本文研究高速公路场景下的无人机集中管控系统，解决高速公路无人机应用的痛难点问题，保障高速公路无人机应用安全合规，从而提升无人机应用成效，助力高速公路智慧升级。

随着无人机技术的快速发展以及推动高速公路行业无人机应用的国家、省级等政策文件密集出台，无人机越来越广泛应用于高速公路的建、管、养、运、服等业务场景中。无人机具有监测范围广、机动灵活、不受空间限制及快速抵达现场等优势，使用无人机可以实现快速飞抵现场、获得实时航拍视频和图像，在桥梁、边坡等复杂和危险的环境下也能高效作业，从而有效地缓解或者解决相关问题，是助力高速公路行业高质量发展的有效手段。

在无人机越来越多地应用于高速公路业务场景的同时，无人机飞行安全隐患、与现有业务协同不足、无人机未共享利用、人工操作作业效率低等问题日益凸显。同时，根据2024年1月开始实施的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，国家进一步加强无人机监管，如何确保无人机应用安全性成为全行业面临的重要挑战。

因此，本文研究高速公路场景下的无人机集中管控系统，解决高速公路无人机应用的痛难点问题，保障高速公路无人机应用安全合规，从而提升无人机应用成效，助力高速公路智慧升级。

（一）国家政策加强对无人机管控

2024年1月1日，国务院、中央军委发布的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》（以下简称《条例》）正式施行。《条例》明确规定高速公路上方为管制空域，未经空中交通管理机构批准，不得在管制空域内实施无人驾驶航空器飞行活动。

同时，《条例》规定无人机实名登记、依法投保、真高120米以下为适飞空域、制定紧急情况处置预案、安全问题24小时内向空中交通管理机构报告等要求，并规定操作微型、轻型以外的无人机应具备飞行执照，除微型、轻型、小型无人机在适飞空域内飞行允许不申报外，其他场景应申报后飞行。

《条例》是我国第一部民用无人驾驶航空器法规，结束了长期以来无人驾驶航空器无法可依的历史。在国家对无人机管控日益严格的趋势下，确保无人机安全合规使用成为无人机应用有效落地的重要前提。

（二）高速公路对无人机管理要求

虽然无人机在高速公路已广泛应用，但结合调研获得的无人机使用情况看，各路段自建自管自用无人机，无人机应用缺乏统筹规划，未实现无人机技术、业务、资产等要素资源配置优化，并且面临无人机安全性无法全面监管、资源无法共享利用的问题，具体表现在以下几个方面：

1.缺乏统筹规划：路段各自开展无人机应用，使用的无人机型号和无人机厂商平台种类多，应用场景碎片化，路段上级管理单位无法全局掌握无人机应用情况，对无人机的整体协调和统一管理带来困难，尤其是设备资源有限、飞行任务较多的情况下，有必要合理安排飞行时间、调度飞手和设备资源。

2.存在安全隐患：无人机作业主要依靠飞手到现场人工操作的方式，由于作业完全取决于飞手的技术，整体作业效率低，对于航线的准确性、作业区域的全覆盖都没有办法保证，而且飞手可视范围有限，一旦需要大范围作业则更加困难，存在碰撞障碍物的安全隐患。同时，无人机采集的数据多为线下人工拷贝传输，存在敏感数据泄漏风险。

3.无法共享利用：路段各自采购、使用无人机，未能实现无人机资源共享，资源利用率较低。路段养护、路政、监控等部门各自通过无人机采集数据，未共享利用。各路段开展无人机应用研发，存在重复建设、应用未能共享的问题，且不能很好地更新迭代。

（三）高速公路无人机应用新要求

目前高速公路无人机应用处于发展阶段，无人机技术与行业需求契合度还不高，亟需通过系统化、标准化、规范化的管控平台，加快推动与行业需求的深度融合。在广东省内高速公路进行需求调研分析时，高速公路运营管理部门从不同业务领域，提出了无人机的应用新需求，整体上可以总结为以下四个方面：

1．可监管：应对无人机设备资产、飞行空域、飞手资质、飞行状态、采集的数据等全要素信息的监管，确保无人机应用安全和全面掌握应用情况。

2．可协同：应根据业务流程将无人机能力集成业务系统中，使业务人员无需在多个系统之间跳转操作，确保业务连贯性。

3．可共享：应将无人机采集的数据实时回传并共享到业务系统中，满足无人机直播和数据应用需求；同时，通过全面监管无人机应用情况，可统筹实现无人机在所辖路段之间、路段内业务部门之间共享利用，提升无人机利用率。

4．自动化：实现无人机定时定点自动化飞行，解决飞手操控无人机作业存在的难度高、效率低问题，提升作业安全性。

随着无人机技术的发展，国内外均研究出了一系列无人机管控系统。国内无人机发展起步比较晚，但也取得了一定成果，比如中科云图的易飞云平台、复亚智能MindView睿云管控平台、大疆创新的大疆司空、道通智能的道通指挥中心等系统，并已投入使用。国外无人机发展比较早，应用已经较为广泛，获得了相应成果，主要包括Dronepoint 公司的UgCS 软件、德国 Micridrones 公司的MdCockpit 管控系统。

虽然国内外众多软件厂商都提供了相应的无人机管控软件解决方案，但由于大多系统是定位于全行业通用的管控系统，或针对特情的应用场景而建设，因此在高速公路行业应用时，这些系统仍然存在不足，具体表现在以下几个方面。

表1 国内外研究现状

（一）研究方法

本研究基于国内外无人机集中管控系统的研究成果，分析传统管控系统的不足之处，并结合高速公路行业实际应用需求，通过研究无人机自动化作业、无人机实时监测、多路远程视频回传、无人机远程控制等技术，建设高速公路场景下的无人机集中管控系统，通过该系统集中接入无人机、机场、负载等设备，并提供无人机航线规划、任务制定、自动化作业、飞行状态监控、无人机直播、远程控制、数据管理等全过程管控能力，再通过开放式的服务接口，使高速公路业务系统可按需集成和使用无人机管控能力，从而实现无人机应用。

（二）创新性

1．一体化无人机管控系统：通过无人机集中管控系统统一接入高速公路的无人机，并为业务系统提供可随需使用的航线规划、任务规划、自动化作业、飞行监控、远程控制、数据管理等全流程无人机服务，支撑快速构建无人机应用，保障应用安全合规。

2．灵活调度指挥：提供值守式响应能力，支持无人机远程调度指挥，并通过无人机自动化作业的方式，实现无需人员到现场操作，灵活高效。

3．数据协同共享：无人机采集的数据实时共享给业务系统，发挥数据协同价值，避免数据的重复采集和处理，提高工作效率。

4．多场景化应用服务：无人机与业务系统深度融合，业务系统可便捷调用无人机服务，无缝使用无人机，通过无人机开展应急指挥调度、日常巡查等业务，满足多场景化无人机应用需求。

无人机集中管控系统采用SaaS化设计的思想，将系统分为感知层、数据层、服务层、能力支撑层、展示层，进而完成对整个系统功能的实现，并通过系统集成层将系统能力提供给应用层的高速公路业务系统，业务系统随需调用。系统整体架构如下图1所示：

图1 整体架构

感知层：集成无人机、机场和挂载设备，确保数据采集的准确性和实时性。

数据层：集中存储无人机采集的视频和图片、设备基础数据、航线数据、飞行监测数据、气象数据、限飞区数据等，其他业务系统可通过无人机集中管控系统的服务接口获取这些数据。

能力支撑层：构建高精度地图、2D地图、视频流媒体中心，提供无人机集中管控系统所需的高速公路地理信息和视频处理能力。

服务层：实现航线管理、任务管理、无人机监测、无人机直播、远程控制、自动化作业、数据管理、设备管理等功能，其他业务系统集成无人机集中管控系统的功能，实现无人机应用，避免重复开发。

系统集成层：实现无人机集中管控系统与其他业务系统的集成，提供数据服务集成、无人机管控服务集成等方式，并进行权限控制。

展示层：开发PC端和移动应用，提供直观、友好的用户操作体验。

应用层：指系统可以支撑构建的无人机应用，包括应急救援、养护巡查、路政巡查等。

高速公路场景下的无人机集中管控系统有PC端的管理系统和移动端的飞控APP两个子系统，系统关系图如下图2所示。其中，管理系统提供无人机管控服务，业务系统通过调用服务的方式进行航线规划、任务制定等，管理系统接收业务系统的指令控制无人机进行自动化作业或人工现场操作作业，并将无人机作业全流程信息、采集的数据实时共享给业务系统；飞控APP则是无人机人工现场操控的主要工具，实现无人机设备与管理系统通信和数据同步。

图2 系统关系示意图

（一）管理系统功能设计

PC端的管理系统功能组成如下图3所示：

图3 系统功能组成

航线管理：支持无人机航线规划、航线导入、航线查看功能，实现无人机航线的集中管控，保证无人机航线合规性和安全性。

任务管理：支持任务计划管理功能，可规划自动化任务和飞手任务，制定任务执行时间、航线、无人机设备等信息；支持历史任务管理功能，可查看历史无人机任务的完成情况，回放飞行轨迹。通过无人机任务的集中管控，保证无人机任务安排合理有序和历史飞行记录追溯。

无人机监控：支持无人机分布地图监控、飞行状态监控、异常气象预警、限飞区预警功能，实时掌握无人机飞行情况。

无人机直播：支持无人机飞行过程中进行视频直播，及多路无人机视频直播。

远程控制：支持远程控制无人机和负载设备完成相应操作的功能。

数据管理：支持无人机及负载设备采集数据的接入、存储、查看、统计分析功能，实现数据集中管控，满足数据安全和数据共享需求。

设备管理：支持无人机、机场、负载等多型号设备的接入，以及设备信息查看、健康监测功能，实现设备资产的全方位管控。

限飞区管理：支持无人机限飞区数据接入、自定义限飞区、查看限飞区功能，保证无人机在安全区域内飞行。

气象数据管理：支持实时气象数据接入和查看功能。

飞手管理：支持飞手信息管理，及查看飞手认证证书、任务执行情况等信息，通过飞手集中管控，保证飞手资质完备性，确保无人机安全飞行。

（二）飞控APP功能设计

飞控APP功能组成如下图4所示：

图4 飞控APP功能组成

无人机连接：支持连接无人机设备，以执行任务。

任务管理：支持查看待执行任务信息，包括执行时间、航线等，并执行任务，

飞行监控：支持基于地图监控无人机飞行状态及任务执行进度，并进行限飞区预警、气象预警。

视频直播：支持在无人机飞行过程中查看实时视频。

无人机控制：支持遥控无人机，调整无人机速度、高度，以及进行悬停、拍照、录像、返航等操作。

数据管理：支持查看、上传采集的数据，支持监控数据上传状态。

限飞区查询：支持在地图上查看限飞区及限飞要求。

（三）无人机集中管控服务设计

无人机集中管控系统提供SaaS化服务（软件即服务） 能力，对PC端管理系统的全部功能均提供原子粒度的服务能力，高速公路业务系统可根据应用场景进行集成和使用，灵活构建多场景的无人机应用。基于SaaS化服务，业务系统主要通过以下两种方式构建无人机应用：

1．接口集成：提供一系列的接口给在业务系统调用，以获取无人机采集的数据或使用无人机管控功能。

2．界面集成：提供一些列Saas页面给业务系统使用，使业务系统无需重复开发无人机管控功能相关界面。

（一）无人机自动化作业技术

无人机自动化作业需重点实现按航线自动飞行、定点自动起降、数据实时回传的目标，以提高无人机作业效率，降低由飞手人工操控无人机飞行带来的安全隐患。为此，研究无人机自动化作业技术，通过制定无人机任务的航线、定时执行时间，以及执行对象为机场或飞手，从而生成无人机排班表，使无人机根据排班表自动化作业。在制定无人机任务时，基于排班表信息自动进行任务冲突检测，若选用的无人机设备、航线等在同时段内已经被占用，则实时反馈并进行调整。

对基于机场全自动执行的任务，系统按计划执行时间定时发送任务信息及航线信息给机场，机场控制无人机自动化按航线飞行，采集的数据自动回传；对飞手执行的任务，系统将任务信息及航线信息发送到飞控APP，飞手通过飞控APP接收和执行任务，飞手选择开始执行后，无人机按航线自动飞行，采集的数据自动回传，中间无需人工操控，提高工作效率。

（二）无人机实时监测技术

无人机执行任务时，需要实时监测最新位置、飞行状态及任务完成情况。为此，研究无人机实时监测技术，在无人机飞行过程中，获取无人机经纬度信息，基于GIS地图动态展示无人机最新位置，并基于经纬度绘制和展示实际飞行路径，以及预规划的航线信息，从而监控任务执行进度，确保按计划好的航线执行任务。同时，利用无人机设备的API接口来获取飞行时的实施飞行参数，确保飞行安全。

无人机结束飞行后，系统存储历史飞行数据，确保数据可追溯。可基于GIS地图回放历史飞行航线，并查看对应航点采集的视频、图片等，实现基于无人机位置查看和分析高速公路现场环境情况。

（三）多路远程视频回传技术

无人机执行任务时，需要实时将采集的视频传回无人机集中管控系统，从而共享给高速公路业务系统进行视频直播，该过程对数据传输要求低时延且抗干扰性强。因此，研究通过流媒体技术将多路无人机视频从无人机源端实时传输到无人机集中管控系统。

具体实现方法为：

1）由无人机实时采集视频；

2）无人机将采集的视频传到流媒体服务，其中，对机场控制飞行的无人机，采集的视频先传输到机场，由机场通过RTMP协议传输至流媒体服务；对飞控APP控制飞行的，采集的视频传输到遥控器，再由遥控器传到飞控APP，飞控APP通过 RTMP协议传输至流媒体服务；

3）无人机集中管控系统基于HTTP-FLV直播协议从流媒体服务器进行拉流，获取视频，实现无人机多路远程视频回传和直播，并且直播过程中会实时存储视频，以满足视频回放和分析需求，技术流程如图5所示。

视频回传后，高速公路业务系统通过调用无人机集中管控的视频直播服务可进行多频直播。另外，对于无人机在各航点基于业务需求拍摄的图片、录制的视频等数据，会在无人机结束任务后，自动回传并存储到无人机集中管控系统，其他业务系统可调用服务以获取数据，以进行数据分析。

图5 多路远程视频回传技术流程

（四）无人机远程控制技术

在无人机飞行过程中，结合业务场景需要远程控制无人机或负载设备，包括调整飞行方向、飞行姿态、速度、高度、变焦，以及进行拍照、录像等操作。实现无人机远程控制，需优先实现无人机飞行状态数据监控，以掌握无人机实时状态。因此，结合实际控制场景，无人机执行任务过程中采用两种飞行模式，可实现无缝切换，具体如下：

1．常规监控模式：基于无人机SDK实时获取无人机、负载和机场设备的位置、电量、高度、速度、信号强度等状态参数，以及航线、任务进度、气象等信息，并在GIS地图上展示，让用户能够实时、全面掌握无人机飞行情况，支撑远程控制决策。

2．远程控制模式：可远程控制无人机飞行，包括控制云台、负载设备、调整航向角、一键返航、暂停飞行等。同时，为避免出现多人控制情况，实现用户鉴权功能，一旦切换到远程控制模式后，锁定当前控制权限，不允许其他人再控制，除非当前用户退出远程控制模式。

在广东省交通集团高精地图项目中，无人机集中管控系统为集团高速公路高精度数字底图提供无人机管控服务，将无人机接入系统后，实现基于高精度底图进行无人机实时位置监控、飞行状态监测、视频直播、历史数据回放等，从而构建高速公路“空天地”一体化监控服务，支撑高速公路开展无人机应用。应用效果如下图6所示。

图6 应用效果图

高速公路场景下的无人机集中管控系统解决了无人机应用中存在的痛难点问题，为多样化的无人机应用需求提供了无人机技术底座，使无人机能力可集成、数据可共享到业务系统，从而实现在高速公路全场景业务中高效构建无人机应用，同时保障无人机应用安全合规，具有很好的推广使用价值。