无人机自主巡检系统在河湖监管巡检中的应用.docx

    无人机自主巡检系统在河湖监管巡检中的应用    刘金玉 宋学山Summary：随着潘家口水库河湖监管巡检任务的运行常态化，巡检监管对象更加明确，巡检里程不减，而巡检需求和人力缺员的矛盾却日益突出，本论文从潘家口水库库区及周边环境监测的需求出发，进行无人机智能巡检，指挥中心一键式开启自主作业，减少人员工作量，提高作业效率Key：河湖监管; 智能巡检; 自主作业河湖监管智能化自主巡检系统主要包括基于卫星遥感影像的大尺度数字场景，以及定期的卫星影像更新处理和与前期数据的叠加分析，无人机自主巡检系统，无人机巡检数据本底数据库，以及无人机运维期数据处理和与前期数据的叠加分析等，目的是实现巡检无人值守，远程操控，数据流程化处理1、河湖监测区域及目标通过无人机智能化自主实时视频、影像，对库区水面漂浮物、污染源、捕鱼、违规排放以及“乱占、乱采、乱堆、乱建”等情况进行定期监测，提升水库管理、养护水平，保障良好的水生态环境，库区水系如图1所示2、河湖监管巡检方案2.1基于卫星遥感影像的大尺度数字场景建立卫星遥感技术能够准确、及时地提供多种时空分辨率和光谱分辨率的对地观测数据将多种卫星遥感数据进行结合，可以获取包含流域地形地貌、江河水系、土壤植被、土地利用、基础设施等的空间信息，结合流域气象、水文、经济社会等信息，可以进行流域数字化，实现水文模型可视化，洪水水位发展变化预演，以及防洪预案部署等，为水利“四预”提供基础支撑。

2.2无人机河湖监管自主巡检2.2.1无人机巡库系统搭建无人机巡库系统，主要由无人机系统、无人机自动起降停机坪、基站或中继站通讯系统、飞行指挥中心等组成;无人机系统通常是包含无人机平台、自动驾驶仪、数据链路、任务载荷和地面指控五大分系统的自持系统[1]无人机自动起降停机坪：主要功能为具备自主起飞，智能巡检，自动、手动飞行模式无缝切换，精准回巢，远程控制，快速充电复飞基站及中继站通讯系统：一般短距离30km以内及信号无遮挡，地面站基站就可以满足一般需求，但往往由于山体或其他信号干扰，会导致视频信号中断或延迟，需要架设中继站增强传输信号，来实现远距离的信号传输，一般30km-50km飞行指挥中心：无人机视频和遥控遥测信息，通过专用通信链路传输至地面站，再通过网线或4G/5G路由器连接PIS系统，将视频实时回传至远程指挥调度中心2.2.2无人机机型及数量分析（1）多旋翼无人机优点，起降灵活，机库所占空间小;缺点：建库数量多，维护不便，由于受载荷和电池容量以及图传功率消耗的影响续航时间更短、飞行高度不高（一般相对高度100m附近）图传信号较差，适合于面积5km2作业范围多旋翼机巡航速度一般15m/s，安全续航40分钟，最多巡航36km的航程，往返18km，在水库管理局布设一套多旋翼无人机系统，主要覆盖潘家口水库大坝及周边的库区约8-10km半径范围，进行精细化的巡检。

设计覆盖范围飞机位置及覆盖巡检范围见图22）垂直起降固定翼无人机优点，采用1库1机，方便维护，续航时间长覆盖范围大，图传信号强;缺点：机库比较大，飞机尺寸大，从技术层面要求更高由于固定翼无人机巡航速度61km/小时，水库库区大致呈南北分布，最远直线距离约30km，其续航能力为2小时，1架固定翼无人机即可满足巡航需要2.2.3无人机自主巡检航迹规划为了实现对河湖监管要素的自主巡检，需要规划好无人机巡检作业的航迹， 根据巡检航迹进行飞行路径的智能规划，并实现无人机的复合避障根据河湖监管要素的布置特点及巡检要求，规划巡检路线，实现巡检部位全覆盖，规范无人机巡检工作2.2.4视频、无人机姿态及巡检数据传输机库采用4G/5G通信方式，通过4G/5G连接至指挥中心无人机通过数据链路将航飞可视化视频数据和无人机姿态数据进行实时回传，回传数据经地面基站中转，由指挥中心对地面基站进行远程观看及操作机库通过4G/5G网络接入指挥中心网络接口，确保巡检数据安全、稳定的传输;云端计算服务器集中部署在指挥中心内网，对数据进行集中式处理，并通过防火墙方式与上级单位进行信息交互，实现无人机巡检目标要素、人工巡检目标要素的统一闭环处理[2]。

2.3巡检分析处理巡检图像数据接收处理主要包括基础处理、数据整理入库、解译分析和统计分析，具体内容如下：（1）基础处理通过无人机采集得到的影像数据还需要经过一定的数据处理步骤才能用于影像解译与分析，通过快速拼接功能实现无人机影像数据的空中三角测量和数字正射校正，快速实现对无人机图片数据定义坐标和拼接，获得测区高分辨率无人机影像本底数据，并可与卫星影像数据叠加分析2）数据整理入库对数据进行监督和审查，确保数据无误后将无人机监测相关的影像数据进行分类、整理、入库，存入航飞影像数据库，将影像业务解译得到的无人机影像解译数据存入监测解译成果库，保障数据可追述，并可保障数据安全[3]3）影像解译与分析影像解译与分析过程在巡检数据业务解译系统中由人工解译、或智能解译完成，解译系统存放在智慧中心，当有需要时，专业技术人员及相关服务人员可通过账号登录的方式操作解译系统，开展解译和分析工作3、結论与讨论本论文从河湖监管的实际需求出发，建设基于卫星遥感影像的大尺度数字场景，为“四预”能力建设提供基础支撑，实现河湖监管的大尺度监控;同时制定一套无人机智能化自主巡检，及对数据处理由人工分析到智能化识别提升的解决流程，实现河湖监管巡检效率和智能化水平的提高。

Reference：[1]韦立富， 沈佩琦， 韩磊，等. 5G无人机全自主巡检系统在500 kV特大跨越上的应用[J]. 电工技术（9）：4.[2]黄郑， 王永强， 王红星，等. 基于云雾边异构协同的无人机智慧巡检系统[J]. 中国电力， 2020（4）.[3]王博， 宋丹， 王洪玉. 无人机自主巡检系统的关键技术研究[J]. 计算机工程与应用， 57（9）：9.  -全文完-。