基于北斗接收機(jī)的大型廠區(qū)無人機(jī)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：隨著城市大型工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展和快速擴(kuò)張，廠區(qū)、辦公區(qū)混合，傳統(tǒng)的以攝像頭為主的安防系統(tǒng)極易出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)；不規(guī)范的有害氣體排放、盜竊和火災(zāi)險情的及早發(fā)現(xiàn)對于大型廠區(qū)尤其是有危險品存儲的廠區(qū)極為重要。文中提出利用裝載北斗接收機(jī)的無人機(jī)實現(xiàn)靈活、無盲區(qū)的多功能廠區(qū)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)。在無人機(jī)上裝載監(jiān)控攝像頭和檢測傳感器，實現(xiàn)圖像獲取及煙霧探測，利用通信收發(fā)模塊將檢測到的圖像及數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺進(jìn)行圖像識別及異常情況判定，給出相應(yīng)的告警信息。地面平臺可以規(guī)劃無人機(jī)的巡查路線，實現(xiàn)監(jiān)控軌跡的全覆蓋和靈活可控，達(dá)到無盲區(qū)監(jiān)控及近距離監(jiān)控，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：北斗接收機(jī)；智能安防；無人機(jī)；軌跡控制；無線傳輸；多功能監(jiān)控

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-000-03

0 引 言

隨著社會的快速發(fā)展，大型企業(yè)的廠區(qū)越來越多，范圍越來越大，給廠區(qū)的安防工作和政府監(jiān)管帶來了困難[1]。大多數(shù)廠區(qū)主要通過攝像頭進(jìn)行安防監(jiān)控，但固定安裝的攝像頭使得監(jiān)控存在死角，給犯罪分子和意外情況以可乘之機(jī)。另外，部分廠區(qū)設(shè)施和辦公樓通常高達(dá)幾十米到上百米，而攝像頭的安裝通常不高，導(dǎo)致高空監(jiān)控出現(xiàn)一定困難，同時部分老舊廠區(qū)缺乏安防設(shè)備。此外，初發(fā)的火災(zāi)、有害氣體排放等異常事件無法通過視頻進(jìn)行監(jiān)控，留下了安防隱患[2-4]。大型廠區(qū)多功能無人機(jī)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)有安防措施的基礎(chǔ)上，主要針對廠區(qū)環(huán)境里影響公眾安全的事件進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

無人機(jī)以其靈活可控、擴(kuò)展功能強(qiáng)的優(yōu)點得到越來越廣泛的應(yīng)用，在無人機(jī)上裝載導(dǎo)航定位設(shè)備、檢測傳感器和圖像監(jiān)視設(shè)備可以實現(xiàn)靈活可控的安防監(jiān)控?；诒倍罚˙DS）接收機(jī)的多功能廠區(qū)無人機(jī)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)通過在無人機(jī)上裝載BDS接收機(jī)、攝像機(jī)及云臺、煙霧傳感器等擴(kuò)展安防系統(tǒng)的信息來源，并通過無線通信傳輸技術(shù)傳輸至監(jiān)控終端，實現(xiàn)多功能智能安防監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

地面監(jiān)控指揮平臺可以實現(xiàn)對無人機(jī)飛行軌跡的控制，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，顯示無人機(jī)平臺的檢測信息，自主判定異常情況并報警，實現(xiàn)對廠區(qū)的全方位安防監(jiān)控。

2 多功能智能安防監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

多功能廠區(qū)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)主要針對影響廠區(qū)安全及公共安全的因素，重點在于防盜、防火，并初步判定大氣污染。系統(tǒng)主要由兩部分組成：基于BDS接收機(jī)的無人機(jī)檢測平臺和地面監(jiān)控指揮平臺。其中，無人機(jī)檢測平臺主要包括BDS導(dǎo)航定位模塊、圖像及大氣數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊以及無人機(jī)控制模塊；地面監(jiān)控指揮平臺主要包括無線通信模塊、無人機(jī)軌跡控制模塊、異常情況判定及安防監(jiān)視模塊。智能安防系統(tǒng)的功能及信息處理如圖2所示。

利用BDS接收機(jī)確定無人機(jī)的位置，帶紅外功能的攝像頭用于白天及有燈光情況下的圖像拍攝和夜晚或著火期間煙霧環(huán)境下的紅外影像拍攝，高性能煙霧探測器用于著火期間的煙霧探測，同時可實現(xiàn)關(guān)鍵大氣污染物的探測。無人機(jī)的位置信息、煙霧信息及其周圍的圖像信息通過無線通信模塊發(fā)送給地面監(jiān)控指揮平臺，地面監(jiān)控指揮平臺的無線通信模塊接收信號后，對圖像進(jìn)行處理及識別，并判定異常情況：針對著火情況、有害氣體、可疑人員、可疑現(xiàn)場等，給出相應(yīng)的聲、光報警，并根據(jù)異常情況以及廠區(qū)建筑地形數(shù)據(jù)庫重新規(guī)劃無人機(jī)飛行軌跡，無線遙控?zé)o人機(jī)，使其對異常情況進(jìn)行近距離觀測，以幫助安保人員迅速判定現(xiàn)場情況，并采取相應(yīng)安防措施。

2.1 BDS導(dǎo)航定位模塊

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航效果良好，部分區(qū)域精度可達(dá)十幾米，完全可滿足多功能智能安防無人機(jī)的定位要求。BDS導(dǎo)航定位模塊利用接收天線接收北斗衛(wèi)星的信號，利用至少4顆衛(wèi)星的信息實時確定無人機(jī)的位置。

BDS的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)主要用來確定無人機(jī)的位置及所監(jiān)視的區(qū)域。無人機(jī)的位置數(shù)據(jù)發(fā)送給地面監(jiān)控系統(tǒng)，輔助地面監(jiān)控指揮系統(tǒng)根據(jù)情況控制無人機(jī)的飛行軌跡，實現(xiàn)對廠區(qū)全面優(yōu)化的監(jiān)控，包括在有疑似異常情況出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行多角度、近距離、長時間數(shù)據(jù)采集；晝夜采取不同的飛行軌跡以確保全天候的良好巡視效果。

2.2 圖像及大氣數(shù)據(jù)采集模塊

圖像及大氣數(shù)據(jù)采集模塊主要用于廠區(qū)環(huán)境的圖像采集，如有害大氣檢測、煙霧濃度檢測等，通過檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)防火、防盜、防異常廠區(qū)活動及大氣污染報警。

帶紅外功能的攝像頭通過光學(xué)和紅外檢測特性監(jiān)視廠區(qū)情況，確保全天候環(huán)境下的視頻信息采集。煙霧傳感器通過檢測大氣中的煙霧濃度監(jiān)控火災(zāi)和大氣排放。利用氣敏材料在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的特性，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中有大量煙霧或存在有害氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨污染氣體濃度的增加而增大[5]。氣敏材料的電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。傳感器可以檢測氨氣、硫化物、苯系蒸汽等，也可以實現(xiàn)對煙霧和其它有害物的監(jiān)測[6-7]。

由于圖像及大氣數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)量較大，為提高傳輸效率，數(shù)據(jù)采集部分增加數(shù)據(jù)壓縮功能，以降低無線通信模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理示意如圖3所示。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊包括機(jī)載無線通信模塊和地面無線通信模塊，主要實現(xiàn)地面和無人機(jī)間的通信，將無人機(jī)檢測的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面監(jiān)控指揮平臺，并將地面指揮平臺的控制指令發(fā)送給無人機(jī)。

機(jī)載無線通信模塊接收圖像及大氣數(shù)據(jù)采集模塊所采集的圖像和大氣數(shù)據(jù)，BDS接收機(jī)的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)以及時間信息，將這些數(shù)據(jù)按照一定格式編排，通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面監(jiān)控指揮平臺，用于平臺的狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析以及無人機(jī)軌跡調(diào)整。機(jī)載無線通信模塊同時還接收地面監(jiān)控指揮平臺所發(fā)送的指令信號，實現(xiàn)對無人機(jī)運動軌跡的控制。

地面無線通信模塊主要接收機(jī)載無線通信模塊發(fā)送的無人機(jī)導(dǎo)航定位信息、圖像和大氣數(shù)據(jù)，發(fā)送給地面監(jiān)控指揮平臺的無人機(jī)軌跡控制模塊和安防監(jiān)視模塊，并將監(jiān)控模塊重新規(guī)劃的無人機(jī)軌跡控制指令發(fā)送給無人機(jī)。

2.4 無人機(jī)控制模塊

無人機(jī)控制模塊主要實現(xiàn)對無人機(jī)的控制。無人機(jī)采用四旋翼無人機(jī)，其4個旋翼對稱分布在機(jī)體的前、后、左、右4個方向，4個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑相同，4個電機(jī)對稱安裝在無人機(jī)的支架端，支架中間的空間是云臺，用于安放陀螺儀、飛行控制模塊、BDS導(dǎo)航定位模塊、圖像及煙霧探測傳感器等。四旋翼無人機(jī)通過調(diào)節(jié)4個電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度來改變旋翼的轉(zhuǎn)動，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。

無線通信模塊接收到地面監(jiān)控指揮平臺的控制指令后，無人機(jī)飛行控制模塊驅(qū)動4個控制電機(jī)，實現(xiàn)對無人機(jī)姿態(tài)、運動狀態(tài)的控制，完成對疑似異常情況地點附近的懸停和長時間拍攝、檢測?；蚩刂茻o人機(jī)按照一定的軌跡接近這些地點或調(diào)整這些地點的拍攝角度，進(jìn)行近距離、最佳視角的拍攝和檢測，以輔助地面監(jiān)控指揮平臺提高對疑似異常情況的判定準(zhǔn)確度。

2.5 無人機(jī)軌跡控制模塊

無人機(jī)軌跡控制模塊主要用于對無人機(jī)軌跡的規(guī)劃與優(yōu)化[8-11]。主要包括兩個功能，一個是常規(guī)軌跡控制功能，一個是異常情況出現(xiàn)時的靈活軌跡規(guī)劃功能。

地面監(jiān)控指揮平臺裝載有廠區(qū)建筑地形數(shù)據(jù)庫，主要包括廠區(qū)建筑，傳輸電纜的分布、高度以及其他可能影響無人機(jī)飛行的有關(guān)信息。

常規(guī)巡視軌跡控制功能實現(xiàn)無人機(jī)例行的、根據(jù)監(jiān)控重點的不同而確定的常規(guī)巡視飛行路線。靈活巡視軌跡規(guī)劃功能主要根據(jù)安防監(jiān)視模塊給出的疑似異常事件的告警提醒信息，控制無人機(jī)進(jìn)行懸停拍攝及檢測，或由安防人員根據(jù)情況，人工改變無人機(jī)飛行軌跡來對疑似異常事件區(qū)域進(jìn)行近距離、多角度監(jiān)視。無人機(jī)軌跡規(guī)劃如圖4所示。

靈活巡視軌跡功能具備人機(jī)接口，安防人員可以設(shè)置無人機(jī)縱向及側(cè)向飛行距離要求以調(diào)節(jié)無人機(jī)與疑似異常事件區(qū)域的距離和方位，設(shè)置無人機(jī)的懸停模式以實現(xiàn)較長時間的拍攝檢測。也可以根據(jù)具體情況設(shè)置其他功能，如通過遠(yuǎn)程操控云臺擴(kuò)大攝像頭的監(jiān)控角度和監(jiān)控范圍等。無人機(jī)常規(guī)巡視軌跡規(guī)劃如圖5所示。

2.6 安防監(jiān)視模塊

安防監(jiān)視模塊實現(xiàn)異常情況的智能檢測和告警、視頻及大氣數(shù)據(jù)的實時顯示功能。異常情況檢測和告警功能輔助安防人員進(jìn)行信息預(yù)處理及情況判定，有效減少由于責(zé)任心不強(qiáng)所導(dǎo)致的異常事件漏檢。智能檢測和告警功能利用圖像識別手段判定非常規(guī)事件。根據(jù)BDS導(dǎo)航定位模塊提供的無人機(jī)位置，對圖像數(shù)據(jù)中的相對位置進(jìn)行距離補(bǔ)償，如果判定有闖入者進(jìn)入監(jiān)控邊界或特定區(qū)域出現(xiàn)人群密集或車輛密集的情況，則發(fā)出相應(yīng)報警，并為安防人員提供靈活巡視軌跡控制的建議。

根據(jù)多功能煙霧探測器的數(shù)據(jù)判定火災(zāi)、危害大眾健康的有害氣體及氣體濃度，根據(jù)緊急情況給出不同等級的聲音及燈光報警，提醒安防人員采取措施。

安防監(jiān)視模塊主要包括監(jiān)控室視頻監(jiān)控、手機(jī)端APP告警提醒及顯示。監(jiān)控室視頻監(jiān)控顯示器實時顯示現(xiàn)場視頻圖像，使安防人員在不親臨現(xiàn)場的情況下第一時間了解現(xiàn)場的情況，做出及時響應(yīng)。

3 結(jié) 語

針對廠區(qū)安防死角問題和火災(zāi)、有害氣體探測問題，文中提出了一種基于無人機(jī)多檢測傳感器的大廠區(qū)范圍的智能安防方案，利用圖像識別和信號檢測技術(shù)實現(xiàn)異常情況的智能識別及報警，在一定程度上解決了大廠區(qū)安防監(jiān)控復(fù)雜、存在盲區(qū)的問題。通過無人機(jī)軌跡的分類規(guī)劃，實現(xiàn)不同情況下的數(shù)據(jù)采集，可以有效提高異常情況檢測的準(zhǔn)確度，并可利用BDS接收機(jī)信息對異常情況發(fā)生區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位，大大提高防控精準(zhǔn)度。

注：本文通訊作者為孫淑光。

參考文獻(xiàn)

[1]陶文珍，林華麗，周錫政，等. 基于視頻AI物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安消聯(lián)動云平臺[J]. 自動化與儀表，2021，36（8）：98-101.

[2]張開禾，黃靖，李彤. 基于天通衛(wèi)星的多模式信息融合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（4）：46-48.

[3]梁一嘯，劉志欣，范恩，等. 基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（2）：16-19.

[4]鄧彬，劉輝，連國云，等. 基于視頻的煙霧檢測[J].長沙大學(xué)學(xué)報，2007，21（5）：87-89.

[5]張弛，張慧.智慧消防視域下信息化技術(shù)在火災(zāi)隱患治理中的應(yīng)用[J]. 武警學(xué)院學(xué)報，2020，36（6）：44-47.

[6]王純正.建筑智能化技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)時代的應(yīng)用及發(fā)展[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（2）：100-102.

[7]陳振偉，楊子靖，賀婉茹，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防綜合監(jiān)管平臺[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2020，20（2）：129-130.

[8]李德仁，李明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2014，39（5）：505-513.

[9]許衛(wèi)衛(wèi).復(fù)雜低空物流無人機(jī)路徑規(guī)劃技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2020.

[10]樊嬌.基于智能優(yōu)化算法的無人機(jī)路徑規(guī)劃[D].西安：陜西科技大學(xué)，2021.

[11]夏龍建.基于智能優(yōu)化算法的無人機(jī)動態(tài)航跡規(guī)劃[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2020.

基金項目：中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（2022100 59187）