基于铁塔新基站与蜂巢无人机的智能巡检系统

时间：2024-07-28

［曹明陈欣张凯张红梅］

近年来随着无人机技术及智能巡检技术的不断发展，无人机因其具备成本低、操作简单、机动性高、视野大、巡检范围广、巡检效率高、便捷运输且风险性低等优点，通过无人机携带的任务载荷，如可见光相机、多光谱相机、红外相机等传感器，完成对目标地区的巡检或监控的应用场景越来越多。无人机因其具备成本低、操作简单、机动性高、视野大、巡检范围广、巡检效率高、便捷运输且风险性低等优点，使得其已在电力巡检、国土资源调查、应急救灾、城市规划等诸多领域中得到了突破性的运行与发展，在电力、光伏、交通等多个行业的投入应用也取得显著效果[1～3]。但是目前无人机的供电续航能力、飞行半径、无人机飞手人员的技能水平等都成为限制无人机执飞行任务的瓶颈，因此研究一种不间断续航，扩大飞行半径的无人控制的自主飞行巡航的无人机系统，成为一种技术的需要。

“凡有人烟处，皆有通信塔”，铁塔公司国际一流的信息通信基础设施服务商，担负了全国通信基站的电力、配套建设、运营和维护，目前已经拥有200余万个通信铁塔，其部署具有点多面广的优势[4]，有塔的地方就有就交流电、蓄电池可以给无人机提供充电，换电服务；有塔的地方就有通信网络覆盖，可以为无人机提供视频，图像的回传。

如果将蜂巢无人机智能巡检与铁塔有机结合，以铁塔在基站部署、通信、供电等方面的优势结合无人机的灵活与智能，可建成“云雾端”多级无人机智能任务系统。以后台服务器为“云计算”载体、自动机场为“雾端控制系统”，无人机为“边缘计算载体”，综合运用AI 技术与无人机平台的结合，可实现无人机作业的远程化、自主化、智能化，并在智能城市巡逻、智能巡检方面取得革命性的成果[5～7]。

1 基于5G 的无人机智能巡检系统简介

1.1 系统架构介绍

图1 基于5G 的无人机智能巡检系统架构图

基于5G 无人机智能巡检系统架构如图1 所示，改系统是以无人机为巡检手段，实现无人机全自动化作业的智能系统。该系统主要由云系统（云）、固定机场（边）、无人机及其挂载（端）三大部分组成。

该系统集成了无人机技术、无线传输技术、自动化控制技术、数据管理技术等其它先进技术于一体，不依赖现场人工操作，无人机即可完成城市网格化自动巡检及辅助任务。

操作人员可远程设定、下发作业任务，固定机场接收到远程下发的任务后，将指派无人机进行自动作业，固定机场将全自动化地完成无人机的起飞、巡检、降落、回收、充电（选配）、数据上传等操作步骤，全程无需现场人员参与，即可机动灵活地实现对规划区域的城市环境、人流、车流情况的视频监控、应急事件协助人工处理等功能，信息采集相比于传统方式更加便捷，提高了工作效率，也保证了人员安全。

1.2 无人机蜂巢简介

无人机蜂巢及多旋翼无人机自动机场，其主要功能是接收无人机、释放无人机和贮藏无人机。无人机在工作结束后，自动飞回机巢。无人机机巢可对非工作状态无人机的安全进行防护，防止外界风雨侵蚀，防护过程中对其进行充电和带电检查，外观如图2 所示。

图2 无人机蜂巢实物图

无人机机巢工作流程，机巢总体采用远端控制，所有操作均为无人机机巢和无人机交互自动完成，特殊操作由上位机控制室监视操作完成。

桅杆集成了RTK 基站，遥控甜心、气象站和电源电控箱，实物图如图2 所示，功能主要有：（1）为无人机提供厘米级导航信息；（2）监控机场周边环境、气象条件；（3）对机场内部进行温控湿控，为设备的正常运行提供环境。

1.3 无人机简介

目前，蜂巢无人机用的大多使用大疆经纬M210RTK，可升级为经纬M300RTK，主要出发点是大疆无人机性能优异、可靠性高，但大疆航电系统的开发程度有限，灵活性较差，需要在该方面改进提升，需要较好的充电、换电为无人机做好续航能力的支撑。此外，复合翼无人机应用于蜂巢及巡检也在探索中，已有不少成功案例。

2 蜂巢无人机与铁塔的有机结合

2.1 无人机与铁塔基站融合

充分共享基站电、传输及铁塔资源，将无人机场与现有基站融合建设，如图4 所示；实现无人机的自动巡航、自动充/换电，解决现有无人机两大束缚-人工现场操作和电池瓶颈：

图3 蜂巢无人机机型

（1）机房融合：将无人机场直接安装至机房房顶，充分利用站址空间，无需增加租地面积。

（2）铁塔融合：为提高无人机与机巢的通信质量，提升飞机安全性，后期可将无人机与机场通信电台设备上塔。

图4 无人机与铁塔融合示意图

2.2 蜂巢无人机与4G/5G 技术的结合

无人机通讯技术传统上往往采用视距无线电通讯，或者数据链点对点测控方式，利用作用距离在几十公里以内的专用测控站，为无人机提供通讯支撑，但由于本项目中无人机途经海南全岛，飞行范围大、地形多样化，传统通讯手段效果严重受限，往往在飞机起飞不久即失去通讯联系。同时，通过测控站接力或者卫星通讯的方式建立连接，这些连接方式往往会受到施工建设、运维保障、使用成本等问题的制约，缺乏经济性和实用性。

基于4G 技术的成熟及大面积终端布设，结合5G 技术具备的大带宽、低延时、抗干扰、多波束指向等技术特点，4G/5G 技术的结合天然具备适应网联无人机要求的高清图传、远程控制、状态监控和精准定位的能力。加上低使用成本的卫星通讯实时位置反馈，能够保证飞机处在山地、远海等网络盲区内指挥中心仍可实时监控飞机动态位置，为飞行安全提供最低限度保障，如图5 所示。

蜂巢无人机4G/5G 通信技术与无人机安装的载荷配合，在应急作业、日常巡检、测绘采集等任务过程中，实现控制中心同步显示现场实时画面的功能。这有助于指挥中心及时准确了解现场状况，提升其常态化作业、应急响应等能力，提升指挥效率、增强团队协作配合度的重要技术手段。

图5 蜂巢无人机4G/5G 技术通信拓扑

3 “铁塔蜂巢无人机”的优势

蜂巢无人机（多旋翼无人机）与铁塔结合，下面简称“铁塔蜂巢无人机”，铁塔与蜂巢无人机，地空互补，如图6 所示，具有如下优势。

（1）固定机场系统是实现无人机全自动化作业的智能系统，是集成了无人机技术、无线传输技术、自动化控制技术、数据管理技术等其它先进技术于一体的智能巡检系统。机场稳定可靠，无需飞手即可完成安全、专业、精准的低空数据采集。

（2）行业场景工具链完备，赋能用户轻松完成专业、高效、精确的数据处理、可视化、和结果调用。

（3）固定机场可进行私有化部署+功能API 化，可根据客户需求与客户OA 系统快速集成。

（4）管控平台布置在客户指定位置或者云端，支持多机场统一管理、集中化远程运维、一键升级等。

（5）成熟的空域协同技术，实现安全、高效的多机协同作业。

（6）当飞机出现异常，系统支持4G/5G 直联及机场转发的“双链路”远程网络接管，确保飞机安全。

（7）机场系统支持飞机直联5G 及机场直联5G 的“双模式”5G 联网，实现低时延数据传输及控制。

图6 接力飞行示意图

4 铁塔蜂巢无人机与智慧城市建设

本节主要从智慧城市网格化巡检与变电站智能巡检两方面给出铁塔蜂巢无人机参与智慧城市建设的几个案例。

4.1 智慧城市网格化巡检

城市巡查管理是一项复杂的系统工程，在日常城市管理、行政执法或市容环境改善过程中，城市管理涉及面广，城市网格化巡查管理难度大。相对于传统的人工巡逻或固定摄像头监控，无人机的高度机动性、布点灵活性，在事故处理、秩序管理、交通疏导、流量检测等方面具有巨大的应用优势，特别是在一些监控盲区，无人机可以发挥重要作用。

4.1.1 环境卫生及市容秩序巡查

采用无人机进行低空巡查，可以快速发现倾倒堆场、卫生死角，同时凭借无人机宽广视角和快速移动速度，可以快速锁定乱倒垃圾的源头。同时，无人机可搭载喊话器配合执法人员进行远程喊话，对区域人员进行喊话劝诫、警告、指导，从而减少执法人员亲临现场，及时高效完成远程指挥管理工作，如图7 所示。

图7 无人机巡查乱倒垃圾

4.1.2 城市规划及违建巡查

高层阳光房、高层广告、违法搭建等是城市管理中一大难题，受限于分布位置限制，人工巡查，耗时费力，效率较低，部分违法建筑以地面视角根本无法发现。

采用无人机可以极大地提高违法建筑的防控、查处效率。采用无人机航拍取证，高空情况一览无遗，执法人员无需亲临现场，即可完成航拍取证，锁定屋顶、巷道、地面、高层等视觉死角的违章情况。通过将航拍影像与原始测绘图像进行对比，可直观判断是否出现违法建筑，如图8 所示。

图8 无人机违建巡查

4.1.3 交通巡查

交通巡查对时效性要求强，无人机具较高的机动性能和移动性能，在接收到管控平台下发的任务后，按照规划航线执行巡逻任务，在飞行过程中观察道路车辆状况，通过自动悬停变焦，对上述违法行为进行抓拍取证。无人机抓拍的违法证据图片回传至管控后台，并可协助警察进行非现场处罚或调动民警进行交通疏导等，如图9 所示。

图9 无人机交通巡查

4.2 变电站智能巡检

无人机可搭载高清可见光相机或红外相机，在指定设备区域（如110 kV区域、电容电抗区等）上空向下进行连续的俯拍，从高空视角采集设备区的可见光或红外照片，最终进行异物识别或温度识别，如图10（a）所示。在出现恶劣天气过后，无人机可执行巡检任务检查是否有异物悬挂在设备上（塑料袋、风筝等），检查设备区内地面是否有异物需预警清理，以防二次漂浮到设备上。

与区域巡检相似，无人机按既定路线从高空视角俯拍，不采集照片仅巡逻传回实时拍摄画面（实时视频）。可实现对整个变电站的日常安保巡逻，有效覆盖视频监控盲区，预防异物入侵或快速预警。同时也可对检修工作进行监工。如图10（b）所示通过对巡检视频进行分析检测，检测出人员活动等行为，及时发现区域人员非法入侵当发现可疑人员后可通过喊话器推送发出警告，提醒非法入侵人员及时撤离当前区域。同时，无人机可携带红外热像仪对视频中的运动物体进行热源检测，当检测出异常温度时及时开启警报推送异常信息。

此外，在精细巡检基础上，无人机自身配备使用探照灯，配合厘米级的高精度定位，在夜间也能自主飞至指定设备拍照点对电气设备进行可见光或红外照片的采集，亦能智能补光完成自主返航精准降落回收。如保变电时期亦能完成夜间应急巡检。且夜间进行红外巡检能有效减少日光照射带来的干扰，使温度数据更精确有效，如图10（c）所示。