您的瀏覽器不支援JavaScript語法,但是並不影響您獲取本網站的內容。

技術探索

運用無人機技術提升警政巡邏效率

工研院資通所 溫逸倫、周業凱、鄭元博、謝憲慶

 

無人機的高機動性、高佈署彈性等特性,可解決偏鄉地區巡邏與管理的問題。

無人機的高機動性、高佈署彈性等特性,可解決偏鄉地區巡邏與管理的問題。

隨著全球電子與通訊產業的進步,無人機從數年前的軍事專用漸漸走入民間,在娛樂、農業、航拍、物流等商業應用蓬勃發展。我國環境多山且地形複雜,偏鄉地區的安全巡邏與管理需耗費相當高的人力物力,往往導致巡邏次數、效率低落,甚至形成治安死角。而無人機的高機動性、高佈署彈性和可提供快速廣域的空中巡視畫面等特性,恰巧可解決偏鄉地區巡邏與管理的問題。緣此,工業技術研究院與內政部警政署合作,規劃開發我國第一個無人機隊雲端監控應用方案,透過LTE網路遙控無人機,並具備自動起降充電、飛航管理、自動排程巡邏、多機輪勤指派、遠端影像串流、高滯空巡航時間和機隊自主管理等功能。本文將詳細介紹此警政巡邏應用的運作流程與系統架構,使讀者了解無人機技術如何提高巡邏效率。

無人機技術發展現況與趨勢

無人機,英文稱之為Unmanned Aerial Vehicle (UAV)或Drone,是一種無人飛行器,可由遠端的人員搖控或是電腦編程操作。近一步探究,無人機是無人機系統(Unmanned Aircraft System / UAS)的一部份,無人機系統包含了無人機本身、地面控制站和聯繫二者的通訊模組。根據國際研究機構Gartner估測,至2020年全球無人機市場規模將從目前的60億成長至112億美元,而PWC研究報告亦指出無人機的應用價值同年將高達1270億美元,發展速度驚人。目前全球消費型無人機主要用於提供娛樂之用,商用方面則著重取代人員執行危險任務、提高生產力和降低成本,如應用於警政安全巡檢、環境監測、能源系統和橋梁建築檢測等。各國也對蓬勃發展的無人機逐步訂定各項管理規範,如「The Small UAS Rule (Part 107)」、「Proposal to create common rules for operating drones in Europe」和「輕小無人機運行規定(試行)」等。

在全球無人機蓬勃發展的趨勢中,各種不同類型的無人機成為各國爭相發展與研究的目標。美國麻省理工學院與軍方合作,共同研製Perdix無人機,作為空中偵察的新方案,由於無人機輕巧、快速且便宜,迷你的機身能躲過防空系統的識別,目前已經進入了測試階段;英國警方最快將於今年夏天啟用無人機小組快速特警隊24小時執勤,日後於追捕疑人、尋找失蹤人口、拍攝犯罪現場照片等,都有機會看見無人機的蹤影;中國在電子及製造方面都有雄厚資本,如全球民用無人機市占最大的公司大疆創新,四川當地的警察亦利用無人機進行交通違規取締。由上述實例,利用無人機的高機動性來執行各式巡邏與偵蒐任務,是一個全球關注的應用趨勢。

為增加偏郊巡邏的見警率,提升巡邏範圍與效率,適合使用4軸或6軸以上的多軸旋翼機,大規模靈活機動的完成任務。相關技術包含機隊管理技術、多鏈路通訊與影音串流技術、自動執勤與自動充電技術等,這些技術也都成為國際相關廠商投入研發的重點項目。

警政巡邏無人機隊

工業技術研究院與內政部警政署長期密切合作,了解警察實際需求,配合目前趨勢與機會,開始積極開發無人機隊相關應用,並與警政署共同推動無人機隊自動巡邏之各式情境應用。

台灣地狹人稠,但山地、丘陵的面積卻站了全島總面積的三分之二,在偏鄉區域因人口密度較低,且派出所負責巡邏範圍十分廣大,因而警力、物力與資源等也都捉襟見肘。舉例來說,在一些山區或偏遠地區,巡邏一次往往需要1至2小時,若同時有其他勤務,則會發生無人留守派出所之情形,也因此造成偏遠地區治安死角。


為解決上述問題,警政署希望能增加巡邏的效率,並分為三個主要目標:一、縮短單一次巡邏所需時間,二、增加每天巡邏次數,三、增加員警出勤時的效率。有鑑於此,工研院研發自動巡邏無人機隊如圖1,即是利用無人機之特性與相關技術,解決偏鄉巡邏的問題。首先是如何利用無人機技術,縮短單一次巡邏所需時間。偏鄉地區因道路不便,巡邏路徑往往受地形所限制,加上巡邏範圍廣大,警員有限,導致巡邏時間被拉得很長;利用無人機不受地形限制的特點,且可同時派出多台無人機執勤,將可大幅度的減少單一次巡邏所需時間,將1小時的巡邏路程,縮短於15分鐘內完成。

此外,因單一次巡邏所需的時間縮短,加上無人機可自動執行任務,不需要額外人力,故每天巡邏次數亦可獲得提升。最後,員警出勤時,往往是接到民眾報案後,透過電話了解大概的情形,就立即前往現場,但是民眾報案的描述往往會有些落差,或是報案地點描述錯誤等,導致多餘警力的浪費(例如派遣兩輛警車,但實際只需一輛),或來回支援後續人力器具(例如狀況超乎預期,需再增派警力或器具)。此時利用無人機的高機動性與即時影像傳輸能力,可使警方迅速掌握現場狀況,作出快速且正確精準的判斷,大幅提高出勤的準確性與效率。

由於無人機應用技術需持續根據實際情況進行精進優化,透過與警政署的合作,取得正確且有意義的意見與回饋,工研院將能更有效的改善無人機相關技術,使無人機應用更可靠便利。工研院開發之無人機隊雲端監控應用方案可用於包括大型活動維安及偏郊地區巡邏等場域,支援快速部署、自動巡邏、即時影像傳輸、機隊管理等功能,提供現場即時影像監看,協助建構三維空間治安防護網,達成保障全民安全之目的。

圖1警政無人機偏郊巡邏示意圖

圖1警政無人機偏郊巡邏示意圖

自主巡邏無人機系統架構

本無人機隊雲端監控應用方案包括數個主要的技術項目,分別概述如下:

無人機隊管理技術
為我國第一套自主發展之無人機隊雲端監控應用服務平台,具備遠端遙控管理功能,以及Wi-Fi、915Mhz、RC 2.4Ghz或4G LTE等多種鏈結能力,並可同時使用一種或多種鏈結功能;其次,具備地面基地站系統(DFGCS / Drone Fleet Ground Control System),可以透過圖像式人機介面,快速建立任務內容、目標與命令的下達,DFGCS內的Dynamic area-slicing mission dispatching技術,更會考慮多種真實世界的即時狀態,如:任務執行時段、充電站位置與數量、無人機即時位置與電量、飛行空域環境資訊與當地禁航區資訊等,系統會去自動分派各無人機值勤範圍,動態產生飛行路徑,且支援多機輪流值勤、協同飛行值勤和手自動飛行的無縫切換,最佳化執行無人機派遣與輪職任務,自動且高效率完成所被賦予的工作。

影音串流技術
為克服無人機影像傳輸距離的問題,本系統使用4G LTE作為傳輸的網路媒介。使用4G LTE作為傳輸媒介需要克服的最大困難,就是網路品質變化劇烈,因此如何在網路品質變化劇烈的情況下,保證一定的影像品質。常見的做法是透過即時的網路監控,動態調整影像的解析度、壓縮比、與每秒張數等。此外,透過H.264、HEVC等協定中,關於QOS的相關機制調整,也可在保持影音串流的支援性同時,達到優質的QOS效果。

無人機自動充電基站技術
目前現行無人機的飛行時間不足,受負載設備重量及天候影響,實際可用的工作時間僅很難超過20分鐘,當警用勤務執行需長時間追蹤監看時,會因有限的電池電量而不得不中斷飛行任務,本系統建立多機輪替職勤及自動充電技術,用以解決執勤時間中斷的問題。目前所完成的無人機自動充電基站系統,除了基本的充電功能,同時也具備無人機精準降落的導引能力,可於白天和晚上都進行無人機的降落導引,大幅延展本系統的工作時間。此外,無人機自動充電基站可建置於戶外或屋頂,不受風雨等天候影響,有利機動部署建置及擴散機隊巡守範圍,並能透過網路傳遞充電站各參數資訊,讓控制終端可以完整掌握整個系統的運作狀態。此無人機自動充電基站系統具備以下幾項技術亮點:1.多模充電:支援多種充電瓦數,可搭配無人機電池可承受的充電能力調整;2.兼容交流/直流電:可使用市電、車電及燃料電池;3.一機多用:可適用於多種尺寸的無人機。4.安全保障:具備非接觸式電池監測能力,若充電過程中無人機電池發生溫度異常,可自動啟動斷電保護。5.降落導引:可引導無人機精準降落於充電站上,並可動態設定產生多組高識別度之降落導引圖騰,讓多台無人機可同時進行降落,並降落至各指定的導引位置。

工業技術研究所發展之無人機隊雲端監控應用方案具備可靠、安全及可長時間運作等特性,特別著重於商用需求發展,方案內包含多項獨家或專利技術,如「遠端無人機隊管理技術」,實現無人機隊資訊管理、協同運作及飛行計畫擬定,達到自動起飛、飛行、降落等功能,減少人力負擔;透過「智慧即時影音串流技術」,智慧偵測並有效率的利用4G LTE頻寬,將無人機影音暢順的同步顯示於指揮中心;透過「無人機自動充電基站技術」,進行自動且快速充電用以實現自動化及無間斷執勤。而「警政巡邏無人機隊」則是我們第一個完整的場域實證推動應用,也將會是無人機長期實證之示範案例,作為技術驗證、精進與服務優化之實證標的,未來也會持續透過跨域合作串聯國內產業能量與海外資源,打造跨域跨境之無人機垂直應用生態體系,最終期以全面而完整的技術暨服務系統,推進國際市場。

參考文獻

[1] http://www.bbc.com/news/technology-38569027, US military tests swarm of mini-drones launched from jets.
[2] https://thenextweb.com/gadgets/2017/01/10/us-military-swarm-mini-drones-test/#.tnw_Scr1fiei, US military test flooded the sky with a swarm of surveillance drones.
[3] http://www.newsmax.com/US/us-military-test-mini/2017/01/10/id/767753/, US Military Conducts Test Involving 'Swarm' of Mini Drones.
[4] http://www.bbc.com/news/uk-england-devon-40595540, First UK police drone unit launched in Devon, Cornwall and Dorset
[5]http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4695594/Drone-unit-historic-step-policing-UK.html, First UK police drone unit is launched in Dorset, Cornwall and Devon in a 'historic step'
[6] 「無人機是商機,還是危機?」,Research Portal科技政策觀點,2016年08月15日[online],參考網頁: https://portal.stpi.narl.org.tw/index/article/10265