文 | 縱蘊瑞 張晏

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

隨著電力建設(shè)的迅速發(fā)展，輸電線路的規(guī)模不斷擴大，以人為主的輸電線路巡檢模式存在效率低、安全性差等缺點，難以滿足電力線路巡檢的需求，無人機巡檢作為一種新的巡檢方式，已被廣泛應(yīng)用在電力行業(yè)日常巡檢中。為了提高無人機巡檢的智能化水平，按照規(guī)劃的航線飛行以保證作業(yè)安全可靠，對高精度的位置服務(wù)提出了迫切的要求。同時近年來，各種自然災(zāi)害頻繁不斷發(fā)生，環(huán)境破壞和氣候變化引起的災(zāi)害的頻率以及危害程度呈增長的趨勢。在這種突發(fā)緊急的情況下，人員的實時位置、應(yīng)急現(xiàn)場與應(yīng)急指揮中心的通信以及采取何種應(yīng)急救災(zāi)方案變得尤為重要。

結(jié)合上述業(yè)務(wù)需求，天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司通過空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)的建設(shè)，為無人機等設(shè)備提供高精度的位置服務(wù)。為提高巡檢效果，保障無人機巡檢的航跡規(guī)劃和控制的準確性，實時定位精度需滿足厘米級定位的要求。同時在應(yīng)急救災(zāi)場景下，通過北斗終端的定位和通信功能，可實時回傳人員的位置并在系統(tǒng)中顯示，實現(xiàn)各部門信息的共享，利用實時導(dǎo)航功能引導(dǎo)指揮人員到達相應(yīng)的位置，提高應(yīng)急指揮調(diào)度能力。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

1.建設(shè)目標

本著“機巡為主，人巡為輔”的原則，以全過程安全、精確、應(yīng)急管理為設(shè)計理念，將基于無人機智能化設(shè)備平臺的位置監(jiān)控及校正，與地面監(jiān)測基站和移動監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合，構(gòu)建空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)，形成更加完善智能的信息化平臺支撐，進一步提升巡檢效果、應(yīng)急響應(yīng)及科學(xué)指揮決策水平和能力。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)由展示層、接口層、業(yè)務(wù)層、支撐層、數(shù)據(jù)層、硬件層組成復(fù)雜的Web 應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，采用SpringBoot 為核心的微服務(wù)架構(gòu)體系容器技術(shù)以及 Linux 環(huán)境分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，架構(gòu)技術(shù)進行分層設(shè)計，其中數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等核心組件獨立運行，松散耦合，各個功能組件都支持獨立橫向擴展、多節(jié)點部署，保證提供相對穩(wěn)定的服務(wù)，確保僅通過資源的橫向堆疊即可滿足用戶海量疊加，而無需修改系統(tǒng)總體架構(gòu)。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)架構(gòu)圖

展示層：主要為用戶提供直接的展示和交互服務(wù)，基于React+Ant Design 框架搭建，采用基于Cesium 開源框架研發(fā)的輕量級三維地理信息平臺，擁有超強的三維展示能力，同時基于MQTT 實現(xiàn)實時消息的推送和接收。

接口層：采用Nginx 進行反向代理和負載均衡，保證高可用，采用輪詢算法轉(zhuǎn)發(fā)到Zuul 網(wǎng)關(guān)上，實現(xiàn)各個服務(wù)之間的路由、鑒權(quán)和日志。

業(yè)務(wù)層：主要實現(xiàn)系統(tǒng)的各項業(yè)務(wù)功能，包括應(yīng)急指揮調(diào)度模塊、北斗終端管理模塊、終端設(shè)備管理模塊、位置監(jiān)控及預(yù)警模塊、系統(tǒng)管理模塊等功能。

支撐層：主要包括DataExpress 消息中間件、采用GeoServer 進行地圖數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布、基于Cesium 開發(fā)的自研GIS 平臺以及輸電線路臺賬信息。

數(shù)據(jù)層：主要包括MySQL 作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫保存全部模型數(shù)據(jù)，MongoDB 作為非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，Redis 作為緩存數(shù)據(jù)庫保存遙測等數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的全部服務(wù)Docker 化，可將其部署在任何一個可保證其正常運行的機器中，最大程度地減少系統(tǒng)的開發(fā)與部署環(huán)境之間的差異。底層采用基于Kubernetes 的容器集群管理，平臺運行出現(xiàn)故障時，具有很強的故障檢測及自我修復(fù)能力，同時具有可擴展的資源調(diào)度及彈性伸縮的能力，有效提高了系統(tǒng)運行的可靠性、靈活性及自動化運維水平，降低了運維的成本。

三、系統(tǒng)功能設(shè)計與設(shè)備數(shù)據(jù)接入

1. 系統(tǒng)功能

空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)主要包括應(yīng)急指揮調(diào)度模塊、無人機位置監(jiān)控及預(yù)警模塊、北斗短報文管理模塊、系統(tǒng)管理四大模塊。系統(tǒng)的功能組成如圖2 所示。

圖2 空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)功能組成圖

（1）應(yīng)急指揮調(diào)度

應(yīng)急指揮調(diào)度主要包括應(yīng)急通信數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)和應(yīng)急通信指揮調(diào)度子系統(tǒng)。

應(yīng)急通信數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)：第一時間將現(xiàn)場人員的位置信息、現(xiàn)場信息等關(guān)鍵信息推送至參與應(yīng)急救災(zāi)的各個部門，實現(xiàn)應(yīng)急數(shù)據(jù)信息的共享，確保各部門掌握實時準確的信息，同時在系統(tǒng)中地圖上顯示實時位置。

應(yīng)急通信指揮調(diào)度子系統(tǒng)：可與北斗短報文終端、應(yīng)急救災(zāi)、指揮中心等業(yè)務(wù)部門建立數(shù)據(jù)連接，實現(xiàn)突發(fā)緊急事件各相關(guān)部門的相互協(xié)同、有序應(yīng)對，提高救援效率。

（2）無人機位置監(jiān)控及預(yù)警

無人機位置監(jiān)控及預(yù)警主要包括無人機作業(yè)位置監(jiān)控、高精度位置服務(wù)、位置校正、作業(yè)航跡接入及作業(yè)異常預(yù)警。

無人機搭載一定的設(shè)備后，在飛行過程中回傳位置數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)的界面上實時顯示飛機的位置并跟蹤。根據(jù)設(shè)定的規(guī)則，偏離允許的范圍后報警，系統(tǒng)將進行相應(yīng)的處理，同時無人機還可以將作業(yè)的航跡信息回傳，通過正確的通信協(xié)議進行經(jīng)度、緯度及高度等位置信息的解析，最后通過北斗相應(yīng)的實時解算進行位置的校正，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的高精度定位。

（3）北斗短報文管理

北斗短報文管理模塊主要包括終端設(shè)備臺賬的管理、終端的實時位置管理、終端的工作狀態(tài)監(jiān)控及通信卡的管理。

系統(tǒng)對所有終端的設(shè)備臺賬、設(shè)備維修、設(shè)備保養(yǎng)信息進行管理，可進行增加、修改、刪除和查看相應(yīng)的操作，便于人機交互。同時系統(tǒng)界面上可實時顯示終端的位置、終端的數(shù)量及在線狀態(tài)，對位置和狀態(tài)進行監(jiān)控，利于應(yīng)急救災(zāi)事件的處理，提高救援效率。

（4）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理根據(jù)不同的用戶身份、級別設(shè)計基于角色的任務(wù)權(quán)限的管理模式，主要包括用戶信息、機構(gòu)信息、權(quán)限信息、角色信息。

管理員可根據(jù)實際情況和需要對系統(tǒng)中各類用戶的信息進行增加、修改、刪除和查看操作，按照無特權(quán)、最小漏洞的原則，統(tǒng)籌部署系統(tǒng)管理用戶的權(quán)限，對系統(tǒng)不同角色的權(quán)限進行配置，保證不同角色的權(quán)限不同，同時對組織機構(gòu)信息進行管理，不同的用戶及設(shè)備隸屬于不同的組織機構(gòu)，確保系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性。

2. 設(shè)備數(shù)據(jù)接入

智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)中，無人機和北斗短報文終端設(shè)備數(shù)據(jù)接入方案如圖3 所示。

圖3 設(shè)備數(shù)據(jù)接入方案示意圖

無人機搭載APN 專網(wǎng)卡，在實際飛行的過程中，作業(yè)的三維航跡可通過4G/5G 專網(wǎng)實時回傳至空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)，由后方的軟件系統(tǒng)進行實時接入和顯示。

針對無人機是否具有RTK 差分模塊，提供兩種不同的飛行航跡接入方案。針對有RTK 差分模塊的無人機，通過空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)為差分模塊分配差分服務(wù)賬號，無人機登錄差分服務(wù)賬號后，以一定的頻率定時回傳三維航跡；對于無RTK 差分模塊的無人機，通過無人機監(jiān)控地面站進行三維航跡的實時轉(zhuǎn)發(fā)。

北斗短報文終端具備定位和北斗短報文通信功能，將作業(yè)人員的位置進行上報，并在地圖上顯示，同時具備實時導(dǎo)航功能，指引作業(yè)人員到達指定位置，有效提高應(yīng)急救災(zāi)等場景下人員的通信保障能力和人員指揮調(diào)度能力。北斗指揮機具備北斗指揮功能，可實現(xiàn)多個北斗短報文終端的通信管理，實現(xiàn)空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)對現(xiàn)場的應(yīng)急指揮。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

1.智能巡檢

空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)中智能巡檢監(jiān)控界面，如圖4 所示。

圖4 智能巡檢監(jiān)控界面

系統(tǒng)可對無人機及北斗短報文終端是否在線及當(dāng)前工作狀態(tài)進行監(jiān)控，掌握當(dāng)前正在使用的無人機及北斗終端的數(shù)量及其位置信息，點擊地圖上的無人機及終端圖標可查看設(shè)備的詳細信息。同時在無人機實際飛行中，能在地圖上實時顯示無人機作業(yè)的三維航跡，基于接入的航跡文件庫，計算航線偏離的程度，當(dāng)偏離超過0.1m 時，會在系統(tǒng)中顯示預(yù)警信息并進行處理。

同時系統(tǒng)具有無人機作業(yè)狀態(tài)評估及歷史作業(yè)軌跡回放功能，點擊圖4 右上角的無人機監(jiān)控按鈕，彈出圖5 的界面，界面中作業(yè)統(tǒng)計內(nèi)的餅狀圖能實時顯示已完成和未完成的任務(wù)數(shù)。系統(tǒng)可對作業(yè)的三維航跡進行存儲，選擇無人機和回放時間，支持歷史區(qū)段內(nèi)無人機三維軌跡的回放。

圖5 無人機作業(yè)狀態(tài)評估和歷史回放界面

2.應(yīng)急救災(zāi)指揮調(diào)度

空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)中應(yīng)急救災(zāi)指揮調(diào)度監(jiān)控界面，如圖6 所示。

圖6 應(yīng)急救災(zāi)指揮調(diào)度監(jiān)控界面

應(yīng)急救災(zāi)指揮調(diào)度監(jiān)控界面分智能指揮、值班調(diào)度、兵力布防、災(zāi)害檔案四個部分。智能指揮部分實時顯示當(dāng)前發(fā)生災(zāi)害的詳細信息，包括災(zāi)害數(shù)量、調(diào)動的隊伍及人員數(shù)量、調(diào)動飛機數(shù)量及特種車輛數(shù)量、人員位置及軌跡信息。圖7 為項目組成員手持北斗短報文終端進行測試的行進軌跡示意圖。

圖7 測試人員手持終端行進軌跡示意圖

值班調(diào)度部分顯示當(dāng)日值班人員信息，點擊電話列表中的電話圖標可進行語音通話，有效保障了各部門人員之間的信息共享。兵力布防部分顯示應(yīng)急救災(zāi)部門的隊伍及人員總的數(shù)量，為救災(zāi)部門進行指揮調(diào)度提供基礎(chǔ)。災(zāi)害檔案部分主要是對歷史和當(dāng)年災(zāi)害發(fā)生原因及數(shù)量的統(tǒng)計，對于災(zāi)害的預(yù)估及預(yù)防提供參考。

五、結(jié)語

本文詳細論述了空地一體化智能巡檢及應(yīng)急指揮系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，介紹了平臺的整體架構(gòu)，系統(tǒng)的組成和功能，設(shè)備數(shù)據(jù)接入方案，以及系統(tǒng)的應(yīng)用。通過該平臺的建設(shè)，對全面提升巡檢的可靠性、安全性和效率以及應(yīng)急響應(yīng)能力具有重大的意義和價值。