空地一体化智能巡检及应急指挥系统建设与应用

文 | 纵蕴瑞 张晏

天津航天中为数据系统科技有限公司

一、引言

随着电力建设的迅速发展，输电线路的规模不断扩大，以人为主的输电线路巡检模式存在效率低、安全性差等缺点，难以满足电力线路巡检的需求，无人机巡检作为一种新的巡检方式，已被广泛应用在电力行业日常巡检中。为了提高无人机巡检的智能化水平，按照规划的航线飞行以保证作业安全可靠，对高精度的位置服务提出了迫切的要求。同时近年来，各种自然灾害频繁不断发生，环境破坏和气候变化引起的灾害的频率以及危害程度呈增长的趋势。在这种突发紧急的情况下，人员的实时位置、应急现场与应急指挥中心的通信以及采取何种应急救灾方案变得尤为重要。

结合上述业务需求，天津航天中为数据系统科技有限公司通过空地一体化智能巡检及应急指挥系统的建设，为无人机等设备提供高精度的位置服务。为提高巡检效果，保障无人机巡检的航迹规划和控制的准确性，实时定位精度需满足厘米级定位的要求。同时在应急救灾场景下，通过北斗终端的定位和通信功能，可实时回传人员的位置并在系统中显示，实现各部门信息的共享，利用实时导航功能引导指挥人员到达相应的位置，提高应急指挥调度能力。

二、系统总体设计

1.建设目标

本着“机巡为主，人巡为辅”的原则，以全过程安全、精确、应急管理为设计理念，将基于无人机智能化设备平台的位置监控及校正，与地面监测基站和移动监测设备相结合，构建空地一体化智能巡检及应急指挥系统，形成更加完善智能的信息化平台支撑，进一步提升巡检效果、应急响应及科学指挥决策水平和能力。

2.系统结构

空地一体化智能巡检及应急指挥系统由展示层、接口层、业务层、支撑层、数据层、硬件层组成复杂的Web 应用服务系统，采用SpringBoot 为核心的微服务架构体系容器技术以及 Linux 环境分布式的系统架构，架构技术进行分层设计，其中数据的采集、存储、处理等核心组件独立运行，松散耦合，各个功能组件都支持独立横向扩展、多节点部署，保证提供相对稳定的服务，确保仅通过资源的横向堆叠即可满足用户海量叠加，而无需修改系统总体架构。系统的架构图如图1 所示。

图1 空地一体化智能巡检及应急指挥系统架构图

展示层：主要为用户提供直接的展示和交互服务，基于React+Ant Design 框架搭建，采用基于Cesium 开源框架研发的轻量级三维地理信息平台，拥有超强的三维展示能力，同时基于MQTT 实现实时消息的推送和接收。

接口层：采用Nginx 进行反向代理和负载均衡，保证高可用，采用轮询算法转发到Zuul 网关上，实现各个服务之间的路由、鉴权和日志。

业务层：主要实现系统的各项业务功能，包括应急指挥调度模块、北斗终端管理模块、终端设备管理模块、位置监控及预警模块、系统管理模块等功能。

支撑层：主要包括DataExpress 消息中间件、采用GeoServer 进行地图数据服务的发布、基于Cesium 开发的自研GIS 平台以及输电线路台账信息。

数据层：主要包括MySQL 作为关系型数据库保存全部模型数据，MongoDB 作为非关系型数据库，Redis 作为缓存数据库保存遥测等数据。

系统的全部服务Docker 化，可将其部署在任何一个可保证其正常运行的机器中，最大程度地减少系统的开发与部署环境之间的差异。底层采用基于Kubernetes 的容器集群管理，平台运行出现故障时，具有很强的故障检测及自我修复能力，同时具有可扩展的资源调度及弹性伸缩的能力，有效提高了系统运行的可靠性、灵活性及自动化运维水平，降低了运维的成本。

三、系统功能设计与设备数据接入

1. 系统功能

空地一体化智能巡检及应急指挥系统主要包括应急指挥调度模块、无人机位置监控及预警模块、北斗短报文管理模块、系统管理四大模块。系统的功能组成如图2 所示。

图2 空地一体化智能巡检及应急指挥系统功能组成图

（1）应急指挥调度

应急指挥调度主要包括应急通信数据共享子系统和应急通信指挥调度子系统。

应急通信数据共享子系统：第一时间将现场人员的位置信息、现场信息等关键信息推送至参与应急救灾的各个部门，实现应急数据信息的共享，确保各部门掌握实时准确的信息，同时在系统中地图上显示实时位置。

应急通信指挥调度子系统：可与北斗短报文终端、应急救灾、指挥中心等业务部门建立数据连接，实现突发紧急事件各相关部门的相互协同、有序应对，提高救援效率。

（2）无人机位置监控及预警

无人机位置监控及预警主要包括无人机作业位置监控、高精度位置服务、位置校正、作业航迹接入及作业异常预警。

无人机搭载一定的设备后，在飞行过程中回传位置数据，在系统的界面上实时显示飞机的位置并跟踪。根据设定的规则，偏离允许的范围后报警，系统将进行相应的处理，同时无人机还可以将作业的航迹信息回传，通过正确的通信协议进行经度、纬度及高度等位置信息的解析，最后通过北斗相应的实时解算进行位置的校正，实现作业现场设备的高精度定位。

（3）北斗短报文管理

北斗短报文管理模块主要包括终端设备台账的管理、终端的实时位置管理、终端的工作状态监控及通信卡的管理。

系统对所有终端的设备台账、设备维修、设备保养信息进行管理，可进行增加、修改、删除和查看相应的操作，便于人机交互。同时系统界面上可实时显示终端的位置、终端的数量及在线状态，对位置和状态进行监控，利于应急救灾事件的处理，提高救援效率。

（4）系统管理

系统管理根据不同的用户身份、级别设计基于角色的任务权限的管理模式，主要包括用户信息、机构信息、权限信息、角色信息。

管理员可根据实际情况和需要对系统中各类用户的信息进行增加、修改、删除和查看操作，按照无特权、最小漏洞的原则，统筹部署系统管理用户的权限，对系统不同角色的权限进行配置，保证不同角色的权限不同，同时对组织机构信息进行管理，不同的用户及设备隶属于不同的组织机构，确保系统的安全与稳定性。

2. 设备数据接入

智能巡检及应急指挥系统中，无人机和北斗短报文终端设备数据接入方案如图3 所示。

图3 设备数据接入方案示意图

无人机搭载APN 专网卡，在实际飞行的过程中，作业的三维航迹可通过4G/5G 专网实时回传至空地一体化智能巡检及应急指挥系统，由后方的软件系统进行实时接入和显示。

针对无人机是否具有RTK 差分模块，提供两种不同的飞行航迹接入方案。针对有RTK 差分模块的无人机，通过空地一体化智能巡检及应急指挥系统为差分模块分配差分服务账号，无人机登录差分服务账号后，以一定的频率定时回传三维航迹；对于无RTK 差分模块的无人机，通过无人机监控地面站进行三维航迹的实时转发。

北斗短报文终端具备定位和北斗短报文通信功能，将作业人员的位置进行上报，并在地图上显示，同时具备实时导航功能，指引作业人员到达指定位置，有效提高应急救灾等场景下人员的通信保障能力和人员指挥调度能力。北斗指挥机具备北斗指挥功能，可实现多个北斗短报文终端的通信管理，实现空地一体化智能巡检及应急指挥系统对现场的应急指挥。

四、系统应用

1.智能巡检

空地一体化智能巡检及应急指挥系统中智能巡检监控界面，如图4 所示。

图4 智能巡检监控界面

系统可对无人机及北斗短报文终端是否在线及当前工作状态进行监控，掌握当前正在使用的无人机及北斗终端的数量及其位置信息，点击地图上的无人机及终端图标可查看设备的详细信息。同时在无人机实际飞行中，能在地图上实时显示无人机作业的三维航迹，基于接入的航迹文件库，计算航线偏离的程度，当偏离超过0.1m 时，会在系统中显示预警信息并进行处理。

同时系统具有无人机作业状态评估及历史作业轨迹回放功能，点击图4 右上角的无人机监控按钮，弹出图5 的界面，界面中作业统计内的饼状图能实时显示已完成和未完成的任务数。系统可对作业的三维航迹进行存储，选择无人机和回放时间，支持历史区段内无人机三维轨迹的回放。

图5 无人机作业状态评估和历史回放界面

2.应急救灾指挥调度

空地一体化智能巡检及应急指挥系统中应急救灾指挥调度监控界面，如图6 所示。

图6 应急救灾指挥调度监控界面

应急救灾指挥调度监控界面分智能指挥、值班调度、兵力布防、灾害档案四个部分。智能指挥部分实时显示当前发生灾害的详细信息，包括灾害数量、调动的队伍及人员数量、调动飞机数量及特种车辆数量、人员位置及轨迹信息。图7 为项目组成员手持北斗短报文终端进行测试的行进轨迹示意图。

图7 测试人员手持终端行进轨迹示意图

值班调度部分显示当日值班人员信息，点击电话列表中的电话图标可进行语音通话，有效保障了各部门人员之间的信息共享。兵力布防部分显示应急救灾部门的队伍及人员总的数量，为救灾部门进行指挥调度提供基础。灾害档案部分主要是对历史和当年灾害发生原因及数量的统计，对于灾害的预估及预防提供参考。

五、结语

本文详细论述了空地一体化智能巡检及应急指挥系统的设计与实现，介绍了平台的整体架构，系统的组成和功能，设备数据接入方案，以及系统的应用。通过该平台的建设，对全面提升巡检的可靠性、安全性和效率以及应急响应能力具有重大的意义和价值。