空地一體化智能巡檢及應急指揮系統(tǒng)建設與應用

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提出了迫切的要求。同時近年來，各種自然災害頻繁不斷發(fā)生，環(huán)境破壞和氣候變化引起的災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、應急現(xiàn)場與應急指揮中心的通信以及采取何種應急救災方案變得尤為重要。

結合上述業(yè)務需求，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急指揮系統(tǒng)的建設，為無人機等設備提供高精度的位置服務。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。同時在應急救災場景下，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，利用實時導航功能引導指揮人員到達相應的位置，提高應急指揮調(diào)度能力。

二、系統(tǒng)總體設計

1.建設目標

本著“機巡為主，人巡為輔”的原則，以全過程安全、精確、應急管理為設計理念，將基于無人機智能化設備平臺的位置監(jiān)控及校正，與地面監(jiān)測基站和移動監(jiān)測設備相結合，構建空地一體化智能巡檢及應急指揮系統(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、應急響應及科學指揮決策水平和能力。

2.系統(tǒng)結構

空地一體化智能巡檢及應急指揮系統(tǒng)由展示層、接口層、業(yè)務層、支撐層、數(shù)據(jù)層、硬件層組成復雜的Web 應用服務系統(tǒng)，采用SpringBoot 為核心的微服務架構體系容器技術以及 Linux 環(huán)境分布式的系統(tǒng)架構，架構技術進行分層設計，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，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。系統(tǒng)的架構圖如圖1 所示。

圖1 空地一體化智能巡檢及應急指揮系統(tǒng)架構圖

展示層：主要為用戶提供直接的展示和交互服務，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，采用輪詢算法轉發(fā)到Zuul 網(wǎng)關上，實現(xiàn)各個服務之間的路由、鑒權和日志。

業(yè)務層：主要實現(xiàn)系統(tǒng)的各項業(yè)務功能，包括應急指揮調(diào)度模塊、北斗終端管理模塊、終端設備管理模塊、位置監(jiān)控及預警模塊、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 作為關系型數(shù)據(jù)庫保存全部模型數(shù)據(jù)，MongoDB 作為非關系型數(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)功能設計與設備數(shù)據(jù)接入

1. 系統(tǒng)功能

空地一體化智能巡檢及應急指揮系統(tǒng)主要包括應急指揮調(diào)度模塊、無人機位置監(jiān)控及預警模塊、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急指揮系統(tǒng)功能組成圖

（1）應急指揮調(diào)度

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

應急通信數(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)場信息等關鍵信息推送至參與應急救災的各個部門，實現(xiàn)應急數(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。

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

（2）無人機位置監(jiān)控及預警

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

無人機搭載一定的設備后，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)設定的規(guī)則，偏離允許的范圍后報警，系統(tǒng)將進行相應的處理，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，最后通過北斗相應的實時解算進行位置的校正，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場設備的高精度定位。

（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)對所有終端的設備臺賬、設備維修、設備保養(yǎng)信息進行管理，可進行增加、修改、刪除和查看相應的操作，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，利于應急救災事件的處理，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、級別設計基于角色的任務權限的管理模式，主要包括用戶信息、機構信息、權限信息、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、最小漏洞的原則，統(tǒng)籌部署系統(tǒng)管理用戶的權限，對系統(tǒng)不同角色的權限進行配置，保證不同角色的權限不同，同時對組織機構信息進行管理，不同的用戶及設備隸屬于不同的組織機構，確保系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性。

2. 設備數(shù)據(jù)接入

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

圖3 設備數(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急指揮系統(tǒng)為差分模塊分配差分服務賬號，無人機登錄差分服務賬號后，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，同時具備實時導航功能，指引作業(yè)人員到達指定位置，有效提高應急救災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急指揮系統(tǒng)對現(xiàn)場的應急指揮。

四、系統(tǒng)應用

1.智能巡檢

空地一體化智能巡檢及應急指揮系統(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前工作狀態(tài)進行監(jiān)控，掌握當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，當偏離超過0.1m 時，會在系統(tǒng)中顯示預警信息并進行處理。

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.應急救災指揮調(diào)度

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

圖6 應急救災指揮調(diào)度監(jiān)控界面

應急救災指揮調(diào)度監(jiān)控界面分智能指揮、值班調(diào)度、兵力布防、災害檔案四個部分。智能指揮部分實時顯示當前發(fā)生災害的詳細信息，包括災害數(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急救災部門的隊伍及人員總的數(shù)量，為救災部門進行指揮調(diào)度提供基礎。災害檔案部分主要是對歷史和當年災害發(fā)生原因及數(shù)量的統(tǒng)計，對于災害的預估及預防提供參考。

五、結語

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