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基于多源数据与大模型的无人机巡航风险识别技术

马涛,  吴俊,  唐樊龙,  范剑伟,  王宁

马涛, 吴俊, 唐樊龙, 范剑伟, 王宁. 基于多源数据与大模型的无人机巡航风险识别技术[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(3): 75-88. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.036
引用本文: 马涛, 吴俊, 唐樊龙, 范剑伟, 王宁. 基于多源数据与大模型的无人机巡航风险识别技术[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(3): 75-88. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.036
MA Tao, WU Jun, TANG Fan-long, FAN Jian-wei, WANG Ning. Unmanned aerial vehicle cruise risk identification technology based on multi-source data and large models[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(3): 75-88. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.036
Citation: MA Tao, WU Jun, TANG Fan-long, FAN Jian-wei, WANG Ning. Unmanned aerial vehicle cruise risk identification technology based on multi-source data and large models[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(3): 75-88. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.036

基于多源数据与大模型的无人机巡航风险识别技术

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.036
基金项目: 

国家重点研发计划 2020YFB1600102

国家自然科学基金项目 52378445

西藏自治区科技计划项目 XZ202501JX0006

金陵科技学院高层次人才科研启动项目 jit-b-202401

详细信息
    作者简介:

    马涛(1981-),男,江苏徐州人,教授,博士生导师,工学博士,E-mail: matao@seu.edu.cn

    通讯作者:

    唐樊龙(1988-),男,湖北宜昌人,讲师,工学博士, E-mail: tangfanlong@jit.edu.cn

  • 中图分类号: U8

Unmanned aerial vehicle cruise risk identification technology based on multi-source data and large models

Funds: 

National Key R&D Program of China 2020YFB1600102

National Natural Science Foundation of China 52378445

Xizang Autonomous Region Science and Technology Funding XZ202501JX0006

Foundation of Jinling Institute of Technology jit-b-202401

More Information
Article Text (Baidu Translation)
  • 摘要: 针对无人机在巡航过程中面临的复杂风险事件识别问题,探究了无人机巡航风险的基本要素,明确了提示词中应包含的风险特征参数;分析了多模态大模型的实现方式、架构和典型模型,提出了提示词生成模型融合多源数据的方案;结合环境感知和检测识别追踪方法建立了集成宏观场景描述、动态场景补充、突发风险检测三大模块的提示词生成模型;将提取到的特征参数集成到提示词中,通过DeepSeek综合分析,完成无人机巡航风险的识别与判断。研究结果表明:三大模块能够快速完成无人机巡航风险的识别,并获得完整的提示词;基于Owl-ViT模型的静态场景描述能有效识别飞行中的静态障碍物,置信度超过80%;基于ByteTrack算法的动态物体抓取,可快速获取飞鸟、其他无人机等动态物体的距离、速度、坐标等动态信息;基于点云的突发风险识别可以捕捉点云障碍物信息,包括目标的距离、尺寸、体积、纵横比等,能够快速检测突发进入安全区域的障碍物;通过提示词生成的DeepSeek输出结果可详细展示巡航过程中的风险内容、等级并给出安全建议;开发的无人机巡航风险识别系统,可将感知识别数据可视化,并明确执行任务的设备和任务信息,进一步辅助DeepSeek进行风险判断。研究结果能够为无人机巡航过程中进行风险识别以及安全高效飞行提供有效技术支撑。

     

  • 图  1  巡航风险要素解构

    Figure  1.  Decomposition of cruise risk factors

    图  2  提示词生成模型数据融合方案

    Figure  2.  Data fusion schemes for the prompt word generation model

    图  3  无人机巡航过程中的静态场景检测结果

    Figure  3.  Static scene detection results during the UAV's cruising process

    图  4  无人机巡航过程中的动态障碍物追踪结果

    Figure  4.  Dynamic obstacle tracking results during the UAV's cruising process

    图  5  无人机巡航过程中进入安全区域障碍物的检测结果

    Figure  5.  Detection results of obstacles that entered the safety zone during the UAV's cruising process

    图  6  实时监控模块

    Figure  6.  Real-time monitoring module

    图  7  设备管理模块

    Figure  7.  Equipment management module

    图  8  任务执行模块

    Figure  8.  Task execution module

    图  9  用户配置模块

    Figure  9.  User configuration module

    表  1  无人机巡航风险事件类型

    Table  1.   Types of risk events during UAV cruise

    风险类型 主要内容
    碰撞风险 与静止障碍物、其他航空器或地面物体碰撞
    环境风险 极端天气(强风、雷暴)、电磁干扰、GPS信号丢失
    技术故障风险 电池、电机等动力系统失效,导航/通信中断,传感器故障
    人为操作风险 操作指令错误,任务规划不合理,应急响应延迟
    通信链路风险 控制信号中断,数据链延迟或被劫持
    法规与合规风险 违反空域管制规定,未取得适航许可或超出操作权限
    恶意攻击风险 黑客入侵、GPS欺骗、物理劫持或电磁干扰攻击
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    表  2  无人机安全运行影响因素

    Table  2.   Factors affecting the safe operation of UAVs

    因素 子因素 具体内容
    内部因素 无人机设计可靠性 冗余系统、故障诊断能力
    能源系统的状态 电池寿命、剩余电量
    传感器与算法精度 检测识别目标物、避障、路径规划能力
    外部因素 气象条件 风速、能见度、温度
    空域复杂度 障碍物密度、其他飞行器数量
    电磁环境 信号干扰源强度、频谱占用率
    人为因素 操作员经验、应急预案完善性
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    表  3  数据融合方案指标对比

    Table  3.   Comparison of indicators for data fusion schemes

    方案 训练数据量要求 算力要求(109 FLOPS) 泛化能力
    1 低(采用单模态预训练模型) 0.8 中等(依赖模块设计)
    2 高(跨模态对齐数据) 2.5 强(模态间相互学习)
    3 极高(海量多模态数据) 5.0+ 极强(端到端自适应)
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    表  4  数据融合方案适用场景与优势分析

    Table  4.   Analysis of applicable scenarios and advantages of data fusion solutions

    方案 适用场景 主要优势
    1 适用于实时性要求高的动态场景 计算高效,易部署,支持增量更新
    2 多模态强交互任务 跨模态理解深度优,支持复杂语义推理
    3 离线高精度分析 全模态联合优化,小样本泛化能力突出
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    表  5  主流目标检测模型的特性

    Table  5.   Characteristics of mainstream object detection models

    特性 Fast R-CNN YOLO DETR GLIP Owl-ViT
    架构基础 CNN CNN Transformer Transformer Transformer
    训练方式 监督学习 监督学习 监督学习 对比学习 对比学习
    检测方式 封闭词汇 封闭词汇 封闭词汇 开放词汇 开放词汇
    零样本能力 无 无 有限 优秀 优秀
    多模态支持 否 否 否 是 是
    推理速度 较慢 极快 中等 较慢 中等
    主要优势 成熟稳定 实时性 端到端检测 强零样本能力 开放世界适应性
    主要局限 固定类别 固定类别 训练复杂 计算资源需求高 小目标检测弱
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    表  6  Owl-ViT与GLIP模型不同维度对比

    Table  6.   Comparison of dimensions between Owl-ViT and GLIP models

    对比维度 Owl-ViT GLIP
    设计理念 开放世界的视觉定位 检测与定位的统一框架
    模型架构 ViT+文本Transformer Swin/BERT+深度融合模块
    预训练数据 400 M图像-文本对 27 M检测数据+3 M人工标注
    任务形式 图像-文本对比学习 区域-短语匹配任务
    零样本迁移 通过文本提示实现 通过语言描述生成动态检测头
    检测头设计 固定结构 动态生成
    典型应用场景 开放词汇检索、定位 细粒度视觉语义理解
    推理速度 中等(约15帧·s-1) 较慢(约8帧·s-1)
    模型规模 基础版约300 M参数 大型版可达1 B参数
    小目标检测 相对较弱 表现更好(Swin层次化特征)
    语言理解深度 侧重关键词匹配 支持复杂语义关系理解
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    表  7  追踪算法核心思想与数据关联策略对比

    Table  7.   Comparison of core concepts of the tracking algorithms and the data association strategies

    算法 核心思想 数据关联策略
    SORT 卡尔曼滤波+匈牙利算法,仅用高分检测框 IoU匹配
    DeepSORT 结合ReID(外观)特征,减少ID切换 IoU+外观相似度
    FairMOT 联合检测+跟踪(JDE),端到端训练,共享特征提取器 基于中心点的关联
    OC-SORT 改进运动模型,引入轨迹补偿机制预测目标位置,对非线性运动更鲁棒 运动一致性+观测平滑
    ByteTrack 2次匹配(高分+低分检测框),减少漏检,卡尔曼滤波预测边界框位置,依赖检测质量而非复杂运动模型 基于IoU和外观相似度(可选),但对遮挡目标更鲁棒
    BoT-SORT 结合ByteTrack的低分策略和DeepSORT的ReID模块,平衡速度与精度 IoU+外观相似度+运动补偿
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    表  8  追踪算法适用场景与特点对比

    Table  8.   Comparison of application scenarios and characteristics of tracking algorithms

    算法 适用场景 优点 缺点
    SORT 实时性要求高、目标遮挡少的场景(如简单交通监控) 计算量小,速度快,可达60帧·s-1 丢弃低分框,遮挡时易丢失目标,导致ID切换频繁,依赖检测质量
    DeepSORT 对ID一致性要求高且算力充足的场景(如体育赛事分析) ID稳定性高,长期跟踪效果好 ReID模块计算量大(40帧·s-1),丢弃低分检测框
    FairMOT 行人跟踪,多摄像头ReID(如商场监控) 端到端,高效,检测与跟踪联合优化 ReID与检测任务冲突,遮挡时性能下降,计算量大
    OC-SORT 适合复杂运动轨迹(如无人机视角跟踪、快速变向目标) 适合复杂运动轨迹,减少ID切换 算法复杂度较高,实时性稍差(30帧·s-1)
    ByteTrack 遮挡频繁、需要实时性的场景(如实时监控、交通流量分析) 利用低分检测框进行关联匹配,减少漏检,速度快(50帧·s-1),遮挡鲁棒 无ReID模块,相似目标区分能力较弱
    BoT-SORT 需高精度+实时性的场景(如自动驾驶、高精度监控) 结合ByteTrack、ReID优势,ID稳定,速度较快 需要预先训练ReID模型,配置较复杂
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    表  9  三大检测模块及DeepSeek测算结果

    Table  9.   Three major detection modules and DeepSeek measurement results

    模块 功能实现模型 平均延迟时间 识别准确率
    宏观场景描述 Owl-ViT-Large 60~80 ms 75%
    动态场景补充 Owl-ViT-Large+ByteTrack 跟踪算法延迟仅增加5~10 ms,延迟主要在检测 依赖检测模型,准确率达75%,ID稳定
    突发风险检测 点云处理-聚类分析-多帧关联-障碍物属性计算 25~35 ms 85%
    巡航风险判断 DeepSeek 40~50 ms 80%
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    表  10  避障全链路延迟分解

    Table  10.   Obstacle avoidance full-link delay decomposition

    环节 子任务 延迟范围/ms 影响因素及优化方向
    传感器数据采集 摄像头图像传输激光雷达点云生成 5~20 传感器硬件性能
    风险识别 宏观场景检测(Owl-ViT)突发障碍检测(点云) 50~80 模型量化、硬件加速(TensorRT)
    决策规划 路径重规划动态障碍预测 10~30 算法复杂度
    控制执行 电机响应、姿态调整 5~15 飞控板性能
    总延迟 70~145
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-07-03
  • 录用日期:  2025-09-26
  • 修回日期:  2025-08-19
  • 刊出日期:  2026-03-28

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