以对肇事车辆进行长距离长时间的跟踪和定位、并且引导执法人员进行拦截和处置。为打击道路犯罪做出贡献的同时，也避免了执法车辆直接在高速公路上对肇事车辆进行拦截移至追逐造成的危险，并提高了路面执法人员的人身安全。
3.
应急处置 1) 现场监视和指挥 当高速公路发生交通堵塞、事故甚至火灾，以及其他一些地理、气象因素造成严重影响交通运行安全的情况下，如何让决策者更快更直观的了解现场情况， 一直是一个难题。因为固定摄像机覆盖范围有限.不能满足全程视频覆盖的需要、而携带车载或者单兵监视系统的路政、交警车辆及人员，可能也被漫长的车流隔离在了远离现场的地方，一个快速反应的视频传输尤其是现场指挥平台就显得尤为重要。
在欧美发达国家.这种快速反应平合一般是以直升机为载体、但是鉴于直升机价格昂贵、运维成本高等诸多因素。造成其并不适合当今中国国情。这种情况
下价格低廉，并且维护相对方便的无人机就派上用场了。
固定翼无人机速度比一般车辆的行驶速度有很大提高。并且其行进不受地形限制和干扰。可以直接飞往事发地点，第一时间赶赴现场，并且从空中将现场的视频传输给道路指挥和调度中心。无人机可以鸟瞰地面车流实况，有利于道路管理部门掌握全局，通盘指挥扣正确疏导，为解决道路阻塞等同题做出贡献。
突发事件发生后，旋翼无人机则可以搭载喊话器、警报器和交通指挥信号灯等不同任务模块，在路政执法人员到达现场之前更快地到达现场，执行调度指挥任务交通管理人员可以通过旋翼无人机搭载的交通管制设备直接对现场交通进行指挥、疏通。 2) 协助救援
当高速公路发生交通事故时，可能随之而来的是大面积的交通拥堵，尤其是很多时候救援人员到了现场才发现有些救援所急需的设备扣药物不能及时到达现场，受伤人员不能得到及时转移和救治，在这危机时刻，每一分钟都显得格外宝贵。而无人机的加入正好解决这些问题，旋翼无人机可以避开拥堵的车流和人群，可以直接降落到现场投送急需的物资和器具。
针对以上情况，对当前的高速公路巡检和应急指挥系统提出了更高要求。在远距离监控方面要能对之前的有线视频布点监控进行灵活补充，以减少监控盲区，提高工作效率；在应急突发事件处理方面，要能在道路中断的情况下，提供前后端的双向通信业务，实现应急指挥功能。
4.信息采集
在日常工作中路政人员对桥梁下、隧道内、边坡、危涯的信息的采集显得非常困难，不但耗时费力，且并不安全，由于缺乏专业知识和设备，采集的信息的准确度也不高，极端恶劣气候时的冰冻，大雾，暴雨路面巡查工作更是充满挑战。无人机在上述各方面体现出了强大的安全性，信息收集的准确便利性，以及经济性价比高等特点。
5.违法行为抓拍
往常查处交通违法时，交警往往无法做到比较隐蔽，但是无人机一出马，让很多车主的侥幸心里成为泡影。查处交通违法时，无人机通常放飞到 200~300
米开外，在 20~30 米的高空飞行，对高速的违法行为可以全面的监控。
6.无人机面临的挑战
高速公路行车路程长，巡航范围大，无人机需要机动灵活地跟拍车辆或查看事故堵点的细节，才能有效的弥补地面摄像头位置不佳存在的盲区，因此对于无人机的续航和任务挂载提出了较高的要求。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容