基于多旋翼无人机的城市智能交通系统研究与发展

(重庆交通大学 重庆 400000)

引言

随着世界经济飞速发展，城市交通网络建设已经成熟，交通拥挤、交通事故以及交通基础设施趋于老旧化成为各国大中小城市的普遍问题。根据相关部门统计，英国司机年交通拥堵成本超过377亿英镑(约合523亿美元)，平均每名司机的年拥堵成本达1168英镑(约合1621美元)。据统计，我国静态交通问题带来的经济损失已占城市人口可支配收入的20%，相当于GDP损失5-8%[1]。由于城市交通拥挤经济损失严重，构建智能城市交通体系已步入快车道，利用多旋翼无人机进行交通管理信息采集成为关键点之一。传统交通监管系统是利用传感器、摄像头等固定硬件进行交通数据定点分析，最后汇聚为区域信息，由于数据传输存在延迟，无法从广角了解具体交通路况信息，因此，无人机信息采集成为新途径。

2002年起，美国、德国、瑞典等国家的相关机构先后展开了无人机在交通领域的应用研究；2010年前后，西班牙、俄罗斯和韩国也加入了该领域研究行列。国内起步较晚，从2011年前后至今，主要有中国人民解放军理工大学、北京航空航天大学、同济大学和上海天交通大学等高校在开展相关研究[2]，但以大疆公司、北京维思韦尔航空电子技术有限公司等带头的相关企业如雨后春笋般涌现出来。在这些年间，中国度过了从效仿国外无人机到自主研发无人机再到出口无人机的过程，而由于无人机的各类优势，中国及其重视其发展，并将发展相关技术列入863计划中(无人机发展概览)，而利用无人机进行实时信息采集结合大数据处理具有极大的潜力，但同时也面临诸多挑战。

文章对多旋翼无人机发展历程进行介绍，分析利用构建基于多旋翼无人机的道路交通监管系统的优势以及挑战，并展望未来发展趋势。

一、多旋翼无人机发展史

距今，多旋翼无人机发展已经有100多年的历史。1907年，法国飞机设计师Louis Breguet所制造的Breguet-Richet Gyroplane是第一架能够垂直上下悬降的载人四轴旋翼机，虽然当时极限飞行高度仅有0.6m至1m，极限飞行时间14分钟，但这是人类第一次尝试此构型。由于技术受限，直到20世纪中叶，一种能够实现上下悬降、上下飞行的四旋翼直升机才被设计出来。随着MEMS技术、微型芯片、微传感器处理技术的发展，小型多旋翼无人机才逐渐繁荣，得以复兴。

如今，多旋翼无人机发展迅速，广泛应用使它在人工智能和虚拟现实为主的当下占得一席之位。2016年的国际消费类电子产品展览会(CES)上，无人机成为了最抢眼的品类之一，参展企业有27家，而在早年，参展企业仅为个位数[3]。多旋翼无人机的诸多优点让其在各个行业以及领域中饱受好评，其民用领域最为突出：

农业植保中，我国农药发展一直以高效、低毒、低残留为目标，而利用多旋翼无人机喷洒液态化学农药喷雾、植物生长剂以及肥料等农药则使工作人员不予农药直接接触，提高人员安全。2016年，新华社全文播发了《中共中央国务院关于落实发展新理念加快农业现代化实现全面小康目标的若干意见》，其中聚焦三农，加大政府补贴力度，再一次推动多旋翼无人机在其中的应用。

电力应用中，多旋翼无人机可代替人力，利用高分辨路摄像头以及红外线检测装置对长期铺设在外的输电线路进行巡检，检查其是否有倒塔、断股、磨损、腐蚀等损伤。同时在电力工程前期的土石方及基础建设、组塔和架线三阶段中，多旋翼无人机遥感测绘技术可优化路线，确定最佳建设位置，以及周围环境等因素，大大弥补了人力短板。

遥感测绘中，高分辨率、针对性强、方便灵活等因素使得基于无人机的高分辨率对地观测航空遥感系统成为目前行业内的新方向。倾斜摄像技术、遥感图像拼接技术以及基于无人机影像的三维重建技术正推动者遥感测绘行业步入新的时代。

工业检查中，油气管道巡检、风力发电机巡检查、铁路巡检、太阳能发电系统巡检、桥梁巡检等应用让工业检查更趋于高效化、全面化、智能化以及安全化。

当然，在交通管理中，多旋翼无人机的启用为执法人员提供更广阔的视野以及更高效的执法，下文将重点分析。

二、城市智能交通系统

智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)是以云计算、物联网、大数据等先进信息技术为支撑，电子自动控制技术与传感器检测技术有机结合[4]，以人、车、路三级数据共享为核心，打造实时、准确、高效的信息库，搭建智能化、信息化、可控化的地面交通运输系统，建立大范围、全方位的数据共享模式的现代交通系统模型，利用先进技术达到路况透明化、行车智能化等目的。

20世纪60年代以来，因道路堵塞、环境污染、交通事故等产生的负面影响日趋明显，逐渐成为牵制国家经济发展的重点问题之一。信息革命时代所带来的相关信息技术被各国交通业界吸收，并经过一段时间的研究与酝酿，智能交通系统(Intelligent Transportation System,简称ITS；原为“IVHS——智能车辆道路系统”)的概念正式步入人们视线，智能交通系统正式开始大规模应用。

(一)国外ITS发展情况——以美国、欧盟为例

1.美国

美国是最早开始智能交通系统研究的国家。20世纪60年代末，美国运输部联合通用汽车公司共同研发电子路径导向系统，其中包括车载显示器、路旁单元、车载设备和路旁单元的双向通讯等功能，开创了美国智能交通系统的先河。

20世纪70年代末，第一颗全球定位系统(Global Position System，GPS)由美国发射，同期的数字地图汽车导航器、电子拍照等产品为日后美国智能交通系统发展打下扎实的基础。

20世纪末，美国正式颁布《国家智能交通系统项目规划》(National ITS Program Plan)，确定了美国智能交通系统所具备的7大领域与30个公户服务功能[5]，如表1美国智能交通系统网络基本构成所示。

表1 美国智能交通系统网络基本构成

近几年，美国智能交通系统的建设重点主要围绕车路协同系统(Vehicle Infrastructure Integration，VII)其中包括增强型数字地图(EDMap)、智能车辆先导(IVI)、车辆安全通信(VSC)、交叉口协作避碰(CICAS)内容。同时，美国通讯委员会专门分配5.9GHz专用短程通信(DSRC)频段用于此项目，并在加州、密歇根州与亚利桑那州等地区重点开展建设。

2.欧盟

自从1969年欧盟前身——欧共体委员会提出开展各成员国之间交通控制电子技术演示，只到1985年，欧盟的ITS才正式开始发展，各成员国一同成立了欧洲智能交通协会(ERTICO)，统一领导规划实施智能交通系统相关工作。由于欧盟ITS发展必须考虑多个成员国的具体情况，其发展重点则在于标准化、信息交换与整合，唯有通过统一的标准化协议才能使ITS在欧盟中得以发展。

现目前，欧盟智能交通系统建设主要围绕4个方面：安全性(Safe Mobility)、合作性(Cooperative Mobility)、生态流动性(Eco Mobility)以及信息流动性(Info Mobility)。

(二)国内ITS发展情况

中国ITS研究起步于20世纪70年代末，ITS概念刚刚从美国、日本等发达国家引入中国，且由于国家经济还处于恢复期，城市机动车需求量低，交通问题还未恶化，直到20世纪90年代末，中国经济快速发展，城市交通落后弊端凸显出来，ITS才之间被国家以及政府重视，并开始研究相关技术。

中国ITS发展主要分为四个阶段：探索阶段、初步发展阶段、加速发展阶段以及移动互联网新阶段，如图表2中国ITS发展各阶段及内容所示。

表2 中国ITS发展各阶段及内容

现阶段，我国ITS应用主要分为6个方面：交通管理系统、交通信息系统、车辆控制系统、公共交通系统、电子收费系统以及实时监控系统。其中前三个方面成为我国ITS的强项。

三、多旋翼无人机在ITS中的应用研究

2002年，作为第一个将多旋翼无人机引入交通监管的国家，美国相关部门开展一个项目，深入研究多旋翼无人机数据采集技术的可行性。结果表明：利用无人机进行交通数据采集可降低20%的总成本，每年可节省7500万美元左右的费用，且加装扩展装备可客观展现实时路况以及交通事故，从被动向主动转变。

随后，多旋翼无人机在交通监管中的应用越来越多，结合ITS的无人机交通监管模式也逐渐体现优势。

(一)无人机系统

无人机系统(Unmanned Aircraft System，UAS)是指由飞行器系统、地面保障系统、通信链路系统以及载荷系统四大系统组成，对无人机进行监控、支援、信息传输、维护等功能为一体的系统。四大系统及其作用如图1所示。

图1 无人机系统

四大系统相辅相成，才能构建一架能够自主控制、拥有后备支援的无人机，而将多旋翼无人机与ITS相结合，四大系统有效集成才能实现。

1.动力系统

由于多旋翼无人机在执行任务时要求灵活，可操控性高，且具有相对较长的续航时间，动力系统决定了无人机的结构以及重量、体积。

传统多旋翼无人机多采用锂聚合物电池作为主要飞行动力，自重2～5kg，最长续航时间不超过40min，但充电池时间超过1h。由于锂电池相关技术已无法取得突破，即使使用高能锂电池，续航时间不超过1.5好，且增加自重，约束空中灵活性。

随着新能源的开发，目前无人机载电池得到了进一步突破。2015年5月，新加坡公司研发的搭载氢燃料电池的多旋翼无人机，可空载续航4h，1kg满载飞行150min，相对于锂聚合物电池，续航时间大大延长，且氢燃料电池安全性更高，更换燃料方便，更符合现对多旋翼无人机的要求[6]。

为了更好与ITS有机结合，现目前市场上存在电池智能系统，该系统可实时显示电池电压、电量剩余百分比、电池温度、电池休眠保护、电池状态等电池参数，在进行无人机远程操控时，可更好地了解无人机状态，实时准备召回。

2.数据链系统

不同与军用固定翼无人机以及大型民用无人机，多旋翼无人机多进行周期短、无基站或远程指挥中心、利用短距离无线局域网协议进行现场视距数据采集的工作，所以对于数据链要求不高，Zigbee 组网或WIFI传输协议已能满足大部分需求。在ITS中，建立智能化、信息化、可控化的地面交通运输系统，需要的是能够实时传递数据的“天眼”，比起固定的监控摄像头和道路传感器，多旋翼无人机显然能够担起重任。如图2所示，将ITS指挥中心设为地面基站与网络中心，利用超视距数据链进行数传、图传的实时进行，在未来信号范围问题得到改善或解决，远程指挥中心作为多旋翼无人机基地，进行无人机远程派遣与回收，能够更进一步减少人力成本。

图2 数据传输链

3.有效载荷

有效载荷是无人机完成各项工作所需要的功能模块，可以说无人机是搭载各类功能模块的飞行平台，只有搭载有效载荷，无人机才能发挥最大的作用，如表格 4数据传输链中的光学设备、通信设备以及传感器设备。

最常见的有效载荷是光学照相机为首的光学设备，搭载光学设备进行航拍、图片采集也是多旋翼无人机最常见也是最重要的工作之一。当然，在交通管理中，普通光学设备已无法满足需求，红外线、热敏设备以及特种设备成了有效载荷的新产品，利用这些载荷，多旋翼无人机可完成远程喊话、事故航拍、追踪轨迹等操作，如Figure 1车辆轨迹追踪 Figure 2航拍交通事故所示[2]。

四、未来发展趋势

就目前发展速度而言，5G网络已经开始普及，多旋翼无人机会在不久后正式加入大数据采集队伍之中。而无人机技术也朝着高机动、长续航、自主飞控、智能感知等方向发展，现今的“互联网+”必将带来“无人机+”的专业领域研究。

攻克动力、数据传输等难关后，将多旋翼无人机与人工智能进行结合，也必将带来新一次的科技浪潮，无人机交警、智慧物流等技术也将逐渐成熟，真正的ITS将向我们逐渐靠拢。