無(wú)人機(jī)輔助地鐵設(shè)施與管線巡檢的應(yīng)用研究

陳玉清，羅鳳霞，柏文鋒

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510010；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

截至2017 年末，全國(guó)共計(jì)34 個(gè)城市開(kāi)通城軌交通并投入運(yùn)營(yíng)，開(kāi)通線路165 條，運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度達(dá)到5033km，在建線路長(zhǎng)度6246km，目前獲批復(fù)規(guī)劃線路總長(zhǎng)7321km。隨著地鐵線網(wǎng)的不斷擴(kuò)張，沿線房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、地下空間、市政工程等項(xiàng)目越來(lái)越多，鉆探、打樁等違規(guī)作業(yè)施工速度快、發(fā)現(xiàn)難度大、破壞性強(qiáng)，一旦運(yùn)營(yíng)地鐵隧道被鉆穿，破壞地鐵隧道結(jié)構(gòu)，危及公共安全。廣州地鐵設(shè)施因違規(guī)鉆探鑿穿地鐵隧道與基坑施工違規(guī)，導(dǎo)致隧道大范圍變形、開(kāi)裂、滲漏等事件時(shí)有發(fā)生，每次事件均不同程度地影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全，地鐵的修復(fù)花費(fèi)有時(shí)高達(dá)數(shù)千萬(wàn)元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2008 年以來(lái)，廣州地鐵結(jié)構(gòu)受損較大事件已達(dá)23 起，其中隧道被鉆穿9 起，占39%。

由于地鐵隧道頻繁受外部建設(shè)影響和受損，按當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)文件要求，要求管線（含地鐵）保護(hù)單位要開(kāi)展24h 安全巡查。要滿足政府這一要求，企業(yè)需大幅增加巡檢成本，大量新增巡檢人員。廣州區(qū)域地鐵巡檢涵蓋建設(shè)線路300km，運(yùn)營(yíng)線路390km，至2025 年，廣州地鐵線網(wǎng)將達(dá)到810km。目前，廣州地鐵巡檢主要還是以人工巡視為主，每個(gè)巡檢人員每天負(fù)責(zé)巡檢線路長(zhǎng)達(dá)12km，人員投入大，且巡檢頻次低。為了滿足政府24h巡檢要求，企業(yè)需大量增加地鐵、管線等地下設(shè)施的巡檢人員，大幅提高企業(yè)的管理成本。因此，在確保地鐵設(shè)施及運(yùn)營(yíng)安全前提下，如何提高巡檢工作的效率和質(zhì)量，降低企業(yè)成本，是企業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，急需應(yīng)用新科技和研究地鐵設(shè)施的智能巡檢方法。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用快速增長(zhǎng)。采用無(wú)人機(jī)輔助巡檢，提高巡檢頻次，非常適合地鐵設(shè)施和管線等地下設(shè)施巡線業(yè)務(wù)，可大大減少巡檢人員，提高工作效率，且可滿足政府提出的24h 巡檢要求。在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展無(wú)人機(jī)輔助巡檢技術(shù)研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)十分必要與緊迫。

1 無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)（UAV）是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機(jī)，包括無(wú)人直升機(jī)、固定翼機(jī)、多旋翼飛行器、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在各行各業(yè)中的應(yīng)用中增長(zhǎng)快速，其使用需求和頻率不斷加大。在與地保巡線業(yè)務(wù)類似的電力巡線領(lǐng)域，專門應(yīng)用于架空輸電線路巡檢的無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)已經(jīng)具備行業(yè)規(guī)范，包括國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的《架空輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)配置導(dǎo)則》（Q/GDW 11383-2015）、南方電網(wǎng)發(fā)布的《架空輸電線路機(jī)巡光電吊艙技術(shù)規(guī)范（試行）》以及中電聯(lián)發(fā)布的《架空輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1482-2015），對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)及光電吊艙進(jìn)行了規(guī)范。2013 年11 月廈門地鐵1 號(hào)線一期工程施工期間，廈門交警使用一種名為“單兵一號(hào)電動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)地鐵施工交通狀況，該應(yīng)用僅限于現(xiàn)場(chǎng)交通信息的采集；2016 年7 月22 日深圳地鐵3 號(hào)線部分區(qū)段采用無(wú)人機(jī)監(jiān)控和記錄高架區(qū)段檢修作業(yè)狀況，但都還僅局限于采用旋翼機(jī)開(kāi)展圖像的采集工作，離業(yè)務(wù)化和智能化應(yīng)用還有很大距離。

總的來(lái)看，無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，但無(wú)人機(jī)在傳統(tǒng)農(nóng)林作業(yè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域的應(yīng)用還主要局限于采用旋翼機(jī)開(kāi)展圖像的采集工作，對(duì)圖像的處理與分析都仍主要依靠人工完成，離業(yè)務(wù)化和智能化還有很大的距離。無(wú)人機(jī)在地鐵領(lǐng)域的應(yīng)用還很少，主要采用旋翼機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)飛行和圖像采集，在采用固定翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展圖像采集、圖像后處理、圖像智能分析、自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警方面的研究與應(yīng)用還暫時(shí)為空白。

2 無(wú)人機(jī)輔助地鐵保護(hù)巡檢與預(yù)警研究

2.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

地鐵保護(hù)巡檢具有線路窄長(zhǎng)、巡檢頻次高、巡檢專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此建立無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)應(yīng)盡量滿足以下參數(shù)特點(diǎn)：（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)參數(shù)。巡檢精度5cm；起降方式為垂直起降；抗風(fēng)能力不小于10m/s（5級(jí)），能承受小雨天氣；超輕量和耐沖擊機(jī)身；實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)各模塊狀態(tài)，支持失控返航、低電量/燃料返航，實(shí)時(shí)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的交換。遠(yuǎn)距離巡檢續(xù)航時(shí)間不少于1.5h，巡航速度不小于20m/s，續(xù)航里程不小于120km，最大任務(wù)載荷2kg；小區(qū)域線路和項(xiàng)目巡檢續(xù)航時(shí)間不少于1h，巡航速度不小于6m/s，續(xù)航里程不小于20km，最大任務(wù)載荷5kg。（2）光學(xué)相機(jī)參數(shù)。搭載于無(wú)人機(jī)的航攝儀盡量滿足以下參數(shù)：不低于4000 萬(wàn)像素，4K超清視頻；靜態(tài)影像感光度ISO 100-25600，自動(dòng)感光度ISO 100-6400；自動(dòng)對(duì)焦、程序自動(dòng)曝光；鏡頭防抖和5 軸防抖；支持連拍、支持降噪。（3）飛控系統(tǒng)要求。帶GPS 導(dǎo)航自動(dòng)飛行功能，飛控系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自主安全的飛行控制。在無(wú)人機(jī)飛行前進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中顯示飛行區(qū)域的電子地圖、航跡、飛行參數(shù)、飛機(jī)的姿態(tài)航向參數(shù)等。飛行中所有的飛行參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)下載并記錄。操作者可通過(guò)航跡規(guī)劃和路徑調(diào)整進(jìn)行各種任務(wù)的控制執(zhí)行。地面控制系統(tǒng)的人機(jī)界面讓操作者可方便地修改航路點(diǎn)、目標(biāo)航向并監(jiān)視飛行狀態(tài)。

2.2 巡檢圖像處理

利用無(wú)人機(jī)取得地鐵沿線地面環(huán)境的巡檢圖像后，應(yīng)對(duì)巡檢圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)沿線圖像的拼接，并與現(xiàn)有的地鐵保護(hù)線進(jìn)行重疊，以直觀反映巡檢圖像與地鐵保護(hù)范圍的關(guān)系。為了保證能夠高效準(zhǔn)確地識(shí)別關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)源，需要對(duì)采集的影像進(jìn)行預(yù)處理。主要的預(yù)處理技術(shù)主要包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)字正射影像的制作和影像快速拼接技術(shù)，數(shù)字正射影像主要用于建立GIS 系統(tǒng)影像地圖，影像快速拼接技術(shù)主要用于人工智能風(fēng)險(xiǎn)源特征提取判讀。在風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別上，根據(jù)軌道交通保護(hù)控制區(qū)外部項(xiàng)目巡檢業(yè)務(wù)，對(duì)外部項(xiàng)目作業(yè)中炮頭機(jī)，攪拌樁，立式水泥罐等等作業(yè)設(shè)備特征點(diǎn)進(jìn)行提取，基于大樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合特征顏色、紋理、形狀、空間等特征，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，建立目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)源智能識(shí)別模型。在巡檢過(guò)程中，識(shí)別模型能夠通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍采集的照片，對(duì)照片進(jìn)行分割、合并、要素提取以及統(tǒng)計(jì)分析等步驟進(jìn)行特征分析，實(shí)現(xiàn)特征目標(biāo)的識(shí)別。

2.3 無(wú)人機(jī)巡檢與預(yù)警系統(tǒng)

利用無(wú)人機(jī)輔助地鐵保護(hù)巡檢應(yīng)建立起無(wú)人機(jī)巡檢與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)的功能應(yīng)包括但不限于以下功能：無(wú)人機(jī)設(shè)備管理、巡檢任務(wù)管理、巡檢圖像處理、巡檢變化監(jiān)測(cè)、巡檢預(yù)警等功能。無(wú)人機(jī)采集的巡線數(shù)據(jù)輸入計(jì)算模型，對(duì)圖像的特征進(jìn)行匹配，如果出現(xiàn)鉆機(jī)、挖掘機(jī)、新增工地等風(fēng)險(xiǎn)源就會(huì)在圖像上進(jìn)行標(biāo)注，并在GIS 地圖上進(jìn)行展示預(yù)警。想要達(dá)到圖像自動(dòng)在GIS 地圖上定位顯示的效果，至少需要以下幾個(gè)空間參數(shù)信息：（1）一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；（2）航高；（3）航向角。根據(jù)航高可以算出比例尺，即圖像中一個(gè)像素的寬度所對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離，再根據(jù)某已知點(diǎn)的坐標(biāo)就可將圖像移動(dòng)至對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系下的位置，最后利用航向角對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即可達(dá)到圖像定位的效果。

3 效益分析及飛行驗(yàn)證

目前，廣州地鐵需要巡檢的運(yùn)營(yíng)線路10 條，里程約246km，建設(shè)線路11 條，里程約314km，現(xiàn)有巡檢人員達(dá)數(shù)十人，若要達(dá)到相關(guān)文件要求，平均每6km 需配備1 名巡檢人員。隨著運(yùn)營(yíng)線路與建設(shè)線路的增加，巡檢人員的數(shù)量與巡檢成本將直線增加巡檢管理難度大，質(zhì)量難以保證，且巡檢成本高，巡檢頻次較低，易出現(xiàn)巡檢死角。若采用無(wú)人機(jī)地保巡檢系統(tǒng)及圖像處理系統(tǒng)輔助開(kāi)展廣州地鐵設(shè)施巡檢，在現(xiàn)有560km 運(yùn)營(yíng)線路+建設(shè)線路的情況下，只需配置3 臺(tái)無(wú)人機(jī)即可將巡檢頻次由1～2 次/ 周提高到5～7 次/ 周的巡檢頻次，巡檢成本將大大降低，隨著線路里程的增加，成本將逐步降低，巡檢效率可提高10 倍以上。文章對(duì)傳統(tǒng)人工巡檢與無(wú)人機(jī)輔助巡檢的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

表1 優(yōu)劣勢(shì)及效益分析表

2016 年8 月—12 月，廣州地鐵集團(tuán)有限公司地保辦成功組織開(kāi)展了無(wú)人機(jī)巡檢驗(yàn)證飛行。利用無(wú)人機(jī)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全程GPS 自動(dòng)導(dǎo)航，對(duì)四號(hào)線大學(xué)城南—石基—大學(xué)城南共計(jì)26km 線路兩側(cè)地鐵保護(hù)區(qū)開(kāi)展了多次自動(dòng)巡檢，并成功發(fā)現(xiàn)預(yù)設(shè)在線路正上方作業(yè)的鉆機(jī)，初步驗(yàn)證了利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展地鐵設(shè)施巡檢的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)無(wú)人機(jī)輔助地鐵保護(hù)巡檢與預(yù)警技術(shù)的背景、必要性，無(wú)人機(jī)及應(yīng)用技術(shù)發(fā)展綜述，無(wú)人機(jī)輔助地鐵保護(hù)巡檢與預(yù)警技術(shù)、效益分析以及驗(yàn)證飛行進(jìn)行了介紹。通過(guò)實(shí)踐證明，無(wú)人機(jī)輔助地鐵保護(hù)巡檢與預(yù)警是可行的，利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展地鐵設(shè)施巡檢具有巡檢范圍廣、速度快、效率高以及巡檢質(zhì)量高等特點(diǎn)，能夠大大減少巡檢人員的配置，降低企業(yè)巡檢成本等優(yōu)勢(shì)，具有實(shí)用性與推廣意義。