周科杰，毛 玙*，張力波，曹 鐵，李 明，張 平

（1. 民航局第二研究所，成都 610041；2. 民航成都電子技術(shù)有限責(zé)任公司科研開(kāi)發(fā)中心，成都 611430）

0 引言

機(jī)場(chǎng)圍界是機(jī)場(chǎng)的首道防線，是機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)安全保障的重要組成部分。根據(jù)民航業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)場(chǎng)應(yīng)對(duì)圍界進(jìn)行日常巡檢。目前國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)圍界依賴人工巡檢，次數(shù)約為每日8次，對(duì)于千萬(wàn)級(jí)機(jī)場(chǎng)而言，每年巡檢里程可達(dá)10萬(wàn)千米，存在工作量大、巡檢不規(guī)范、過(guò)程不透明、結(jié)果無(wú)著落等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重威脅機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)安全。

機(jī)場(chǎng)圍界無(wú)人巡檢系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)駕駛技術(shù)驅(qū)動(dòng)巡檢機(jī)器人在圍界巡場(chǎng)道上自動(dòng)導(dǎo)航巡檢，采集圍界巡檢視頻；通過(guò)智能視頻分析技術(shù)對(duì)巡檢視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，包括圍界入侵人員檢測(cè)、異常預(yù)警等；以圍界巡檢管理終端實(shí)現(xiàn)圍界巡檢信息化管理、異?？梢暬⑷肭侄ㄎ粓?bào)警、圍界異常展示定位等。相比人工巡檢，圍界無(wú)人巡檢具有低成本、全天候、適配機(jī)場(chǎng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)［1］，它依靠自動(dòng)駕駛、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等人工智能技術(shù)，進(jìn)行圍界巡視檢查和實(shí)時(shí)分析，并實(shí)時(shí)報(bào)送到后臺(tái)，從而克服人工巡檢存在的諸多問(wèn)題，更好地保障機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)安全。

1 總體架構(gòu)

圖1為系統(tǒng)的總體架構(gòu)，具體包含以下幾個(gè)部分：

圖1 機(jī)場(chǎng)圍界無(wú)人巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）圍界無(wú)人巡檢機(jī)器人：巡檢機(jī)器人依托激光雷達(dá)和組合導(dǎo)航在圍界巡場(chǎng)道上進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航巡檢［2］，通過(guò)可見(jiàn)光/熱成像一體化云臺(tái)相機(jī)采集巡檢視頻。并且采用4G/5G 無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與后臺(tái)服務(wù)器之間的通信。

（2）云平臺(tái)：包含服務(wù)器、GPU計(jì)算卡等部分，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，巡檢視頻智能分析等功能。主要存儲(chǔ)入侵檢測(cè)數(shù)據(jù)、圍界異常、巡檢任務(wù)、巡檢視頻以及機(jī)器人狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

（3）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心主要包含圍界無(wú)人巡檢管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)與用戶交互，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)查看巡檢視頻、機(jī)器人狀態(tài)；機(jī)器人遠(yuǎn)程接管，給巡檢機(jī)器人下發(fā)命令；出現(xiàn)異常事件時(shí)，觸發(fā)平臺(tái)報(bào)警；管理巡檢異常信息等功能［3］。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 圍界巡檢機(jī)器人

2.1.1 巡檢機(jī)器人

巡檢機(jī)器人由動(dòng)力底盤以及安裝在底盤之上的功能元件組成，功能元件包含工控機(jī)、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、可見(jiàn)光/熱成像一體化云臺(tái)相機(jī)、信號(hào)警示燈等部分，機(jī)器人主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，外觀設(shè)計(jì)如圖2所示。

表1 巡檢機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 巡檢機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)

2.1.2 自動(dòng)導(dǎo)航巡檢

機(jī)場(chǎng)圍界場(chǎng)景下巡檢機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航巡檢的核心難點(diǎn)是在巡場(chǎng)道低紋理非結(jié)構(gòu)化道路、機(jī)場(chǎng)電磁干擾、飛機(jī)高空遮擋GPS、全天候、惡劣天氣等條件下如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身的高精度定位。圍界無(wú)人巡檢機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航巡檢系統(tǒng)采用多傳感器融合高精度定位方法。多傳感器包括GNSS-RTK、INS、激光雷達(dá)SLAM，融合定位方法為Kalman濾波算法［4］。首先將INS作為參考系統(tǒng)；再將INS輸出數(shù)據(jù)與GNSS-RTK輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造子濾波器1（記為L(zhǎng)F1），通過(guò)Kalman濾波得到局部估計(jì)及其協(xié)方差陣；再將INS輸出數(shù)據(jù)與SLAM 輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造子濾波器2（記為L(zhǎng)F2），通過(guò)Kalman 濾波得到局部估計(jì)及其協(xié)方差陣；將各子濾波器LF1和LF2的局部估計(jì)及其協(xié)方差陣輸入主濾波器，與主濾波器的估計(jì)進(jìn)行融合，得到無(wú)人設(shè)備位置的全局最優(yōu)估計(jì)及其協(xié)方差陣，技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

圖3 多傳感器融合高精度定位方法

2.1.3 巡檢視頻采集

通過(guò)機(jī)器人上配置的可見(jiàn)光/熱成像一體化云臺(tái)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢視頻的全天候采集。云臺(tái)先將視頻上傳至機(jī)器人工控機(jī)，然后通過(guò)4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將巡檢視頻實(shí)時(shí)傳輸至視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器一方面存儲(chǔ)視頻，同時(shí)還將巡檢視頻實(shí)時(shí)推送至客戶端。工作流程如圖4所示。

圖4 巡檢視頻采集流程

2.1.4 信號(hào)警示燈光

圍界巡檢機(jī)器人在機(jī)場(chǎng)圍界巡場(chǎng)道路巡檢過(guò)程中必須遵守機(jī)場(chǎng)交通規(guī)則，因此必須依照機(jī)場(chǎng)要求配備信號(hào)警示燈。圍界巡檢機(jī)器人整個(gè)車體共六個(gè)信號(hào)警示燈，其中包含燈1、燈2、燈3、燈4共四個(gè)交通信號(hào)燈，燈5、燈6共兩個(gè)機(jī)場(chǎng)工作必備報(bào)警燈。信號(hào)燈提示時(shí)前方的燈閃爍白光，后方的燈閃爍紅光，車燈安裝俯視圖如圖5所示。

圖5 巡檢機(jī)器人燈光安裝俯視圖

機(jī)器人在倒車、轉(zhuǎn)彎、剎車、變速等情況下，工控機(jī)會(huì)根據(jù)車輪的速度及偏轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行判斷從而給出不同方式的提示，具體規(guī)則設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 車燈閃爍規(guī)則

2.1.5 自主充電

要想實(shí)現(xiàn)圍界巡檢的無(wú)人化巡檢，機(jī)器人自主充電是必不可少的一環(huán)。當(dāng)管理人員在后臺(tái)發(fā)送巡檢任務(wù)，機(jī)器人收到巡檢任務(wù)后，將依據(jù)巡檢線路信息和自身電量信息判斷電量是否充足，若不足以完成巡檢任務(wù)，則繼續(xù)充電，同時(shí)向后臺(tái)反饋拒絕接受任務(wù)信息。機(jī)器人完成巡檢任務(wù)后，會(huì)?？康匠潆姌哆M(jìn)行自主充電［5］。自主充電工作流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)充電流程

2.2 圍界入侵檢測(cè)

圍界入侵檢測(cè)的主要目的是防止機(jī)場(chǎng)外來(lái)人員通過(guò)攀爬、翻越、破壞圍界進(jìn)入機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)，從而造成重大安全事故。圍界入侵檢測(cè)難點(diǎn)是全天候有效工作。傳統(tǒng)可見(jiàn)光視頻能夠清楚展示場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)輪廓，但在夜間、雨霧天氣下難以有效工作，而熱成像圖像的抗干擾能力較強(qiáng)［6］。針對(duì)這一問(wèn)題，本系統(tǒng)采用一種基于YOLOv7的多模態(tài)入侵檢測(cè)算法。該算法使用YOLOv7 Backbone 作為可見(jiàn)光圖像特征提取網(wǎng)絡(luò)，YOLO-Hotnet 作為熱成像圖像特征提取網(wǎng)絡(luò)，分別提取兩種模態(tài)的多尺度特征，使用注意力機(jī)制對(duì)兩種特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)融合，權(quán)重系數(shù)組由深度網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)迭代更新，最終實(shí)現(xiàn)混合特征網(wǎng)絡(luò)并使用該多模態(tài)融合特征網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全天候入侵檢測(cè)。圖7所示即采用的多模態(tài)融合圍界入侵檢測(cè)方法。

圖7 多模態(tài)融合圍界入侵檢測(cè)

2.3 圍界無(wú)人巡檢管理系統(tǒng)

通過(guò)開(kāi)發(fā)機(jī)場(chǎng)圍界無(wú)人巡檢管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圍界管理人員對(duì)圍界無(wú)人巡檢系統(tǒng)的信息化管理，系統(tǒng)界面展示如圖8所示，主要包含以下幾個(gè)模塊：

圖8 圍界無(wú)人巡檢管理系統(tǒng)

（1）巡檢視頻模塊：展示巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)采集的視頻，可以分別切換可見(jiàn)光與熱成像的視頻展示界面，在巡檢視頻上還會(huì)通過(guò)bounding8-box對(duì)圍界入侵目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)注。

（2）巡檢地圖模塊：展示巡檢機(jī)器人的巡檢任務(wù)線路，同時(shí)將巡檢機(jī)器人的位置實(shí)時(shí)更新到地圖上。

（3）巡檢機(jī)器人狀態(tài)模塊：顯示機(jī)器人狀態(tài)信息，包括行駛路線、機(jī)器人當(dāng)前位置、剩余電量、速度等信息。同時(shí)該模塊負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)與巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程連接，通過(guò)在該模塊輸入IP 地址和端口號(hào)，通過(guò)TCP 協(xié)議將客戶端與機(jī)器人進(jìn)行連接。

（4）機(jī)器人云臺(tái)控制模塊：管理人員通過(guò)云臺(tái)控制模塊可以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向、調(diào)整攝像機(jī)角度、縮放畫面大小來(lái)查看圍界具體情況。

（5）機(jī)器人自動(dòng)駕駛巡檢模塊：設(shè)置自動(dòng)巡檢任務(wù)，包括巡檢線路、巡檢速度，機(jī)器人會(huì)根據(jù)信息執(zhí)行相應(yīng)的巡檢任務(wù)。同時(shí)管理人員可以在巡檢過(guò)程中通過(guò)暫停、恢復(fù)、取消任務(wù)等指令控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（6）機(jī)器人遠(yuǎn)程駕駛巡檢模塊：管理人員在必要條件下，將通過(guò)遠(yuǎn)程駕駛巡檢模塊接管巡檢機(jī)器人。

（7）巡檢日志模塊：展示巡檢機(jī)器人檢測(cè)到的如圍界異?；蛉藛T入侵等的異常情況，在系統(tǒng)界面會(huì)展示發(fā)現(xiàn)時(shí)間、機(jī)器人編號(hào)、異常類型等。

3 機(jī)場(chǎng)圍界巡檢實(shí)驗(yàn)

3.1 巡檢機(jī)器人基本指標(biāo)測(cè)試

對(duì)巡檢機(jī)器人的基本技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 巡檢機(jī)器人基本指標(biāo)測(cè)試

3.2 無(wú)人巡檢導(dǎo)航

對(duì)巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航定位、停障、遠(yuǎn)程接管等功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 無(wú)人巡檢導(dǎo)航功能測(cè)試結(jié)果

3.3 圍界入侵檢測(cè)

對(duì)巡檢機(jī)器人圍界入侵功能進(jìn)行測(cè)試，從目標(biāo)檢測(cè)正確率與最大目標(biāo)檢測(cè)距離兩個(gè)角度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 圍界入侵檢測(cè)功能測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)機(jī)場(chǎng)圍界幾乎100%使用人工巡檢的方式，存在工作量大、巡檢不規(guī)范、過(guò)程不透明、結(jié)果無(wú)著落等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重威脅了機(jī)場(chǎng)安全。針對(duì)這些現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)場(chǎng)圍界無(wú)人巡檢系統(tǒng)，并在重慶機(jī)場(chǎng)測(cè)試了其可行性，基本能滿足機(jī)場(chǎng)圍界巡檢的需求，對(duì)推動(dòng)我國(guó)機(jī)場(chǎng)圍界巡檢的智慧化、少人化、無(wú)人化提供一定的參考指導(dǎo)。