深入探析智能飞行互联网发展及应用前景
2024-05-15
来源：绿色能源世界
无人机、无人驾驶航空器等最早在 20 世纪 20 年代出现，主要代替人类完成“单调、重复或危险”任务。21 世纪以来，小型无人机在有效载荷小型化、续航时间、超视距通信、低成本化等方面持续取得进展，将一定数量的无人机按照一定规则组合构成无人机集群，在任务执行过程中，如果个别无人机发生故障或损失，其他无人机会根据参与组网的无人机实际数量做出反应，自主调整编队形式，继续完成既定目标任务。无人机集群技术具有恶劣环境适应性强、协同作业能力强、成本低等优势，在抗击自然灾害和复杂战场环境，均有不可或缺的作用。近年来，随着物联网、大数据、人工智能、网络通信等新一代信息技术的快速发展，智能无人机、智能无人机集群等技术成为世界各国高度关注的技术领域，正以颠覆性技术的姿态引起高度重视，目前处于飞速发展阶段。物联网和智能无人机集群结合，智能飞行互联网将推动新型物联网应用的发展，拓展人类新的实体经济，突破传统技术的限制，带来高效、便捷的智慧生活体验。物联网是指通过感知设备，按照约定协议，连接物、人、系统和信息资源，实现对物理世界和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智能服务系统。智能无人机集群是指由一组共同自主、协调、鲁棒地完成特定任务的无人机 / 无人驾驶航空器系统。因此，智能无人机集群可看作一种特殊的物联网系统 ( 无人机作为感知设备 )。智能飞行互联网是指智能无人机集群、物联网系统通过通信网络相互连接，并在节点之间共享资源，进一步接入互联网，与其他系统进行信息交互和资源共享，提供智能服务。
图 1 给出了智能飞行互联网结构示意图，由若干数量的智能节点、通信网络和互联网 ( 包含其他连接到互联网上的其他物联网系统 ) 等构成。智能节点可根据任务需求选择若干特定的无人机、物联网感知设备 ；通信网络包括飞行网络和本地网络，空中无人机集群构成飞行网络，本地物联网系统构成本地网络，见图 1。通信包括节点内部不同部件之间的通信、节点与节点之间的通信、节点与地面基础设施之间的通信等。其中，由于飞行网络的下列特性，节点与节点之间的通信是智能飞行互联网最具挑战的实现技术。(1) 更高的节点移动性 ：节点通常比其他类型的移动性网络具有更高的移动性，使得飞行网络的拓扑结构更频繁地改变，这增加了由连接和路由引起的网络开销。(2) 多重通信连接 ：在智能飞行互联网提供的智能服务中，飞行网络中的节点采集环境数据后将其传输到控制站或者其他节点。因此，飞行网络需管理节点和控制站之间的多次通信连接，以及为节点之间的点对点通信连接提供支持。(3) 更低的节点密度 ：飞行网络中节点之间的距离通常比其他移动性网络中节点密度更长，因此，其通信范围也大于其他网络。这对无线电链路和其他发射部件提出了更高的要求。(4) 采集数据的异构性 ：飞行网络中智能无人机的型号、尺寸等可能不同，其所包含的传感器型号、规格、参数等也可能不相同，从而传感器的数据分发策略可能不同。(5) 飞行中的障碍物 ：由于更高的节点移动性，障碍物可能会随时影响节点之间的通信链路。将智能无人机集成到物联网系统中形成智能飞行互联网，通过节点间、节点与其他物联网系统之间的资源共享和信息交互，使得节点间协作和协同的效率提高，感知和识别物理世界更为精准，从而高效地完成任务。智能飞行互联网的特性可从节点间协同、节点间协作、系统实时运行、信息通信网络、实时数据服务、基于互联网的大数据服务、系统交互决策、任务辅助的多源信息提供等方面进行描述。(1) 节点间协同 ：指多节点基于信息、资源以及责任的共享机制合力规划、实施和评估，共同完成某一任务的方式。(2) 节点间协作 ：指一个节点配合其他节点完成某一任务的方式。(3) 系统实时运行 ：系统的一种能力，能够根据外部环境变化、任务调整、节点变化等情况，进行重新配置以满足要求，并提供与本地服务器或互联网提供的服务器的访问能力。(4) 信息通信网络 ：用同种协议将不同节点相连而形成的数据链路，用来进行资源共享、信息传输与交互。(5) 实时数据服务 ：系统对现场数据采集、传输、处理等的服务。(6) 基于互联网的大数据服务 ：为使决策更加精准，任务执行更加高效，需要更加完整、全面的大数据服务。(7) 系统交互决策 ：系统根据决策目标的信息需求，通过人机交互界面收集目标信息和数据指令，经系统处理后将其再通过人机交互界面反馈至决策者，从而有效地解决决策问题。(8) 任务辅助的多源信息提供 ：系统信息处理中引入任务相关的先验知识，达到精准识别物理世界目标，提高任务执行效果。智能飞行互联网结合了飞行网络、物联网和互联网的特点和优势，利用互联网基础设施，以物联网为基础，充分利用新一代信息技术包括智能传感器、自动控制、网络通信、大数据、人工智能等技术，结合智能无人机集群飞行网络的优势，实现智能化管理，从而拓展了传统物联网技术不可实现的应用场景，使得物联网应用达到新的自由度。智能飞行互联网典型应用于 ：紧急救援、智慧城市、智慧农场、智慧边境等场景。(1) 紧急救援 ：在发生自然灾害，造成人员伤亡、失联等紧急情形下，利用智能无人机集群监测并报告伤亡人员实时位置和周围环境情况，并通过其他传感器设备监测天气、交通等情况，通过边缘计算、云计算等对这些信息的融合处理，对伤亡、失联人员的救援情况迅速做出决策，提供第一时间的救助和补给。(2) 智慧城市 ：智能无人机集群在智慧城市的应用包括 ：社会事件监控、交通流量监控和商业包裹递送等。智能无人机集群可用来对社会事件中发生的紧急信号求助的监控覆盖，在一些社会事件中，布设的监控网络不足以支持超预期的人员覆盖监控，需增加监控覆盖范围或者密度。无人机集群同样可用于响应紧急信号的交通流量监控，或者交通流量高发位置的监控。在空中航路许可情况下，无人机集群物流可用于紧急包裹递送或者交通不发达地区的包裹递送。(3) 智慧农场 ：智能无人机集群在智慧农场的应用包括 ：农场监控、农作物灌溉 / 施肥 / 撒药等全生命周期服务集成、火灾或其他事件的识别等。(4) 智慧边境 ：智能无人机集群在智慧农场的应用包括 ：边境监控、非法入侵、森林火灾或其他危险事件的识别等。本应用案例主要解决农场的监控问题，避免高价值资产遭受损失，监控包括农场边界入侵、牲畜监控和农作物监控等，见图 2。这些问题随着农场规模的增大和需要监控的不同任务数量的增加而变得越来越重要和急迫解决。
(1) 农场边界入侵监控方面，需识别潜在威胁，例如非法入侵者 ( 人类或非人类 )，并触发适当的报警。在典型情况下，该任务由人员巡逻和 / 或监视摄像头来执行，这种解决方案不仅成本高昂，而且效率低，因为人为失误的风险始终存在。在农场现行的物联网部署基础上，通过增加无人机集群，以向农场控制中心提供实时的监视图像或数据。使用无人机将减少安装监视摄像头及其所需的基础设施 ( 例如提供电力的基础设施 )，从而降低任务成本。在较大规模农场中，使用无人机的优势将更大，因为无人机集群可在节点之间交换相关信息，进行协同式实时边界监控。同时，可以使用来自官方数据来识别逃犯。(2) 牲畜监控方面，在大型奶牛农场中，为避免奶牛逃跑或未经授权的人为干预，需对奶牛农场实施监控。如果解决方案依赖于人力资源，在监控范围和出现异常报警实时性等方面可能会面临受限，对奶牛或农场其他方面造成损害。利用无人机集群实施牲畜监控，则会很好的解决上述问题。一旦识别出异常情况，例如奶牛逃脱，也可以立即报警并触发适当的行动。同时，在奶牛身体上部署测量奶牛生命体征的传感器，通过本地网络连接传感节点，并将奶牛生命体征数据上传至农场控制中心，该部分构成物联网系统。(3) 农作物监控方面，包括早期发现害虫和瘟疫、土壤监测和气候状况监测等。农作物会受到多种因素的影响，一旦识别出异常情况，需立即采取适当的本地行动。利用无人机集群辅助农作物监控的物联网系统，例如无人机从地面上的无线传感器网络中收集数据，将这些数据实时传输到农场控制中心，从而获取更精准的数据以准确做出决策。图 2中，农作物种植田中部署了测量土壤成分、灌溉设施、施肥设施等的物联网系统，同时部署了智能无人机集群，监视农作物长势、害虫发病等情况，通过通信网络 ( 包括飞行网络等 )，请数据发送至农场控制中心和用户。飞行网络和物联网结合一方面带来了应用拓展和实现的自由度，另一方面由于智能无人机集群飞行网络的特点，也带来了新的挑战。(1) 公共安全和伦理问题 ：智能无人机集群的飞行、自主和智能等特性会带来潜在的公共安全和伦理问题，这些问题通过立法，规定无人机飞行遵循一定的认证、授权和程序来解决。(2) 技术方面的挑战 ：智能飞行互联网面临的技术挑战包括协同感知、协同规划、协同控制和通信组网等。a. 协同感知 ：智能飞行互联网对环境和系统内部的探测、识别和认知等技术，解决系统中节点及整体的精准运行、可靠控制和科学管理问题，包括传感器数据采集处理、环境态势认知和对象属性识别等。b. 协同规划 ：智能飞行互联网针对任务管理的规划、配置、实时调整等技术，包括协同任务分配、协同路径规划、任务载荷规划、数据链路规划、应急处置规划、集群任务推演、任务评估以及系统验证等。c. 协同控制 ：智能飞行互联网的控制体系架构、技术要求等技术，解决特定任务环境下系统协同管理、本体控制等问题，包括协同控制体系、协同队形生成、队形保持、队形重构、协同载荷控制、外部系统交互和人机接口等。d. 通信组网 ：智能飞行互联网的组网和传输等技术，解决大规模飞行网络中各节点的通信资源分配、信息共享和可靠传输的问题，包括通信资源管控、动态接入控制、网络拓扑管理、网络路由机制和通信链路配置等。智能飞行互联网将无人机集群集成到物联网，这一新概念增加了智能无人机之间的合作和协同，扩大了网络覆盖范围，并为物联网和智能无人机集群应用创造了新的可能性。在物联网的背景下，了解无人机集群的基本特征，如能力、目标和限制，是确定它们是否有资格执行复杂任务以及是否有可能集成到物联网的关键因素。尽管仍存在各种挑战，智能飞行互联网是一种全新的颠覆性技术。将智能无人机集群与物联网、互联网集成，意味着包括云计算的分布式计算成为可能，从而减少了对复杂硬件计算和存储的依赖，并使它们更加灵活和易于用于新场景。同时，智能飞行互联网提供了一种灵活的新连接方式，可以连接因其偏远性、自然灾害或基础设施故障等原因而中断的环境，为新应用创造了机会和带来了可能性。未来，智能飞行互联网将改变人们的经济和社会生活方式，成为人类日常生活的一部分。
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