无人机航拍在铁路事故救援中应用思考

崔 粲

（温州市铁路与轨道交通投资有限公司运营分公司，浙江温州 325000）



无人机航拍在铁路事故救援中应用思考

崔 粲

（温州市铁路与轨道交通投资有限公司运营分公司，浙江温州 325000）

摘要：铁路事故救援时，准确及时地将事故现场情况图像传输到指挥中心，对指挥救援决策有重要作用。基于小型无人机航拍事故现场图像，并利用3G/4G通信网的虚拟专用网络将实时图像传输到事故指挥中心，能够克服过往图像传输系统视角有限，只能传送静态图等问题，应用前景好。介绍了无人机航拍系统的构成，及基于无人机的事故现场图像实时传输系统构成及优缺点。

关键词：事故救援；无人机；图像传输

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

近年来，随着我国铁路运营里程快速增长，对事故救援工作提出了更高的要求。事故救援时，准确及时地将事故现场情况，尤其是实时图像传递到指挥中心，也成为指挥中心进行决策的关键基础。

2000年时，铁路救援系统大多要利用一些固定设备实现现场图像的采集与传输，但这些设备体积大、功耗大、点对点传输、传输速率低、图像分辨率低、操作繁琐[1]。2010年，提出了基于虚拟专用网络（VPN）的现场高清图像传输系统[2]，图像采集采用手持式摄像机，通过中国移动VPN将静帧图像传输到事故指挥系统服务器。该系统灵活便携，传输安全可靠，但依旧存在着只能传送静态图像，摄像机视角有限等诸多问题。

最近两年3G/4G移动通信网络的快速普及和小型无人机飞行控制技术的成熟，使得通过小型无人机航拍回传事故现场实时图像成为可能。使用无人机实时拍摄回传事故现场图像，可以有效克服现有图像传输系统诸多问题，方便指挥救援工作更高效、有序地开展。

1　小型无人机航拍系统介绍

最近两年，小型无人机航拍技术取得了突破性进展，用于军事、农业、消防、测绘、影视，乃至消费级到手即飞的各式无人机航拍系统不断出现，且功能不断增强。无论哪种应用领域，无人机航拍系统大致可以分为飞行设备和地面设备两部分，如图1所示。

1.1飞行设备

飞行器由舵机和摄像模块组成，舵机实现飞行运动，下挂的拍摄模块进行拍摄和图像传输。

1）舵机

舵机是飞行器的主体，是航拍设备的飞行部分，带有遥控接收模块，接收地面遥控器指令进行飞行。通过在舵机上挂载航拍设备实现航拍工作。

常用的舵机共3种形式：固定翼、直升机和多旋翼。如图2所示。

固定翼无人机：续航时间长，飞行效率高，载荷大，但要助跑，不能空中悬停。主要应用于军事、民用。

无人机直升机：可以垂直起降，空中悬停，载荷和续航能力中庸，但机翼结构极其复杂，维护成本高。主要应用于军事、民用。

多旋翼无人机：可以垂直起降，空中悬停，结构简单，续航短，载荷相对较小。主要是大载荷民用，小载荷航拍。

目前，固定翼多用于大型无人机；直升机由于结构复杂，无人机中应用的较少；多旋翼无人机能够小范围内实现精确运动，已广泛用于影视航拍，是小型无人机的主要机型。

2）拍摄模块

拍摄模块主要指数码像机及云台。

现今消费级数码相机普遍体积小，重量轻，只要具备图像传输模块都可以用做航拍。目前采用较多的是Gopro系列运动相机，如图3所示，它体积小，分辨率高（1080P全高清及以上），续航时间长（1 h以上），画质好，具备图像传输功能，非常适合用于航拍。

通常为了增加视频拍摄画面平稳性，还需要使用电控云台。云台挂在舵机下，云台上安装拍摄相机。电控云台使用算法控制相机运动抵消舵机的抖动，使安装在云台上的相机可以拍摄出稳定的画面。

3）图像发射模块

如图4所示，图像发射模块用于将相机在空中拍摄的画面传输到地面图像接收模块进行显示。图像传输模块有不同的规格，可传输标清或高清视频流，传输距离几百米至几公里，目前工作在2.4 GHz，5.8 GHz或600 MHz等频段，2015年4月工信部发布的新规定里将1 430～1 444 MHz频段划分用于无人驾驶航空器系统下行遥测与信息传输链路，即图像传输。

1.2地面设备

地面设备主要由遥控发射模块和图像接收模块构成。

1）遥控发射模块

遥控发射模块通常是遥控器，如图5所示，主要用于地面操作人员遥控飞舵机及云台的运动和姿态。遥控器也有各种不同规格，有效距离几百米至2 km左右，目前工作在433 MHz或2.4 GHz等频段，2015年4月工信部发布的新规定里将840.5～845 MHz频段划分用于无人驾驶航空器系统的上行遥控链路。

2）图像接收模块

图像接收模块与飞行器上的图像发射模块进行通信，接收其发射的图像进行显示或保存。一种典型的高清图像接收装置如图4所示。接收的图像可通过手机、平板或其他显示屏进行观察。

2　小型无人机用于事故现场图像拍摄系统设计

通过将小型无人机航拍系统与3G/4G通信网络相结合，可以组成事故现场实时图像传输系统，将事故现场各角度图像实时传回救援指挥中心，方便救援决策。具体系统组成如图6所示。

系统主要由图像采集前端、传输载体、服务器端和显示终端构成。

1）图像采集前端

图像采集前端即在事故现场的无人机航拍系统，采用多旋翼无人机，搭载可变焦的数码相机，配备高清图像传输模块，由现场操作人员进行控制，在以事故发生地为中心，1～2 km为半径的空域内自由移动进行拍摄，并将高清图像传送至地面中继器。航拍无人机在事故现场的主要作用如下。

a.俯拍事故现场整体毁伤情况及周边的综合交通情况，方便远程指挥人员了解现场概况，制定救援规划。

b.各角度拍摄特定设备、人员特写，以了解特定设备和人员具体的毁伤情况。

c.悬停在救援现场，俯拍现场人员、设备分布及部署情况，以供现场或指挥中心指挥人员更合理地进行现场人员和设备的调度。

事故发生后，救援小组携带无人机第一时间赶赴事故现场附近，放飞无人机，并开启实时图像传送，将无人机拍摄的画面实时传回指挥中心，并按照指挥中心要求变换角度拍摄需要了解的画面信息。

2）传输载体

传输载体指地面中继器及电信运营商的VPN，传输载体将航拍图像传输至Internet网络上的远程服务器。

传输载体中，地面中继器用于将接收的图像转换频段，并通过电信运营商的VPN进行传输。VPN是电信运营商为企业用户提供的虚拟专用网络，在电信运营商的移动通信公共网络的基础上，构建一条临时、安全的连接，进行数据的传输，能够满足传输所需的身份认证功能，数据完整性和数据保密性[3]。过去2G网络传输速率低，只能传输静态图像，而近两年基于3G/4G通信网络传输速度快，下行速度可达10 Mbit/s以上，使得实时传输高清图像成为可能。

3）服务器端和终端

服务器端指铁路应急指挥系统的逻辑服务器，由一系列互联的文件服务器、数据库服务器等服务器组成；显示终端即最终查看图像的指挥人员的显示屏，如指挥中心大屏等。

服务器端和显示终端利用现有的铁路应急指挥系统的服务器和显示终端，保证现场图像直接传输至事故指挥人员面前而无需新建整套系统[4]。

3　小型无人机用于事故现场图像拍摄的优点与局限

3.1小型无人机用于事故现场图像拍摄主要优点

1）视角自由。不同于普通摄像机只能以不高于人体高度的视角拍摄，无人机既可以从空中俯瞰整个事故现场全景，又可以根据需要飞行到事故车辆附近，近距离观察车辆人员毁伤情况，视角几乎不受限制。

2）操作简单，上手快，部署成本低。普通工程师可以在0.5 h内初步掌握无人机的基本飞行及拍摄控制，现有工程师兼职即可完成相关工作，无需为其设置专职人员。相比于能够实现类似功能的动力伞或直升机，无人机部署成本低廉，后续每次出动更是只耗费很少的电费，维护简单。

3） 可塑性高。由于由很多模块构成，无人机航拍系统即可独立运用，也可以根据需要组合模块，或接入其他图像采集系统，适用范围广。

3.2小型无人机用于事故现场图像拍摄目前的主要局限

1) 续航时间有限。多旋翼无人机的动力来自锂电池，续航时间30 min左右，不能满足整个救援过程需要，但通过双机轮值的方式，可以有效解决此问题，只需多备电池即可。

2) 使用条件有限制。大雨、强风等恶劣天气，复杂电磁环境下和夜间，无人机不便升空使用。限于遥控模块及图像传送模块的距离限制，无人机必须在事故现场附近1～2 km范围内飞行。

3) 国家相关法律法规尚不完备。由于小型无人机系统是近几年突飞猛进发展的，相关的法律法规尚不完善，无人机的空域使用，安全监管等方面尚仍存在一些不明确的地方。但总体上讲，政策层面并没有否定无人机的使用，而是在积极引导促进无人机行业的发展。

4　总结

随着技术的进步，使用小型无人机进行事故现场救援的航拍已经成为可能，通过将航拍图像传输到救援指挥中心的方案可以克服之前地面拍摄静态图像的很多不足，可以方便指挥人员更具体地了解现场情况，更好地进行救援决策，有很强的推广应用价值。由于才疏学浅，文中所设计的系统可能有很多考虑不周的地方，但相信不远的未来随着相关系统的不断完善，小型无人机一定能够在铁路事故救援领域发挥相应的作用。

参考文献

[1]薛瑞民.铁路事故救援静止图像处理（网络）系统[J].铁道通信信号，2000，36（5）：5-7.

[2]雷煜华，张丽.铁路救援系统中远程图像采集与传输技术研究与应用[J].硅谷.2010：24.

[3]高海龙，张国立.VPN技术及其发展[J].福建电脑，2008 （2）：1-2.

[4]唐士晟.铁路运输应急救援体系研究[D].成都：西南交通大学，2011.

国外简讯

收稿日期：（2015-05-13）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.012