基于多旋翼無人機的城市智能交通系統(tǒng)研究與發(fā)展

(重慶交通大學 重慶 400000)

引言

隨著世界經(jīng)濟飛速發(fā)展，城市交通網(wǎng)絡建設已經(jīng)成熟，交通擁擠、交通事故以及交通基礎設施趨于老舊化成為各國大中小城市的普遍問題。根據(jù)相關部門統(tǒng)計，英國司機年交通擁堵成本超過377億英鎊(約合523億美元)，平均每名司機的年擁堵成本達1168英鎊(約合1621美元)。據(jù)統(tǒng)計，我國靜態(tài)交通問題帶來的經(jīng)濟損失已占城市人口可支配收入的20%，相當于GDP損失5-8%[1]。由于城市交通擁擠經(jīng)濟損失嚴重，構建智能城市交通體系已步入快車道，利用多旋翼無人機進行交通管理信息采集成為關鍵點之一。傳統(tǒng)交通監(jiān)管系統(tǒng)是利用傳感器、攝像頭等固定硬件進行交通數(shù)據(jù)定點分析，最后匯聚為區(qū)域信息，由于數(shù)據(jù)傳輸存在延遲，無法從廣角了解具體交通路況信息，因此，無人機信息采集成為新途徑。

2002年起，美國、德國、瑞典等國家的相關機構先后展開了無人機在交通領域的應用研究；2010年前后，西班牙、俄羅斯和韓國也加入了該領域研究行列。國內(nèi)起步較晚，從2011年前后至今，主要有中國人民解放軍理工大學、北京航空航天大學、同濟大學和上海天交通大學等高校在開展相關研究[2]，但以大疆公司、北京維思韋爾航空電子技術有限公司等帶頭的相關企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。在這些年間，中國度過了從效仿國外無人機到自主研發(fā)無人機再到出口無人機的過程，而由于無人機的各類優(yōu)勢，中國及其重視其發(fā)展，并將發(fā)展相關技術列入863計劃中(無人機發(fā)展概覽)，而利用無人機進行實時信息采集結合大數(shù)據(jù)處理具有極大的潛力，但同時也面臨諸多挑戰(zhàn)。

文章對多旋翼無人機發(fā)展歷程進行介紹，分析利用構建基于多旋翼無人機的道路交通監(jiān)管系統(tǒng)的優(yōu)勢以及挑戰(zhàn)，并展望未來發(fā)展趨勢。

一、多旋翼無人機發(fā)展史

距今，多旋翼無人機發(fā)展已經(jīng)有100多年的歷史。1907年，法國飛機設計師Louis Breguet所制造的Breguet-Richet Gyroplane是第一架能夠垂直上下懸降的載人四軸旋翼機，雖然當時極限飛行高度僅有0.6m至1m，極限飛行時間14分鐘，但這是人類第一次嘗試此構型。由于技術受限，直到20世紀中葉，一種能夠?qū)崿F(xiàn)上下懸降、上下飛行的四旋翼直升機才被設計出來。隨著MEMS技術、微型芯片、微傳感器處理技術的發(fā)展，小型多旋翼無人機才逐漸繁榮，得以復興。

如今，多旋翼無人機發(fā)展迅速，廣泛應用使它在人工智能和虛擬現(xiàn)實為主的當下占得一席之位。2016年的國際消費類電子產(chǎn)品展覽會(CES)上，無人機成為了最搶眼的品類之一，參展企業(yè)有27家，而在早年，參展企業(yè)僅為個位數(shù)[3]。多旋翼無人機的諸多優(yōu)點讓其在各個行業(yè)以及領域中飽受好評，其民用領域最為突出：

農(nóng)業(yè)植保中，我國農(nóng)藥發(fā)展一直以高效、低毒、低殘留為目標，而利用多旋翼無人機噴灑液態(tài)化學農(nóng)藥噴霧、植物生長劑以及肥料等農(nóng)藥則使工作人員不予農(nóng)藥直接接觸，提高人員安全。2016年，新華社全文播發(fā)了《中共中央國務院關于落實發(fā)展新理念加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化實現(xiàn)全面小康目標的若干意見》，其中聚焦三農(nóng)，加大政府補貼力度，再一次推動多旋翼無人機在其中的應用。

電力應用中，多旋翼無人機可代替人力，利用高分辨路攝像頭以及紅外線檢測裝置對長期鋪設在外的輸電線路進行巡檢，檢查其是否有倒塔、斷股、磨損、腐蝕等損傷。同時在電力工程前期的土石方及基礎建設、組塔和架線三階段中，多旋翼無人機遙感測繪技術可優(yōu)化路線，確定最佳建設位置，以及周圍環(huán)境等因素，大大彌補了人力短板。

遙感測繪中，高分辨率、針對性強、方便靈活等因素使得基于無人機的高分辨率對地觀測航空遙感系統(tǒng)成為目前行業(yè)內(nèi)的新方向。傾斜攝像技術、遙感圖像拼接技術以及基于無人機影像的三維重建技術正推動者遙感測繪行業(yè)步入新的時代。

工業(yè)檢查中，油氣管道巡檢、風力發(fā)電機巡檢查、鐵路巡檢、太陽能發(fā)電系統(tǒng)巡檢、橋梁巡檢等應用讓工業(yè)檢查更趨于高效化、全面化、智能化以及安全化。

當然，在交通管理中，多旋翼無人機的啟用為執(zhí)法人員提供更廣闊的視野以及更高效的執(zhí)法，下文將重點分析。

二、城市智能交通系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,ITS)是以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進信息技術為支撐，電子自動控制技術與傳感器檢測技術有機結合[4]，以人、車、路三級數(shù)據(jù)共享為核心，打造實時、準確、高效的信息庫，搭建智能化、信息化、可控化的地面交通運輸系統(tǒng)，建立大范圍、全方位的數(shù)據(jù)共享模式的現(xiàn)代交通系統(tǒng)模型，利用先進技術達到路況透明化、行車智能化等目的。

20世紀60年代以來，因道路堵塞、環(huán)境污染、交通事故等產(chǎn)生的負面影響日趨明顯，逐漸成為牽制國家經(jīng)濟發(fā)展的重點問題之一。信息革命時代所帶來的相關信息技術被各國交通業(yè)界吸收，并經(jīng)過一段時間的研究與醞釀，智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,簡稱ITS；原為“IVHS——智能車輛道路系統(tǒng)”)的概念正式步入人們視線，智能交通系統(tǒng)正式開始大規(guī)模應用。

(一)國外ITS發(fā)展情況——以美國、歐盟為例

1.美國

美國是最早開始智能交通系統(tǒng)研究的國家。20世紀60年代末，美國運輸部聯(lián)合通用汽車公司共同研發(fā)電子路徑導向系統(tǒng)，其中包括車載顯示器、路旁單元、車載設備和路旁單元的雙向通訊等功能，開創(chuàng)了美國智能交通系統(tǒng)的先河。

20世紀70年代末，第一顆全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)由美國發(fā)射，同期的數(shù)字地圖汽車導航器、電子拍照等產(chǎn)品為日后美國智能交通系統(tǒng)發(fā)展打下扎實的基礎。

20世紀末，美國正式頒布《國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃》(National ITS Program Plan)，確定了美國智能交通系統(tǒng)所具備的7大領域與30個公戶服務功能[5]，如表1美國智能交通系統(tǒng)網(wǎng)絡基本構成所示。

表1 美國智能交通系統(tǒng)網(wǎng)絡基本構成

近幾年，美國智能交通系統(tǒng)的建設重點主要圍繞車路協(xié)同系統(tǒng)(Vehicle Infrastructure Integration，VII)其中包括增強型數(shù)字地圖(EDMap)、智能車輛先導(IVI)、車輛安全通信(VSC)、交叉口協(xié)作避碰(CICAS)內(nèi)容。同時，美國通訊委員會專門分配5.9GHz專用短程通信(DSRC)頻段用于此項目，并在加州、密歇根州與亞利桑那州等地區(qū)重點開展建設。

2.歐盟

自從1969年歐盟前身——歐共體委員會提出開展各成員國之間交通控制電子技術演示，只到1985年，歐盟的ITS才正式開始發(fā)展，各成員國一同成立了歐洲智能交通協(xié)會(ERTICO)，統(tǒng)一領導規(guī)劃實施智能交通系統(tǒng)相關工作。由于歐盟ITS發(fā)展必須考慮多個成員國的具體情況，其發(fā)展重點則在于標準化、信息交換與整合，唯有通過統(tǒng)一的標準化協(xié)議才能使ITS在歐盟中得以發(fā)展。

現(xiàn)目前，歐盟智能交通系統(tǒng)建設主要圍繞4個方面：安全性(Safe Mobility)、合作性(Cooperative Mobility)、生態(tài)流動性(Eco Mobility)以及信息流動性(Info Mobility)。

(二)國內(nèi)ITS發(fā)展情況

中國ITS研究起步于20世紀70年代末，ITS概念剛剛從美國、日本等發(fā)達國家引入中國，且由于國家經(jīng)濟還處于恢復期，城市機動車需求量低，交通問題還未惡化，直到20世紀90年代末，中國經(jīng)濟快速發(fā)展，城市交通落后弊端凸顯出來，ITS才之間被國家以及政府重視，并開始研究相關技術。

中國ITS發(fā)展主要分為四個階段：探索階段、初步發(fā)展階段、加速發(fā)展階段以及移動互聯(lián)網(wǎng)新階段，如圖表2中國ITS發(fā)展各階段及內(nèi)容所示。

表2 中國ITS發(fā)展各階段及內(nèi)容

現(xiàn)階段，我國ITS應用主要分為6個方面：交通管理系統(tǒng)、交通信息系統(tǒng)、車輛控制系統(tǒng)、公共交通系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)以及實時監(jiān)控系統(tǒng)。其中前三個方面成為我國ITS的強項。

三、多旋翼無人機在ITS中的應用研究

2002年，作為第一個將多旋翼無人機引入交通監(jiān)管的國家，美國相關部門開展一個項目，深入研究多旋翼無人機數(shù)據(jù)采集技術的可行性。結果表明：利用無人機進行交通數(shù)據(jù)采集可降低20%的總成本，每年可節(jié)省7500萬美元左右的費用，且加裝擴展裝備可客觀展現(xiàn)實時路況以及交通事故，從被動向主動轉變。

隨后，多旋翼無人機在交通監(jiān)管中的應用越來越多，結合ITS的無人機交通監(jiān)管模式也逐漸體現(xiàn)優(yōu)勢。

(一)無人機系統(tǒng)

無人機系統(tǒng)(Unmanned Aircraft System，UAS)是指由飛行器系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)、通信鏈路系統(tǒng)以及載荷系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成，對無人機進行監(jiān)控、支援、信息傳輸、維護等功能為一體的系統(tǒng)。四大系統(tǒng)及其作用如圖1所示。

圖1 無人機系統(tǒng)

四大系統(tǒng)相輔相成，才能構建一架能夠自主控制、擁有后備支援的無人機，而將多旋翼無人機與ITS相結合，四大系統(tǒng)有效集成才能實現(xiàn)。

1.動力系統(tǒng)

由于多旋翼無人機在執(zhí)行任務時要求靈活，可操控性高，且具有相對較長的續(xù)航時間，動力系統(tǒng)決定了無人機的結構以及重量、體積。

傳統(tǒng)多旋翼無人機多采用鋰聚合物電池作為主要飛行動力，自重2～5kg，最長續(xù)航時間不超過40min，但充電池時間超過1h。由于鋰電池相關技術已無法取得突破，即使使用高能鋰電池，續(xù)航時間不超過1.5好，且增加自重，約束空中靈活性。

隨著新能源的開發(fā)，目前無人機載電池得到了進一步突破。2015年5月，新加坡公司研發(fā)的搭載氫燃料電池的多旋翼無人機，可空載續(xù)航4h，1kg滿載飛行150min，相對于鋰聚合物電池，續(xù)航時間大大延長，且氫燃料電池安全性更高，更換燃料方便，更符合現(xiàn)對多旋翼無人機的要求[6]。

為了更好與ITS有機結合，現(xiàn)目前市場上存在電池智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時顯示電池電壓、電量剩余百分比、電池溫度、電池休眠保護、電池狀態(tài)等電池參數(shù)，在進行無人機遠程操控時，可更好地了解無人機狀態(tài)，實時準備召回。

2.數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

不同與軍用固定翼無人機以及大型民用無人機，多旋翼無人機多進行周期短、無基站或遠程指揮中心、利用短距離無線局域網(wǎng)協(xié)議進行現(xiàn)場視距數(shù)據(jù)采集的工作，所以對于數(shù)據(jù)鏈要求不高，Zigbee 組網(wǎng)或WIFI傳輸協(xié)議已能滿足大部分需求。在ITS中，建立智能化、信息化、可控化的地面交通運輸系統(tǒng)，需要的是能夠?qū)崟r傳遞數(shù)據(jù)的“天眼”，比起固定的監(jiān)控攝像頭和道路傳感器，多旋翼無人機顯然能夠擔起重任。如圖2所示，將ITS指揮中心設為地面基站與網(wǎng)絡中心，利用超視距數(shù)據(jù)鏈進行數(shù)傳、圖傳的實時進行，在未來信號范圍問題得到改善或解決，遠程指揮中心作為多旋翼無人機基地，進行無人機遠程派遣與回收，能夠更進一步減少人力成本。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸鏈

3.有效載荷

有效載荷是無人機完成各項工作所需要的功能模塊，可以說無人機是搭載各類功能模塊的飛行平臺，只有搭載有效載荷，無人機才能發(fā)揮最大的作用，如表格 4數(shù)據(jù)傳輸鏈中的光學設備、通信設備以及傳感器設備。

最常見的有效載荷是光學照相機為首的光學設備，搭載光學設備進行航拍、圖片采集也是多旋翼無人機最常見也是最重要的工作之一。當然，在交通管理中，普通光學設備已無法滿足需求，紅外線、熱敏設備以及特種設備成了有效載荷的新產(chǎn)品，利用這些載荷，多旋翼無人機可完成遠程喊話、事故航拍、追蹤軌跡等操作，如Figure 1車輛軌跡追蹤 Figure 2航拍交通事故所示[2]。

四、未來發(fā)展趨勢

就目前發(fā)展速度而言，5G網(wǎng)絡已經(jīng)開始普及，多旋翼無人機會在不久后正式加入大數(shù)據(jù)采集隊伍之中。而無人機技術也朝著高機動、長續(xù)航、自主飛控、智能感知等方向發(fā)展，現(xiàn)今的“互聯(lián)網(wǎng)+”必將帶來“無人機+”的專業(yè)領域研究。

攻克動力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)入y關后，將多旋翼無人機與人工智能進行結合，也必將帶來新一次的科技浪潮，無人機交警、智慧物流等技術也將逐漸成熟，真正的ITS將向我們逐漸靠攏。