12、无人机互联网：提升智慧城市服务质量的关键力量

无人机互联网：提升智慧城市服务质量的关键力量

1. 引言

在当今城市面临快速发展压力的背景下，越来越多的大都市中心持续投入信息技术和科技创新，以提升生活质量和可持续性。智慧城市借助先进技术，能够提高生活品质、拯救生命，并构建一个智能协作的能源平衡网络。无人机、机器人、人工智能（AI）和物联网（IoT）等新型连接技术，对于提升智能社区的移动性、能源效率和服务质量（QoS）至关重要。

近年来，无人机技术让城市变得更加智能，如今很难想象一个没有无人机服务的智慧城市。过去几年，无人机在建设和维持智慧城市方面展现出巨大优势，其在农业、制造业、工厂检查和调查等多个垂直领域得到广泛应用。现代无人机具备多种无线通信能力、4K 相机以及各类传感器，同时在不同形态设计上提升了机械性能，成为众多物联网应用的理想平台。

物联网的应用带来了智能家庭、智能高速公路、智能停车和智能电网等重要改进。其核心是通过互联网将各种物体连接和共享，以创建智能环境和全球网络，从而提升智慧城市的服务质量。例如，物联网运营商可利用先进的物联网网关技术（如 LoRa 和 5G 网络连接），让配备合适传感器的无人机从难以到达的位置实时采集空气质量等数据，并传输至物联网服务器。

2. 专业无人机

存在一些作为专业无人机工作的物联网无人机（IoD）系统，用于提升智慧城市的服务质量。专业无人机与用于娱乐的无人机不同，它们执行重要任务，具体应用如下：
- 任务范围广泛 ：涵盖娱乐、安全、农业到包裹配送等多个领域。
- 配备多样工具和功能 ：
- 配备信息和数据传输无线电及 GPS。
- 具备视频和静态相机，可拍摄物体、人员、追捕罪犯或记录极限运动。
- 拥有用于定位生物、跟踪环境系统的传感器，可感知光、热和温度等。
- 具备运输和分发有效载荷的能力，如货物、应急设备和包裹。
- 在农业中可用于播种或施肥。
- 能够为太阳能板充电以延长电池寿命。
- 工业设计要求高 ：
- 需应对各种环境因素。
- 根据重量配备更多螺旋桨。
- 通常安装符合工业标准的灯光、传感器和其他功能。
- 其他功能 ：
- 可被调用将物品从一处移动到另一处。
- 能为原本无法接入网络的区域提供 Wi-Fi。
- 借助视频摄像头，让我们了解难以推测或难以控制的远程环境情况。
- 通过 RFID 天线或传感器，帮助监测物体或人员，并提醒大气环境变化。

与其他物联网设备不同，无人机配备大容量锂电池，能在短时间内传输大量数据，因此被称为物联网无人机（IoD）。无人机系统需要安全的高带宽连接，以实现实时导航、遥测和有效载荷控制，同时还需在机上做出各种关键决策。为此，研究人员开发了专门的协议，用于将无人机与基于云的商业应用实时有效连接。

3. 无人机 API

在许多物联网应用中，理解无人机 API 中指定命令的实际效果至关重要。无人机需借助计算机算法实现自主飞行，以便在正确的时间和地点快速高效地操控。在复杂飞行过程中，任何小的操控误差都可能导致后续飞行出现重大性能问题。

多旋翼无人机因其三维可用性和可靠性，在智慧城市应用中得到广泛应用，并被大量用作物联网设备。无人机与物联网结合，可执行涉及低空飞行的短期和长期任务。无人机互联网（IoD）是一个为无人机提供有序访问以保护空域的接口。

为使 IoD 系统正常工作，无人机 API 需要具备以下特性：
- 访问实时遥测和有效载荷数据。
- 实现实时控制。
- 提供全面的 RESTful API，以便快速连接和第三方集成。
- 通过安全链接与无人机进行通信。
- 基于令牌的身份验证，用于无人机与第三方之间的信息交换。
- 适用于处理灵活带宽、灵活时长和间歇性的无人机 - 云连接，如 4G/LTE、Wi-Fi 等。

4. IoD 在智慧城市解决方案中的应用

4.1 智能交通控制

无人机从空中俯瞰，能帮助地面人员准确处理交通状况并找出拥堵源头。当部署一架无人机持续数小时监控交通节点时，可更详细地掌握交通情况。智能交通管理是智慧城市的关键。

交通拥堵是智慧城市面临的重大挑战之一，可能由高峰时段、道路施工、重大事件或事故等多种原因导致。静态街道摄像头提供的信息有限，而无人机是实时采集和传输拥堵数据的重要工具。已有多种技术可有效安全地处理和分析无人机收集的数据。此外，在停车位紧张的情况下，无人机可用于监测停车场和空闲车位，协同的 IoD 和汽车中的 IoT 设备也能帮助用户轻松找到空车位。

4.2 人群控制

使用互联网无人机跟踪人群可实现智能警务。IoD 设备能协助警察在智慧城市开展安全行动和维护法律秩序。无人机的快速部署可在盗窃或交通事故等不同情况下快速收集数据并支持警方行动。IoD 策略如人类行为识别、运动识别等，能使社区比人力更智能高效。

4.3 自然灾害控制

IoD 可通过积极跟踪和执行应急管理措施，有效评估生命风险，特别是在人类难以到达的地区评估救援需求。例如，在中国，扬声器无人机用于提醒人们佩戴口罩以预防冠状病毒。

在智慧城市中，应急系统对拯救生命至关重要。一些紧急情况发生在难以到达的地点，延迟到达会影响响应效率。IoD 在增强智慧城市应急响应方面发挥重要作用，配备传感器的无人机可在拥挤环境中为受害者提供初步响应，如将受害者带到指定地点、寻找畅通道路、向应急团队报告并监测受害者状态。

无人机还可用于灾害检测和预防的宽带通信，相比其他技术更强大高效。此外，由于其灵活性，无人机可用于向有需要的人运送仪器和医疗用品。

4.4 急救无人机

近期一篇文章报道了配备急救设备的物联网无人机与救护车的竞赛，结果无人机获胜。该技术旨在为患者快速提供救命医疗用品，例如在有人突然心脏骤停的情况下，及时提供自动体外除颤器（AED）至关重要。虽然 AED 通常存放在办公楼的急救柜中，但在其他地方可能无法使用。在伊拉克北部的繁忙城市，无人机比救护车提前 90 - 120 秒到达现场，这使得路人在紧急情况下能迅速做出反应。

4.5 监控

监控数据重要且易受攻击，无人机可从难以到达的地点（如战场和山顶）收集此类数据。然而，由于底层开放网络，这些数据和无人机可能被恶意利用。研究人员开发了一种新的认证方案，通过轻量级哈希和对称加密/解码操作，保护无人机免受未经授权的访问。该方案经过多种验证方法证明其可靠性，能更好地保护无人机传输的跟踪数据，计算时间比其他系统更短。

在智慧城市中，交通警察传统上使用速度和 CCTV 相机执法，但静态相机随着时间推移效果会变差。因此，引入了可安装在不同位置的移动相机。同样的技术可应用于无人机，使其成为移动速度相机或用于其他监控应用。完全集成的 IoD 系统可承担交通警察的部分职责，例如让交通灯变红以阻止特定车辆，或收集车辆超速和违规信息。不过，无人机的最高速度可能受限，可通过高飞以获得更广阔视野来弥补。

4.6 智能交通

车辆自动化是迈向完全集成交通网络的一步，但公共服务人员、公共管理和支持服务等交通网络成员也需要集成。在最后一公里的端到端运输中，IoD 单元可发挥作用。它可用于规划一致的交通路线、帮助测量人员在项目进行中有效绘制长走廊地图，并收集详细数据以辅助早期决策。特别是在拥堵地区的最后一公里配送中，IoD 可用于运输和配送。其在智能交通系统中的应用包括：
- 交通监控
- 公路维护
- 道路事故救援
- 路径清理和导航
- 高速公路速度监控
- 驾照检查

4.7 资本和财产智能控制

IoD 有助于基础设施的战略规划和维护，同时监控智慧城市技术网络和设施。

4.8 导航

IoD 设备在构建智慧城市成功的导航系统方面非常有用，但开发智能导航系统也面临一些挑战。例如，IoD 系统在执行任务时可能会受到高楼和树木等障碍物的影响，需要有效控制特定地理区域内无人机机队的部署。

无人机电池电量小是管理无人机的主要障碍之一，为了进行更长时间的飞行，无人机需要频繁充电。此外，确保机队成员在城市低空环境中安全无事故飞行也是一个难题，特别是在场地管理应用中。

为解决这些问题，研究人员开发了多种路由和轨迹建模方法，但很少同时考虑所有问题。例如，有研究采用统计方法优化无人机覆盖范围，但未解决能源问题；还有研究针对固定翼 IoD 系统的安全摄影应用进行路由和轨迹设计；也有研究开发了迭代低复杂度算法，用于指定城市无人机机队的无碰撞导航和调度解决方案，该算法考虑了能源限制和在智能市中心的充电能力，通过静态悬停避免无人机碰撞，并展示了部分无人机为了整个机队的利益放弃飞行的情况及其对设备效率的影响。

4.9 包裹、配送或运输 IoD 系统

亚马逊计划使用 IoD 单元进行包裹配送，CVS 和 UPS 也合作让无人机供应药品。目前，各种配送应用正在研究中，并等待商业准入的监管批准。未来，披萨和其他快餐的无人机配送可能也会变得普遍。不同用途的无人机在承载能力上差异较大，据报道，技术无人机的平均承载能力为 20 至 220 公斤。

4.10 农业应用

想象用无人机执行田间任务，而不是使用消耗大量汽油的大型设备。虽然并非所有农业活动都能由无人机完成，但在一些情况下，无人机可显著减少时间和成本。例如，作物喷洒是一种简单的无人机农业应用，此外还有：
- 作物播种 ：从长远来看，无人机可高效准确地完成播种任务，将作物种植成本降低 85%。
- 土壤分析 ：通过创建详细的 3D 地图，无人机能让农民提前了解作物生长周期，从而规划种植模式、施肥和灌溉。

4.11 数据收集

有效的 IoD 设备可用于实时采集和分发数据。传统方法通常需要通过多跳和中继交换数据，容易导致延迟和错误。而 IoD 设备在将数据从无人机传输到主站方面发挥重要作用，通过减少电池数据传输距离，可降低物联网系统的能耗。目前已建立了多种无人机与物联网设备之间的主动数据收集和协作技术。

4.12 游戏和娱乐

体育和娱乐活动是商业无人机最受欢迎的应用之一，因为它们能提供出色的空中和视频图像。

4.13 IoD 系统雾计算

最近，基于无人机的雾计算成为一种新的范例。基于 IoD 的雾计算具有无人机的灵活性、耐用性和整体便利性等优点，可用于天气预报，使智慧城市更加美好。无论是固定雾设备费用，还是服务和恢复（SAR）团队修复损坏单元，都能从 IoD 系统的优势中受益。

4.14 IoD 设备提升智慧城市生活质量

在西方发达国家，检测和控制空气排放是重要挑战。通常使用传感器收集污染物数据进行监测，但这些小传感器的传输能力有限，不适合实时传输信息。为解决这一问题，可通过无人机移动传感器，将数据采集和传输分为两部分：机载传感器负责感知污染数据，无人机的通信系统可将信息有效传输到更远距离的独立传感器。

例如，研究人员在六旋翼直升机上安装了四个气体传感器和一个粒子数（PNC）探测器，研究特定地理区域内有害气体排放的气流行为和传感器性能，并开发了用于评估点源排放的无人机系统。此外，还研究了其他未来无人机技术的应用，如与土壤湿度传感器通信、远程作物跟踪、水质监测和远程传感器部署。

5. 无人机类型

• 多旋翼无人机 ：适合短时间将小型相机送上天空，是获取空中视角的最快、最便捷方式，适用于航空摄影，能精确控制拍摄位置和画面。但续航能力和速度有限，不适合大规模航空测绘、长时间跟踪河流、道路和电力线等。
• 固定翼无人机 ：使用标准机翼提供升力，无需垂直升力旋翼，只需消耗能量向前飞行，因此能飞行更长距离、覆盖更广泛区域并长时间跟踪目标。现在可使用燃气发动机作为能源，提高了可靠性，许多无人机在燃料能量密度提高后可续航 16 小时以上。
• 单旋翼直升机 ：只有一个旋翼和一个尾桨控制方向，比多旋翼无人机更强大，可由燃气发动机提供更长时间动力。旋翼叶片越长、转速越慢，其效能越高、空气动力学性能越好。
• 固定翼混合垂直起降（VTOL）无人机 ：结合了固定翼无人机和垂直起降能力的优点，本质上是带有垂直升力电机的固定翼模型。在制造上有多种类型，如“尾坐式”，类似于传统飞机，但在起飞前垂直放置；还有“倾转旋翼式”，可将旋翼从向上位置旋转到水平位置，甚至整个机翼和螺旋桨一起旋转。

不同类型无人机的优缺点和典型用途如下表所示：
|类型|优点|缺点|典型用途|
|----|----|----|----|
|多旋翼|易获取、使用方便、可垂直起降和悬停、飞行灵活、相机控制好、可在受限区域操作|续航和速度有限、负载能力有限|音频和航空检查、航空影像|
|固定翼|续航长、覆盖区域广、飞行速度快|起飞和降落需要大量空间、不能垂直起降和悬停、需要更多准备和操作难度大|航空测绘、管道和电力线检查|
|单旋翼|可垂直起降和悬停、续航长（燃气能源）、负载能力强|更危险、需要更多准备和操作难度大|激光扫描、航空 LIDAR|
|固定翼混合 VTOL|可垂直起降和长续航|不适合某些飞行或向前飞行、仍在发展中|无人机配送|

综上所述，物联网无人机（IoD）在提升智慧城市服务质量方面发挥着关键作用，但也面临能源限制和飞行规则等科学和部署方面的障碍。随着学术和工业领域的研究和开发不断推进，有望将无人机成功融入智慧城市。IoD 技术以多种方式改善城市生活，同时保护我们的环境，未来还有许多潜在的应用和可能性等待探索。

无人机互联网：提升智慧城市服务质量的关键力量

6. 结论与未来展望

物联网无人机（IoD）正显著提升着智慧城市的服务质量，有望成为智能城市的关键组成部分。不过，其在科学研究和实际部署过程中仍面临诸多挑战，比如能源限制以及飞行规则的约束。

尽管存在这些障碍，但学术和产业界的研究与开发工作正积极推进，为无人机成功融入智慧城市铺平道路。智慧城市旨在汇聚智能元素，持续提升生活品质、拯救生命并保护资源。IoD 设备的各类应用，在提升智慧城市服务质量方面成效显著。

近年来，无人机技术的发展为智慧城市的实时应用带来了重大突破。IoD 设备以多种方式改善城市生活，同时注重环境保护。为提升生活质量、减少资源消耗、提高生产效率等，IoD 创新技术将深刻改变我们的生活。

由于 IoD 是一项新兴技术，许多潜在的应用和可能性尚未被充分发掘，这也为该领域的未来发展提供了广阔的空间。以下是对 IoD 未来发展方向的展望：
1. 技术创新 ：持续提升无人机的续航能力、飞行稳定性和数据处理能力，开发更高效的能源解决方案，如太阳能充电、燃料电池等，以突破能源限制。
2. 应用拓展 ：探索更多领域的应用，如城市规划、建筑监测、环境监测、物流配送等，进一步提升城市的智能化水平。
3. 安全保障 ：加强无人机的安全管理，制定更加完善的飞行规则和监管机制，确保无人机的安全飞行和数据安全。
4. 协同合作 ：促进无人机与其他智能设备（如物联网传感器、智能交通系统等）的协同合作，实现数据共享和资源优化配置。
5. 公众接受度 ：加强公众对无人机技术的了解和认知，提高公众对无人机应用的接受度，营造良好的社会环境。

未来，随着技术的不断进步和应用的不断拓展，IoD 将在智慧城市建设中发挥更加重要的作用，为人们创造更加便捷、高效、安全和可持续的城市生活。

7. IoD 发展的挑战与应对策略

虽然 IoD 具有巨大的发展潜力，但在实际应用中也面临着一些挑战。以下是一些主要挑战及相应的应对策略：
1. 能源限制 ：无人机的续航能力有限，限制了其在一些应用场景中的使用。应对策略包括开发高效的电池技术、采用太阳能充电、优化飞行路径以减少能源消耗等。
2. 飞行规则和监管 ：无人机的飞行需要遵守严格的规则和监管，以确保飞行安全和公共安全。应对策略包括制定完善的法律法规、建立飞行管理系统、加强对无人机操作人员的培训和认证等。
3. 数据安全和隐私 ：无人机在收集和传输数据过程中，可能会涉及到数据安全和隐私问题。应对策略包括采用加密技术、建立数据安全管理体系、加强对数据的访问控制等。
4. 技术复杂性 ：IoD 涉及到多种技术的融合，如无人机技术、物联网技术、人工智能技术等，技术复杂性较高。应对策略包括加强技术研发和创新、培养专业的技术人才、推动技术标准的统一等。
5. 公众接受度 ：公众对无人机的接受度可能会影响其广泛应用。应对策略包括加强宣传和教育、提高公众对无人机技术的了解和认知、建立公众参与机制等。

通过采取有效的应对策略，可以克服 IoD 发展中的挑战，推动其在智慧城市建设中的广泛应用。

8. IoD 应用案例分析

为了更好地理解 IoD 在智慧城市中的应用，以下是一些实际应用案例分析：
1. 智能交通管理 ：某城市采用 IoD 进行交通监控和管理，通过无人机实时采集交通数据，分析交通流量和拥堵情况，并及时调整交通信号，有效缓解了城市交通拥堵问题。
2. 应急救援 ：在一次自然灾害中，IoD 被用于快速评估受灾情况，为救援人员提供详细的信息，同时还可运送救援物资和设备，提高了救援效率。
3. 农业应用 ：某农场使用 IoD 进行作物监测和施肥，通过无人机采集作物图像和土壤数据，分析作物生长情况和土壤肥力，实现精准施肥，提高了农作物产量和质量。
4. 环境监测 ：某地区利用 IoD 进行空气质量监测和污染源追踪，通过无人机搭载的传感器实时采集空气质量数据，分析污染源分布情况，为环境治理提供了有力支持。

这些案例表明，IoD 在智慧城市的各个领域都具有广泛的应用前景，可以为城市的发展和管理带来显著的效益。

9. 总结

物联网无人机（IoD）作为一项新兴技术，在提升智慧城市服务质量方面具有巨大的潜力。通过将无人机与物联网、人工智能等技术相结合，IoD 可以实现对城市的实时监测、智能管理和高效服务。

本文介绍了 IoD 的概念、应用场景、技术特点和发展挑战，并对不同类型的无人机进行了分析。同时，通过实际应用案例分析，展示了 IoD 在智慧城市建设中的重要作用。

未来，随着技术的不断进步和应用的不断拓展，IoD 将在智慧城市建设中发挥更加重要的作用。我们需要积极应对 IoD 发展中的挑战，推动其在各个领域的广泛应用，为人们创造更加美好的城市生活。

以下是 IoD 应用于智慧城市的主要流程 mermaid 图：

graph LR
    A[数据采集] --> B[数据传输]
    B --> C[数据分析]
    C --> D[决策制定]
    D --> E[指令执行]
    E --> F[效果评估]
    F --> A

这个流程图展示了 IoD 在智慧城市应用中的循环流程，从数据采集开始，经过传输、分析、决策、执行，最后进行效果评估，根据评估结果再次进行数据采集，形成一个闭环系统，不断优化智慧城市的运行。