無人機網(wǎng)格化路徑在交通行業(yè)的應(yīng)用＊

韓騏宇，趙文朝，胡雙林，陸 靖，曹彥淇，劉蘭馨

（沈陽科技學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

科技的發(fā)展引領(lǐng)了新型城市建設(shè)，現(xiàn)代社會在原來城市的基礎(chǔ)上進行了“智慧城市”建設(shè)。隨著信息技術(shù)日漸發(fā)展，信息之間的傳輸與整合能力也在逐步提高，人們居住的環(huán)境也愈發(fā)“智能”起來。在如今生活的重要領(lǐng)域之一——交通領(lǐng)域，“智慧交通”也在不斷的發(fā)展。無人機的出現(xiàn)無疑對這一領(lǐng)域起到了推動性作用。時至今日，飛行器已有越來越多的種類，但無人機憑借其優(yōu)勢，在消防救災(zāi)、公安系統(tǒng)、國土測繪、氣象環(huán)保監(jiān)測、包裹派送等方面一展身手。對無人機行業(yè)發(fā)展前景進行分析，近年來工業(yè)無人機不管是在國內(nèi)還是在全球，市場規(guī)模擴張速度都非常快，國內(nèi)工業(yè)無人機市場規(guī)模的擴張速度每年基本在50%左右，全球工業(yè)無人機市場規(guī)模的擴張速度每年基本在20%左右。

隨著智慧交通的建設(shè)，無人機的一些問題也越來越顯著，比如續(xù)航問題、拍攝問題、數(shù)據(jù)傳輸問題以及路徑問題。其中，在路徑問題上，目前的無人機引導(dǎo)已經(jīng)由單個無人機變?yōu)榧w無人機編隊來進行道路場景的拍攝和數(shù)據(jù)傳輸。對于解決此路徑問題，本研究團隊采用無人機編隊網(wǎng)格化的方案。這種解決方案更加節(jié)省人力物力，使每一臺無人機發(fā)揮其最大價值。以最優(yōu)解法解決無人機編隊問題，并在技術(shù)層面探討其在交通行業(yè)中的應(yīng)用。

1 道路規(guī)劃系統(tǒng)的構(gòu)成及其運行方式

1.1 城市道路網(wǎng)規(guī)劃

城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不是單獨的技術(shù)類別問題，而是政治、經(jīng)濟和技術(shù)結(jié)合在一起的全面性問題。

城市道路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃是全面城市交通規(guī)劃的最重要組成部分之一[2]。改善城市道路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局之后，在主要的城市規(guī)劃路網(wǎng)絡(luò)中形成評估和調(diào)整。它的主要目的是建立一個完整的道路系統(tǒng)。其功能是使道路更快速方便，主要道路和次要道路分布合理，并且有足夠的交通能力。

城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃包含2 個核心：一個是計劃和制定道路布局，二是評估道路布局。

1.2 道路規(guī)劃的最短路徑問題

道路交通模型是表示道路交通參數(shù)與相關(guān)社會經(jīng)濟參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)或物理方程。道路交通參數(shù)包括交通量、速度、密度、車頭時間距離等，社會經(jīng)濟參數(shù)是指人口、道路里程、土地利用等。交通流系統(tǒng)主要部分可實現(xiàn)通過應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計、定性定量分析等建立模型。

本小組主要對最短路徑選擇問題進行研究。最短路徑問題是圖論研究中的經(jīng)典算法問題，就是找到圖中2 個節(jié)點之間的最短路徑[3]。具體算法格式如下。

確認(rèn)起點的最短路徑問題——已知起始節(jié)點，尋找路徑最短的問題。

確定終點的最短路徑問題——與已知起點問題相反，該問題是已知經(jīng)結(jié)節(jié)點，是求最短路徑問題。在無向圖中的這個問題完全等同于決定起點的問題，而有向圖中的這個問題完全等同于決定起點的所有路徑的方向反轉(zhuǎn)的問題。

最短路徑問題通過確定起點和終點——（即已知的起點和終點）來查找2 個節(jié)點之間的最短路徑。

全局最短路徑問題——在圖中查找所有最短路徑。

Dijkstra（迪杰斯特拉）算法是路徑研究問題典型方法中最典型的。該算法用于計算一個節(jié)點到其他所有節(jié)點的最短路徑[4]。該算法的主要特征是將其擴展到外層，并以起點為中心，直到擴展到終點為止。Dijkstra（迪杰斯特拉）算法可以獲取最短路徑的理想解決方案，缺點是效率很低，因為許多節(jié)點跨越計算。但是它可以用堆進行優(yōu)化。

Dijkstra（迪杰斯特拉）算法是路徑算法中最具代表性和較短道路算法。它詳細介紹了許多專業(yè)內(nèi)容，例如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖形理論和操作。Dijkstra 通常有2 種類型的表達：一個是通過永久性和臨時標(biāo)記計算的，另一個是使用開放和關(guān)閉的路徑。這里使用開放和關(guān)閉的路徑。

采用貪婪方法算法的策略，生成2 個表，即OPEN表、CLOSE 表。打開的表保留了生成但未檢查的所有節(jié)點，并且封閉表記錄了已訪問的訪問節(jié)點：①訪問最近在初始節(jié)點上未檢測到的點，并將這一點放在公開組中，等待檢查。②找到最接近開放桌的點，找出此點的所有子節(jié)點，然后將它們放在顏色表中。③將這一點的子級分付諸實踐。找到這些補貼與起點之間的距離，然后將節(jié)點放在打開的表中。④重復(fù)步驟②和③，直到打開表為空或找到目標(biāo)點。

2 無人機及通信技術(shù)在道路規(guī)劃中的應(yīng)用

目前，有3 種主要數(shù)據(jù)傳輸和通信方法：電臺、Wi-Fi、運營商公網(wǎng)。電臺是無人機的首選。依據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)則》及中國頻譜運用狀況，規(guī)劃840.5～845 MHz、1 430～1 444 MHz 和2 408～2 440 MHz 頻段用于無人駕駛航空器系統(tǒng)。它的通信間隔一般在15～30 km 之間，普遍應(yīng)用于軍警、植保、航測等各類工業(yè)級無人機。其次，Wi-Fi 用于數(shù)據(jù)通信，通常是2.4 G H z，通信間隔為6 0 0 ～800 m。據(jù)說，企業(yè)可以通過特殊技術(shù)達到5 km 的理想環(huán)境，并達到1～2 km 的通信間隔。最后，當(dāng)挪動運營商網(wǎng)絡(luò)在空中超過300 m 時，挪動運營商的3G/4G公共網(wǎng)絡(luò)沒有信號，空氣中無人機的正常工作高度為300～1 000 m。在300 m 以上的位置，無人機就很難獲得相應(yīng)的信號，無法確定基站與機載移動臺之間的高精度地基實時通信情況，所以就很少使用。

目前市場上工業(yè)級無人機的高精度應(yīng)用形式可以簡單歸納為2 類：第一類是“臨時飛行形式”，第二類是“定期飛行形式”。兩者都是基于地面強化站的高精度加工方案，其原理都是基于RTK 載波相位差技術(shù)。在討論無人機系統(tǒng)（UAS）的范圍限制時，系統(tǒng)中的薄弱“環(huán)節(jié)”是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。很多時候，無人機可以“飛出”數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，但航程受到數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的限制。

其中有多種可供消費者使用的數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)組合可用于無人機操作。無人機操作中使用的3 個主要組件數(shù)據(jù)鏈路是無人機控制、視頻傳輸、遙測。

關(guān)于數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)中常用的特定無線電頻率，有幾點需提及。這些頻率中最受歡迎的是：900 MHz——能夠穿透障礙物，較窄的頻帶限制了最大數(shù)據(jù)速率；3 GHz——能夠穿透障礙物，限制最大數(shù)據(jù)速率；4 GHz——使用最廣泛的頻率，在此頻段傳輸可能會變得“擁擠”；8 GHz——最短范圍，具有較大的最大數(shù)據(jù)速率。

這些無線電頻段都有各自的用途，具體取決于它們的穿透范圍和穿透能力。頻帶越低，越能穿透操作員和無人機之間的障礙物。這是因為每個波段的波長越長，頻率就越低，而范圍越大。

UAS 中最常用的數(shù)據(jù)鏈路是1.3 GHz、2.4 GHz 和5.8 GHz，具體情況如下。

1.3 GHz：根據(jù)使用數(shù)據(jù)來看，該系統(tǒng)的續(xù)航里程可以超過6 km。由于是最低數(shù)據(jù)速率，該系統(tǒng)的缺點是視頻質(zhì)量差。然而，由于波長相對較長，因此具有更強的穿透能力。

2.4 GHz：該系統(tǒng)的范圍可以超過2 km。但是該系統(tǒng)的缺點是許多無人機會使用2.4 GHz 進行控制，如果2.4 GHz 用于視頻傳輸，就不能用于控制，否則會造成傳輸和控制相互干擾。

5.8 GHz：由于其短波長和較大數(shù)據(jù)速率，是用于視頻傳輸相對較好的頻率。與其他可用選項相比，產(chǎn)生的視頻較為清晰。然而，由于波長短，該系統(tǒng)只能行駛在8 km 以上，并且穿透能力有限。

UAS 中用于遙測的最流行的數(shù)據(jù)鏈路頻率是400 MHz 和900 MHz。這些頻率具有長距離的優(yōu)勢，不會丟失任何數(shù)據(jù)。然而，由于波長較長，這些系統(tǒng)無法快速傳輸數(shù)據(jù)。

3 基于道路規(guī)劃系統(tǒng)的自組織無人機網(wǎng)格工作模式

3.1 無人機編隊控制

多無人機協(xié)同編隊飛行，簡稱CFF（Coordinated Formation Flight），就是將具有自主控制能力的多架無人機按照指定的三維隊形和結(jié)構(gòu)進行排列，并通過設(shè)計編隊控制器使得所有的無人機在飛行過程中不僅能夠保持隊形的穩(wěn)定，協(xié)同完成各項任務(wù)，而且可以進行隊形的實時調(diào)整。

在通信機制上，無人機、機器人的編隊控制主要分為以下3 種類型。

集中式控制：集中式控制因受限于中心計算機資源無法大規(guī)模實現(xiàn)編隊控制。每個機器人要把姿態(tài)速度位置信息通信給所有機器人，每個機器人都需要知道編隊的所有信息。優(yōu)點是控制難度最小、精度最高，缺點是對計算性能和通信帶寬要求高。

分散式控制：每個機器人只知道自己在隊伍中的目標(biāo)點，并不需要和其他機器人進行信息交互。優(yōu)點是這種編隊方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)；缺點是對環(huán)境的適應(yīng)性和魯棒性都是最差的。

分布式控制：分布式控制在理論上來說是可以做到無限規(guī)模的集群編隊?；诖耍ㄟ^分布式控制來實現(xiàn)編隊控制。每臺無人機只和鄰近的無人機進行信息交互，控制效果較集中式稍差，但對通信帶寬的要求大大降低，實現(xiàn)簡單。分布式控制所需信息量小，同時又避免了碰撞，便于工程實現(xiàn)。另外，分布式控制對編隊的重組和分離都有一定的優(yōu)勢，可以把影響限定在局部范圍內(nèi)，是今后編隊信息交互形式的發(fā)展方向。

在1987 年Reynold 提出分布式協(xié)同三定律：避碰、速度一致、中心聚集。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)任意無人機可以滿足此項定律，該系統(tǒng)就能形成集群飛行的效果。本節(jié)集群研究都基于此項定律。

3.2 分布式協(xié)同假設(shè)

無人機編隊控制將以有領(lǐng)導(dǎo)角色無人機和控制臺控制有規(guī)則協(xié)同2 種控制方式進行假設(shè)。

3.2.1 假設(shè)集群中存在領(lǐng)導(dǎo)角色無人機

當(dāng)無人機群以領(lǐng)導(dǎo)機的方式飛行則可以初步實現(xiàn)自組織無人機網(wǎng)格[5]，假設(shè)以4 個無人機為一組，1 臺為領(lǐng)導(dǎo)機，2 臺僚機，1 臺隨時補足低電量無人機，4臺無人機均可隨時變換為領(lǐng)航機，電池續(xù)航時間為90 min 且充電時間均為30 min。4 臺無人機間隔相同時間出發(fā)，一次回落充電，保證3 臺無人機進行巡航任務(wù)，1 臺無人機進行充電。只要在充電完成立即保證替換補充，就能夠使浪費的閑置時間t1=0。如此一來閑置時間為零，所有飛機要么是在飛，要么是在等某一個下來，立即替補。令充電時間為t=30 min，則間隔時間Δt=t=30 min。以這種補電方式可實現(xiàn)無人機效率最大化。

3.2.2 控制臺控制

無人機地面站系統(tǒng)可以由多個功能不同的控制站模塊組成，主要包括以下內(nèi)容。

指揮處理中心：指揮處理中心主要是制定無人機飛行任務(wù)，完成無人機載荷數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。通常指揮中心/數(shù)據(jù)處理中心通過無人機控制站等間接實現(xiàn)對無人機的控制和數(shù)據(jù)接收。

無人機控制站：無人機控制站主要由飛行控制、任務(wù)載荷控制、數(shù)據(jù)鏈控制和通信指揮等組成，可以控制無人機的機載任務(wù)載荷。一個無人機控制站可以指揮一架無人機，也可以同時控制多架無人機。無人機可以由一個控制站指揮和控制，也可以由多個控制站協(xié)調(diào)。

載荷控制站：載荷控制站的功能與無人機控制站類似，但載荷控制站只能控制無人機的機載任務(wù)設(shè)備，不能控制無人機的飛行。

控制臺控制則依舊沿用領(lǐng)航機編隊的充電補替方式，其飛行規(guī)則為2 臺無人機爬升至高空150～200 m位置進行巡航及監(jiān)控，1 臺無人機爬升至140 m 進行盲區(qū)補替，在出現(xiàn)緊急情況時140 m 位置無人機進行下降追蹤，其控制權(quán)交由控制臺控制。

4 無人機網(wǎng)絡(luò)在實地應(yīng)用時的應(yīng)急系統(tǒng)規(guī)劃

在當(dāng)下無人機網(wǎng)絡(luò)算法不完善且受自然因素影響較大的情況下，無人機網(wǎng)絡(luò)需具備應(yīng)急系統(tǒng)。

在設(shè)想中高速公路事故發(fā)生后，有關(guān)部門應(yīng)首先了解事故現(xiàn)場的交通信息，及時疏散車輛。然而，在實際工作過程中，執(zhí)法部門因受環(huán)境、時間、地理位置等因素影響，對交通狀況評價不準(zhǔn)，影響了交通事故處置工作成效。無人機技術(shù)實現(xiàn)無人值守的交通控制對環(huán)境進行記錄和恢復(fù)，現(xiàn)場斷開外殼揚聲器和記錄設(shè)備，減少交通事故處理難度。其中公路交通事故普遍較嚴(yán)重，容易造成車輛損壞和事故。傳統(tǒng)的救援方法不能適應(yīng)不同的事故情況。此外，救援設(shè)備往往準(zhǔn)備不足。無人機可以利用其更快的飛行速度及時將需要的物品運送到事故現(xiàn)場，從而為受傷人員提供更多的幫助。如果在網(wǎng)格化區(qū)域中的無人機因損壞出現(xiàn)無法滿足額定運行數(shù)量的情況，則應(yīng)更改算法，由其他網(wǎng)格補進待機無人機，以此完成突發(fā)情況的應(yīng)急處理。