(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)成熟，交通擁擠、交通事故以及交通基礎(chǔ)設(shè)施趨于老舊化成為各國(guó)大中小城市的普遍問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，英國(guó)司機(jī)年交通擁堵成本超過(guò)377億英鎊(約合523億美元)，平均每名司機(jī)的年擁堵成本達(dá)1168英鎊(約合1621美元)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)靜態(tài)交通問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失已占城市人口可支配收入的20%，相當(dāng)于GDP損失5-8%[1]。由于城市交通擁擠經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，構(gòu)建智能城市交通體系已步入快車道，利用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行交通管理信息采集成為關(guān)鍵點(diǎn)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(jìn)行交通數(shù)據(jù)定點(diǎn)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(wú)法從廣角了解具體交通路況信息，因此，無(wú)人機(jī)信息采集成為新途徑。

2002年起，美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)家的相關(guān)機(jī)構(gòu)先后展開(kāi)了無(wú)人機(jī)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究；2010年前后，西班牙、俄羅斯和韓國(guó)也加入了該領(lǐng)域研究行列。國(guó)內(nèi)起步較晚，從2011年前后至今，主要有中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和上海天交通大學(xué)等高校在開(kāi)展相關(guān)研究[2]，但以大疆公司、北京維思韋爾航空電子技術(shù)有限公司等帶頭的相關(guān)企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。在這些年間，中國(guó)度過(guò)了從效仿國(guó)外無(wú)人機(jī)到自主研發(fā)無(wú)人機(jī)再到出口無(wú)人機(jī)的過(guò)程，而由于無(wú)人機(jī)的各類優(yōu)勢(shì)，中國(guó)及其重視其發(fā)展，并將發(fā)展相關(guān)技術(shù)列入863計(jì)劃中(無(wú)人機(jī)發(fā)展概覽)，而利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集結(jié)合大數(shù)據(jù)處理具有極大的潛力，但同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)。

文章對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展歷程進(jìn)行介紹，分析利用構(gòu)建基于多旋翼無(wú)人機(jī)的道路交通監(jiān)管系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及挑戰(zhàn)，并展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

一、多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展史

距今，多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展已經(jīng)有100多年的歷史。1907年，法國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)，雖然當(dāng)時(shí)極限飛行高度僅有0.6m至1m，極限飛行時(shí)間14分鐘，但這是人類第一次嘗試此構(gòu)型。由于技術(shù)受限，直到20世紀(jì)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(jī)才被設(shè)計(jì)出來(lái)。隨著MEMS技術(shù)、微型芯片、微傳感器處理技術(shù)的發(fā)展，小型多旋翼無(wú)人機(jī)才逐漸繁榮，得以復(fù)興。

如今，多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用使它在人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)為主的當(dāng)下占得一席之位。2016年的國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)(CES)上，無(wú)人機(jī)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(gè)位數(shù)[3]。多旋翼無(wú)人機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)讓其在各個(gè)行業(yè)以及領(lǐng)域中飽受好評(píng)，其民用領(lǐng)域最為突出：

農(nóng)業(yè)植保中，我國(guó)農(nóng)藥發(fā)展一直以高效、低毒、低殘留為目標(biāo)，而利用多旋翼無(wú)人機(jī)噴灑液態(tài)化學(xué)農(nóng)藥噴霧、植物生長(zhǎng)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(guó)務(wù)院關(guān)于落實(shí)發(fā)展新理念加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)全面小康目標(biāo)的若干意見(jiàn)》，其中聚焦三農(nóng)，加大政府補(bǔ)貼力度，再一次推動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)在其中的應(yīng)用。

電力應(yīng)用中，多旋翼無(wú)人機(jī)可代替人力，利用高分辨路攝像頭以及紅外線檢測(cè)裝置對(duì)長(zhǎng)期鋪設(shè)在外的輸電線路進(jìn)行巡檢，檢查其是否有倒塔、斷股、磨損、腐蝕等損傷。同時(shí)在電力工程前期的土石方及基礎(chǔ)建設(shè)、組塔和架線三階段中，多旋翼無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)可優(yōu)化路線，確定最佳建設(shè)位置，以及周圍環(huán)境等因素，大大彌補(bǔ)了人力短板。

遙感測(cè)繪中，高分辨率、針對(duì)性強(qiáng)、方便靈活等因素使得基于無(wú)人機(jī)的高分辨率對(duì)地觀測(cè)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(shù)、遙感圖像拼接技術(shù)以及基于無(wú)人機(jī)影像的三維重建技術(shù)正推動(dòng)者遙感測(cè)繪行業(yè)步入新的時(shí)代。

工業(yè)檢查中，油氣管道巡檢、風(fēng)力發(fā)電機(jī)巡檢查、鐵路巡檢、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)巡檢、橋梁巡檢等應(yīng)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(dāng)然，在交通管理中，多旋翼無(wú)人機(jī)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(diǎn)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(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息技術(shù)為支撐，電子自動(dòng)控制技術(shù)與傳感器檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合[4]，以人、車、路三級(jí)數(shù)據(jù)共享為核心，打造實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的信息庫(kù)，搭建智能化、信息化、可控化的地面交通運(yùn)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(jìn)技術(shù)達(dá)到路況透明化、行車智能化等目的。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，因道路堵塞、環(huán)境污染、交通事故等產(chǎn)生的負(fù)面影響日趨明顯，逐漸成為牽制國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)問(wèn)題之一。信息革命時(shí)代所帶來(lái)的相關(guān)信息技術(shù)被各國(guó)交通業(yè)界吸收，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究與醞釀，智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,簡(jiǎn)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(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用。

(一)國(guó)外ITS發(fā)展情況——以美國(guó)、歐盟為例

1.美國(guó)

美國(guó)是最早開(kāi)始智能交通系統(tǒng)研究的國(guó)家。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)運(yùn)輸部聯(lián)合通用汽車公司共同研發(fā)電子路徑導(dǎo)向系統(tǒng)，其中包括車載顯示器、路旁單元、車載設(shè)備和路旁單元的雙向通訊等功能，開(kāi)創(chuàng)了美國(guó)智能交通系統(tǒng)的先河。

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

20世紀(jì)末，美國(guó)正式頒布《國(guó)家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃》(National ITS Program Plan)，確定了美國(guó)智能交通系統(tǒng)所具備的7大領(lǐng)域與30個(gè)公戶服務(wù)功能[5]，如表1美國(guó)智能交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成所示。

表1 美國(guó)智能交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成

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

2.歐盟

自從1969年歐盟前身——?dú)W共體委員會(huì)提出開(kāi)展各成員國(guó)之間交通控制電子技術(shù)演示，只到1985年，歐盟的ITS才正式開(kāi)始發(fā)展，各成員國(guó)一同成立了歐洲智能交通協(xié)會(huì)(ERTICO)，統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)規(guī)劃實(shí)施智能交通系統(tǒng)相關(guān)工作。由于歐盟ITS發(fā)展必須考慮多個(gè)成員國(guó)的具體情況，其發(fā)展重點(diǎn)則在于標(biāo)準(zhǔn)化、信息交換與整合，唯有通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)主要圍繞4個(gè)方面：安全性(Safe Mobility)、合作性(Cooperative Mobility)、生態(tài)流動(dòng)性(Eco Mobility)以及信息流動(dòng)性(Info Mobility)。

(二)國(guó)內(nèi)ITS發(fā)展情況

中國(guó)ITS研究起步于20世紀(jì)70年代末，ITS概念剛剛從美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家引入中國(guó)，且由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)還處于恢復(fù)期，城市機(jī)動(dòng)車需求量低，交通問(wèn)題還未惡化，直到20世紀(jì)90年代末，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市交通落后弊端凸顯出來(lái)，ITS才之間被國(guó)家以及政府重視，并開(kāi)始研究相關(guān)技術(shù)。

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

表2 中國(guó)ITS發(fā)展各階段及內(nèi)容

現(xiàn)階段，我國(guó)ITS應(yīng)用主要分為6個(gè)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(fèi)系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。其中前三個(gè)方面成為我國(guó)ITS的強(qiáng)項(xiàng)。

三、多旋翼無(wú)人機(jī)在ITS中的應(yīng)用研究

2002年，作為第一個(gè)將多旋翼無(wú)人機(jī)引入交通監(jiān)管的國(guó)家，美國(guó)相關(guān)部門開(kāi)展一個(gè)項(xiàng)目，深入研究多旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的可行性。結(jié)果表明：利用無(wú)人機(jī)進(jìn)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(wàn)美元左右的費(fèi)用，且加裝擴(kuò)展裝備可客觀展現(xiàn)實(shí)時(shí)路況以及交通事故，從被動(dòng)向主動(dòng)轉(zhuǎn)變。

隨后，多旋翼無(wú)人機(jī)在交通監(jiān)管中的應(yīng)用越來(lái)越多，結(jié)合ITS的無(wú)人機(jī)交通監(jiān)管模式也逐漸體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

(一)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)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(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)控、支援、信息傳輸、維護(hù)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)

四大系統(tǒng)相輔相成，才能構(gòu)建一架能夠自主控制、擁有后備支援的無(wú)人機(jī)，而將多旋翼無(wú)人機(jī)與ITS相結(jié)合，四大系統(tǒng)有效集成才能實(shí)現(xiàn)。

1.動(dòng)力系統(tǒng)

由于多旋翼無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)要求靈活，可操控性高，且具有相對(duì)較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，動(dòng)力系統(tǒng)決定了無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)以及重量、體積。

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

隨著新能源的開(kāi)發(fā)，目前無(wú)人機(jī)載電池得到了進(jìn)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(wú)人機(jī)，可空載續(xù)航4h，1kg滿載飛行150min，相對(duì)于鋰聚合物電池，續(xù)航時(shí)間大大延長(zhǎng)，且氫燃料電池安全性更高，更換燃料方便，更符合現(xiàn)對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的要求[6]。

為了更好與ITS有機(jī)結(jié)合，現(xiàn)目前市場(chǎng)上存在電池智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示電池電壓、電量剩余百分比、電池溫度、電池休眠保護(hù)、電池狀態(tài)等電池參數(shù)，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程操控時(shí)，可更好地了解無(wú)人機(jī)狀態(tài)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)備召回。

2.數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

不同與軍用固定翼無(wú)人機(jī)以及大型民用無(wú)人機(jī)，多旋翼無(wú)人機(jī)多進(jìn)行周期短、無(wú)基站或遠(yuǎn)程指揮中心、利用短距離無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)視距數(shù)據(jù)采集的工作，所以對(duì)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(yùn)輸系統(tǒng)，需要的是能夠?qū)崟r(shí)傳遞數(shù)據(jù)的“天眼”，比起固定的監(jiān)控?cái)z像頭和道路傳感器，多旋翼無(wú)人機(jī)顯然能夠擔(dān)起重任。如圖2所示，將ITS指揮中心設(shè)為地面基站與網(wǎng)絡(luò)中心，利用超視距數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行數(shù)傳、圖傳的實(shí)時(shí)進(jìn)行，在未來(lái)信號(hào)范圍問(wèn)題得到改善或解決，遠(yuǎn)程指揮中心作為多旋翼無(wú)人機(jī)基地，進(jìn)行無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程派遣與回收，能夠更進(jìn)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(wú)人機(jī)完成各項(xiàng)工作所需要的功能模塊，可以說(shuō)無(wú)人機(jī)是搭載各類功能模塊的飛行平臺(tái)，只有搭載有效載荷，無(wú)人機(jī)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(xué)設(shè)備、通信設(shè)備以及傳感器設(shè)備。

最常見(jiàn)的有效載荷是光學(xué)照相機(jī)為首的光學(xué)設(shè)備，搭載光學(xué)設(shè)備進(jìn)行航拍、圖片采集也是多旋翼無(wú)人機(jī)最常見(jiàn)也是最重要的工作之一。當(dāng)然，在交通管理中，普通光學(xué)設(shè)備已無(wú)法滿足需求，紅外線、熱敏設(shè)備以及特種設(shè)備成了有效載荷的新產(chǎn)品，利用這些載荷，多旋翼無(wú)人機(jī)可完成遠(yuǎn)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)

就目前發(fā)展速度而言，5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始普及，多旋翼無(wú)人機(jī)會(huì)在不久后正式加入大數(shù)據(jù)采集隊(duì)伍之中。而無(wú)人機(jī)技術(shù)也朝著高機(jī)動(dòng)、長(zhǎng)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(lái)“無(wú)人機(jī)+”的專業(yè)領(lǐng)域研究。

攻克動(dòng)力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)入y關(guān)后，將多旋翼無(wú)人機(jī)與人工智能進(jìn)行結(jié)合，也必將帶來(lái)新一次的科技浪潮，無(wú)人機(jī)交警、智慧物流等技術(shù)也將逐漸成熟，真正的ITS將向我們逐漸靠攏。