無人機航拍在鐵路事故救援中應用思考

崔 粲

（溫州市鐵路與軌道交通投資有限公司運營分公司，浙江溫州 325000）

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無人機航拍在鐵路事故救援中應用思考

崔 粲

（溫州市鐵路與軌道交通投資有限公司運營分公司，浙江溫州 325000）

摘要：鐵路事故救援時，準確及時地將事故現場情況圖像傳輸到指揮中心，對指揮救援決策有重要作用。基于小型無人機航拍事故現場圖像，并利用3G/4G通信網的虛擬專用網絡將實時圖像傳輸到事故指揮中心，能夠克服過往圖像傳輸系統視角有限，只能傳送靜態圖等問題，應用前景好。介紹了無人機航拍系統的構成，及基于無人機的事故現場圖像實時傳輸系統構成及優缺點。

關鍵詞：事故救援；無人機；圖像傳輸

Abstract:As implementing the rescue from a railway accident, it will play an important role for commanding accident operations to send the images/pictures of the accident scene into the control center in time. If a compact Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is used to photograph the accident scene and send in real-time the relevant images/pictures into the control center over 3G/4G virtual privacy network, the problems such as having a limited visual angle of common image transmission systems and transmitting static images only can be overcome. So UAVs will be applied in railways with a good prospect. The paper introduces the composition of UAV aerial photograph system, the structure and advantages and disadvantages of accident scene image transmission system based on UAVs.

Keywords:accident rescue; unmanned aerial vehicle; image transmission

近年來，隨著我國鐵路運營里程快速增長，對事故救援工作提出了更高的要求。事故救援時，準確及時地將事故現場情況，尤其是實時圖像傳遞到指揮中心，也成為指揮中心進行決策的關鍵基礎。

2000年時，鐵路救援系統大多要利用一些固定設備實現現場圖像的采集與傳輸，但這些設備體積大、功耗大、點對點傳輸、傳輸速率低、圖像分辨率低、操作繁瑣[1]。2010年，提出了基于虛擬專用網絡（VPN）的現場高清圖像傳輸系統[2]，圖像采集采用手持式攝像機，通過中國移動VPN將靜幀圖像傳輸到事故指揮系統服務器。該系統靈活便攜，傳輸安全可靠，但依舊存在著只能傳送靜態圖像，攝像機視角有限等諸多問題。

最近兩年3G/4G移動通信網絡的快速普及和小型無人機飛行控制技術的成熟，使得通過小型無人機航拍回傳事故現場實時圖像成為可能。使用無人機實時拍攝回傳事故現場圖像，可以有效克服現有圖像傳輸系統諸多問題，方便指揮救援工作更高效、有序地開展。

1　小型無人機航拍系統介紹

最近兩年，小型無人機航拍技術取得了突破性進展，用于軍事、農業、消防、測繪、影視，乃至消費級到手即飛的各式無人機航拍系統不斷出現，且功能不斷增強。無論哪種應用領域，無人機航拍系統大致可以分為飛行設備和地面設備兩部分，如圖1所示。

1.1飛行設備

飛行器由舵機和攝像模塊組成，舵機實現飛行運動，下掛的拍攝模塊進行拍攝和圖像傳輸。

1）舵機

舵機是飛行器的主體，是航拍設備的飛行部分，帶有遙控接收模塊，接收地面遙控器指令進行飛行。通過在舵機上掛載航拍設備實現航拍工作。

常用的舵機共3種形式：固定翼、直升機和多旋翼。如圖2所示。

固定翼無人機：續航時間長，飛行效率高，載荷大，但要助跑，不能空中懸停。主要應用于軍事、民用。

無人機直升機：可以垂直起降，空中懸停，載荷和續航能力中庸，但機翼結構極其復雜，維護成本高。主要應用于軍事、民用。

多旋翼無人機：可以垂直起降，空中懸停，結構簡單，續航短，載荷相對較小。主要是大載荷民用，小載荷航拍。

目前，固定翼多用于大型無人機；直升機由于結構復雜，無人機中應用的較少；多旋翼無人機能夠小范圍內實現精確運動，已廣泛用于影視航拍，是小型無人機的主要機型。

2）拍攝模塊

拍攝模塊主要指數碼像機及云臺。

現今消費級數碼相機普遍體積小，重量輕，只要具備圖像傳輸模塊都可以用做航拍。目前采用較多的是Gopro系列運動相機，如圖3所示，它體積小，分辨率高（1080P全高清及以上），續航時間長（1 h以上），畫質好，具備圖像傳輸功能，非常適合用于航拍。

通常為了增加視頻拍攝畫面平穩性，還需要使用電控云臺。云臺掛在舵機下，云臺上安裝拍攝相機。電控云臺使用算法控制相機運動抵消舵機的抖動，使安裝在云臺上的相機可以拍攝出穩定的畫面。

3）圖像發射模塊

如圖4所示，圖像發射模塊用于將相機在空中拍攝的畫面傳輸到地面圖像接收模塊進行顯示。圖像傳輸模塊有不同的規格，可傳輸標清或高清視頻流，傳輸距離幾百米至幾公里，目前工作在2.4 GHz，5.8 GHz或600 MHz等頻段，2015年4月工信部發布的新規定里將1 430～1 444 MHz頻段劃分用于無人駕駛航空器系統下行遙測與信息傳輸鏈路，即圖像傳輸。

1.2地面設備

地面設備主要由遙控發射模塊和圖像接收模塊構成。

1）遙控發射模塊

遙控發射模塊通常是遙控器，如圖5所示，主要用于地面操作人員遙控飛舵機及云臺的運動和姿態。遙控器也有各種不同規格，有效距離幾百米至2 km左右，目前工作在433 MHz或2.4 GHz等頻段，2015年4月工信部發布的新規定里將840.5～845 MHz頻段劃分用于無人駕駛航空器系統的上行遙控鏈路。

2）圖像接收模塊

圖像接收模塊與飛行器上的圖像發射模塊進行通信，接收其發射的圖像進行顯示或保存。一種典型的高清圖像接收裝置如圖4所示。接收的圖像可通過手機、平板或其他顯示屏進行觀察。

2　小型無人機用于事故現場圖像拍攝系統設計

通過將小型無人機航拍系統與3G/4G通信網絡相結合，可以組成事故現場實時圖像傳輸系統，將事故現場各角度圖像實時傳回救援指揮中心，方便救援決策。具體系統組成如圖6所示。

系統主要由圖像采集前端、傳輸載體、服務器端和顯示終端構成。

1）圖像采集前端

圖像采集前端即在事故現場的無人機航拍系統，采用多旋翼無人機，搭載可變焦的數碼相機，配備高清圖像傳輸模塊，由現場操作人員進行控制，在以事故發生地為中心，1～2 km為半徑的空域內自由移動進行拍攝，并將高清圖像傳送至地面中繼器。航拍無人機在事故現場的主要作用如下。

a.俯拍事故現場整體毀傷情況及周邊的綜合交通情況，方便遠程指揮人員了解現場概況，制定救援規劃。

b.各角度拍攝特定設備、人員特寫，以了解特定設備和人員具體的毀傷情況。

c.懸停在救援現場，俯拍現場人員、設備分布及部署情況，以供現場或指揮中心指揮人員更合理地進行現場人員和設備的調度。

事故發生后，救援小組攜帶無人機第一時間趕赴事故現場附近，放飛無人機，并開啟實時圖像傳送，將無人機拍攝的畫面實時傳回指揮中心，并按照指揮中心要求變換角度拍攝需要了解的畫面信息。

2）傳輸載體

傳輸載體指地面中繼器及電信運營商的VPN，傳輸載體將航拍圖像傳輸至Internet網絡上的遠程服務器。

傳輸載體中，地面中繼器用于將接收的圖像轉換頻段，并通過電信運營商的VPN進行傳輸。VPN是電信運營商為企業用戶提供的虛擬專用網絡，在電信運營商的移動通信公共網絡的基礎上，構建一條臨時、安全的連接，進行數據的傳輸，能夠滿足傳輸所需的身份認證功能，數據完整性和數據保密性[3]。過去2G網絡傳輸速率低，只能傳輸靜態圖像，而近兩年基于3G/4G通信網絡傳輸速度快，下行速度可達10 Mbit/s以上，使得實時傳輸高清圖像成為可能。

3）服務器端和終端

服務器端指鐵路應急指揮系統的邏輯服務器，由一系列互聯的文件服務器、數據庫服務器等服務器組成；顯示終端即最終查看圖像的指揮人員的顯示屏，如指揮中心大屏等。

服務器端和顯示終端利用現有的鐵路應急指揮系統的服務器和顯示終端，保證現場圖像直接傳輸至事故指揮人員面前而無需新建整套系統[4]。

3　小型無人機用于事故現場圖像拍攝的優點與局限

3.1小型無人機用于事故現場圖像拍攝主要優點

1）視角自由。不同于普通攝像機只能以不高于人體高度的視角拍攝，無人機既可以從空中俯瞰整個事故現場全景，又可以根據需要飛行到事故車輛附近，近距離觀察車輛人員毀傷情況，視角幾乎不受限制。

2）操作簡單，上手快，部署成本低。普通工程師可以在0.5 h內初步掌握無人機的基本飛行及拍攝控制，現有工程師兼職即可完成相關工作，無需為其設置專職人員。相比于能夠實現類似功能的動力傘或直升機，無人機部署成本低廉，后續每次出動更是只耗費很少的電費，維護簡單。

3） 可塑性高。由于由很多模塊構成，無人機航拍系統即可獨立運用，也可以根據需要組合模塊，或接入其他圖像采集系統，適用范圍廣。

3.2小型無人機用于事故現場圖像拍攝目前的主要局限

1) 續航時間有限。多旋翼無人機的動力來自鋰電池，續航時間30 min左右，不能滿足整個救援過程需要，但通過雙機輪值的方式，可以有效解決此問題，只需多備電池即可。

2) 使用條件有限制。大雨、強風等惡劣天氣，復雜電磁環境下和夜間，無人機不便升空使用。限于遙控模塊及圖像傳送模塊的距離限制，無人機必須在事故現場附近1～2 km范圍內飛行。

3) 國家相關法律法規尚不完備。由于小型無人機系統是近幾年突飛猛進發展的，相關的法律法規尚不完善，無人機的空域使用，安全監管等方面尚仍存在一些不明確的地方。但總體上講，政策層面并沒有否定無人機的使用，而是在積極引導促進無人機行業的發展。

4　總結

隨著技術的進步，使用小型無人機進行事故現場救援的航拍已經成為可能，通過將航拍圖像傳輸到救援指揮中心的方案可以克服之前地面拍攝靜態圖像的很多不足，可以方便指揮人員更具體地了解現場情況，更好地進行救援決策，有很強的推廣應用價值。由于才疏學淺，文中所設計的系統可能有很多考慮不周的地方，但相信不遠的未來隨著相關系統的不斷完善，小型無人機一定能夠在鐵路事故救援領域發揮相應的作用。

參考文獻

[1]薛瑞民.鐵路事故救援靜止圖像處理（網絡）系統[J].鐵道通信信號，2000，36（5）：5-7.

[2]雷煜華，張麗.鐵路救援系統中遠程圖像采集與傳輸技術研究與應用[J].硅谷.2010：24.

[3]高海龍，張國立.VPN技術及其發展[J].福建電腦，2008 （2）：1-2.

[4]唐士晟.鐵路運輸應急救援體系研究[D].成都：西南交通大學，2011.

國外簡訊

收稿日期：（2015-05-13）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.012