基于無人機的重載鐵路線橋隧巡檢作業(yè)體系研究

潘振 馬戰(zhàn)國 段培勇 袁磊 李堯 杜翠

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081

朔黃鐵路是我國西煤東運的第二大通道，是國家能源集團礦石、鐵路、港口、電力、航運、石油一體化工程的重要組成部分。朔黃鐵路沿線穿越太行山、恒山、云中山等山脈，地形地貌復雜，山高谷深，橋梁、隧道和高填路堤眾多。隨著貨車軸重提高、長大編組重載列車開行，線橋隧設(shè)備劣化速率加快，病害增多，對線橋隧的檢測和維護提出了更高要求。而無人機技術(shù)的商用推廣為鐵路線橋隧巡檢提供了新途徑。日本、法國、美國、英國、澳大利亞、荷蘭等國家利用無人機對鋼軌、橋梁服役狀態(tài)進行檢查，取得了較好效果。中國鐵路成都局、南昌局、北京局、武漢局利用無人機開展橋梁、路基、沿線地質(zhì)災(zāi)害、周邊環(huán)境巡檢［1-3］，有效減輕了線路巡檢人員工作強度，降低了人員和設(shè)備風險。本文結(jié)合朔黃鐵路現(xiàn)狀及相關(guān)標準，分析無人機巡檢需求，從無人機平臺和載荷、巡檢作業(yè)模式、巡檢系統(tǒng)和標準體系四個方面，提出朔黃鐵路無人機線橋隧巡檢作業(yè)體系。

1 無人機巡檢需求分析

朔黃鐵路沿線存在氣象災(zāi)害誘發(fā)滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害的安全隱患，而且這些區(qū)域檢查人員難以到達，檢查工作效率低、效果差，勞動安全隱患大。近年來朔黃鐵路運量、行車密度增大，線橋隧的傷損、劣化加快。目前利用綜合檢測車、探傷車等基本實現(xiàn)了軌道結(jié)構(gòu)的檢測。因此，重點利用無人機對橋梁、隧道、路基邊坡開展巡檢作業(yè)。

朔黃鐵路橋梁主要為混凝土橋梁，病害主要表現(xiàn)為裂縫、破損、蜂窩麻面等。根據(jù)TG/GW 103—2018《普速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》，混凝土梁裂縫寬度達到0.2 mm時其劣化等級為B級，需維修整治，因此混凝土鐵路橋梁無人機巡檢的檢測精度至少滿足識別0.2 mm寬裂縫的要求。

朔黃鐵路隧道洞口、路基存在崩塌落石、邊坡溜坍、排水設(shè)施淤塞等風險，邊坡存在沖刷、開裂、片石脫落等病害，可能會直接影響行車安全，在無人機巡檢過程中需重點關(guān)注。

2 無人機平臺及載荷

2.1 無人機平臺

各固定翼無人機比較難操作，起飛時對場地要求比較苛刻，危險系數(shù)比較高，但是它的續(xù)航時間比較長，適合大面積作業(yè)。多旋翼無人機操作流程簡單，無需特定場地起飛，可垂直起降，相對安全，但是它的飛行時間比較短，效率較低。垂直起降固定翼無人機結(jié)合了固定翼與多旋翼工作方式，可在狹小范圍內(nèi)起降，不需要跑道或彈射裝置；能長距離、長航時作業(yè)；既可懸停作業(yè)又可高航速作業(yè)，更加適應(yīng)復雜的作業(yè)環(huán)境，但是體積比較大，運輸不方便。綜合各類無人機特點，建議采用多旋翼無人機。鐵路橋梁、隧道洞口的巡檢面積較小，路基邊坡檢測距離可能較長，可分階段進行檢測。檢測時攜帶備用電池，可以彌補多旋翼無人機飛行時間比較短的缺點，滿足線橋隧巡檢作業(yè)要求。

國內(nèi)外無人機品牌中，知名度及技術(shù)水平較高的有大疆、飛馬、中科遙感、零度智控、極飛科技、億航、昊翔、星圖、派諾特、因諾航空等。

大疆行業(yè)級產(chǎn)品中，飛行平臺主要有御2與經(jīng)緯M300RTK。御2起飛重量（無配件）僅909 g，續(xù)航時長僅31 min。經(jīng)緯M300RTK擁有55 min長續(xù)航、負載大、六向定位避障等優(yōu)勢。綜合考慮鐵路線橋隧的任務(wù)要求，擬選用大疆M300RTK無人機。

2.2 無人機載荷

無人機載荷主要有傾斜攝影、激光雷達、熱紅外相機、多光譜相機、高光譜相機、空中氣體檢測儀、空中探照燈等。無人機航測主要采用的載荷是攝影相機、機載激光雷達和紅外攝像機。

針對線橋隧巡檢特點，配合多旋翼M300RTK無人機平臺，選擇大疆L1激光雷達和大疆P1、H20等相機采集數(shù)據(jù)。

1）大疆L1激光雷達：集成Livox激光雷達、高精度慣導、測繪相機和三軸云臺，可搭配經(jīng)緯M300 RTK和大疆智圖，實現(xiàn)全天候、高效率實時三維數(shù)據(jù)獲取以及復雜場景下高精度后處理三維模型的構(gòu)建。

2）大疆P1相機：集成全畫幅圖像傳感器與三軸云臺，支持多款定焦鏡頭，高性能、多用途。

3）大疆H20相機：集成2 000萬像素變焦相機、1 200萬像素廣角相機和1 200 m激光測距儀。

3 無人機巡檢作業(yè)模式

3.1 巡檢作業(yè)要求

作業(yè)前要對航測涉及區(qū)域進行風險評估。關(guān)注的目標包括機場、軍事設(shè)施、重要建筑物、高大建筑物、高壓電塔、植被，還需看是否滿足飛行條件。必要時進行空域申請，將設(shè)置的作業(yè)航線與允許飛行的空域進行對比，確保飛行條件的可操作性。

根據(jù)鐵路工務(wù)運維不同應(yīng)用場景、鐵路線路走向和巡檢作業(yè)的相關(guān)要素，設(shè)計并確定無人機平臺的飛行軌跡、飛行高度、載荷觸發(fā)動作等，包括起飛點和降落點的設(shè)定、航線規(guī)劃、校準點布設(shè)等。

3.2 橋梁巡檢作業(yè)模式

重載鐵路橋梁以T梁為主，對一孔32 m簡支T梁的單側(cè)面進行貼近攝影測量，該梁梁高2.5 m，縱向每4 m設(shè)置1道橫隔板。采用正攝+俯仰交向攝影，最多采集像片80張，現(xiàn)場作業(yè)時長16.9 min。結(jié)果見圖1。

圖1 32 m T梁單側(cè)面巡檢結(jié)果

3.3 路基邊坡巡檢作業(yè)模式

采用豎直攝影方式采集路基邊坡坡面圖像，將主光軸oO近似垂直于坡面，相機鏡頭傾角θ等于坡面傾角β，如圖2（a）所示。采用此方式采集的坡面圖像，不容易出現(xiàn)變形，能夠直觀表現(xiàn)坡面特征。對于臺階式邊坡，存在每級坡β不同的問題。此時，θ需要根據(jù)β的改變作出調(diào)整，始終保持θ≈β。

圖2 路基邊坡拍攝方式示意

路基截水溝呈凹形，如果無人機在拍攝時采用與邊坡截水溝同樣的角度，部分區(qū)域會位于相機采集盲區(qū)。邊坡的截水溝是根據(jù)每個邊坡的地質(zhì)條件、所處的環(huán)境等設(shè)計的，大小規(guī)格不一樣。因此，采用主光軸垂直于溝底的方式采集圖像，主光軸在K1K＇1范圍內(nèi)［圖2（b）］，操作簡單，可避免出現(xiàn)采集盲區(qū)。

3.4 隧道洞口巡檢作業(yè)模式

根據(jù)隧道洞口仰坡環(huán)境和特點，將隧道洞口巡檢分為區(qū)域整體巡檢、重點區(qū)域巡檢和高危病害定制巡檢三部分并規(guī)劃不同的航線。

區(qū)域整體巡檢的目的是采集隧道洞口及仰坡全測區(qū)傾斜攝影數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)，建立三維模型。

重點區(qū)域巡檢是在取得區(qū)域整體巡檢數(shù)據(jù)后，對其查看、分析，找出值得關(guān)注的重點區(qū)域（發(fā)現(xiàn)問題點或病害點所在區(qū)域），再根據(jù)重點區(qū)域來制定巡檢航線。重點區(qū)域巡檢需要貼近懸停至病害區(qū)域，調(diào)整至最好觀測角度，以采集病害區(qū)域更加清晰的圖像數(shù)據(jù)。

高危病害定制巡檢是針對重點區(qū)域巡查中發(fā)現(xiàn)的對線路運營具有較大危害性或處于進展中的病害，如穩(wěn)定性較差的危巖或新生擴展裂縫等，進行近距離高頻次觀測。

4 無人機巡檢系統(tǒng)

無人機巡檢系統(tǒng)包括無人機作業(yè)管控、數(shù)據(jù)存儲及智能識別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和綜合展示三部分。

4.1 無人機作業(yè)管控

①空域申請。根據(jù)《中華人民共和國飛行基本規(guī)則》等相關(guān)規(guī)定，與相關(guān)管理部門協(xié)調(diào)建立統(tǒng)一空域申請渠道和定期協(xié)商機制，便于集中管理飛行計劃。②飛行計劃。系統(tǒng)中嵌入空域申請和狀態(tài)管理功能，建立巡檢工單，負責對飛行計劃進行審批和管理。③巡檢任務(wù)管理。對巡檢任務(wù)進行申報、審批、派發(fā)和報備，并跟蹤、監(jiān)視任務(wù)的執(zhí)行進度。④自主航線規(guī)劃。根據(jù)地圖和地形信息數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、任務(wù)內(nèi)容對巡檢任務(wù)進行分析，規(guī)劃出最優(yōu)飛行航線。

4.2 無人機巡檢數(shù)據(jù)存儲及智能識別

利用無人機完成巡檢數(shù)據(jù)采集后，通過內(nèi)網(wǎng)上傳到海量存儲陣列，作為原始數(shù)據(jù)進行存儲。在GPU服務(wù)器上部署智能識別程序，通過網(wǎng)絡(luò)方式共享訪問海量存儲陣列中的圖像數(shù)據(jù)，進行病害的智能識別。識別結(jié)果也存儲在海量存儲陣列，見圖3。

圖3 無人機巡檢數(shù)據(jù)存儲及智能識別

病害自動識別算法流程見圖4。首先建立樣本庫，使用標注工具對圖像進行像素級語義分割標注，建立病害樣本數(shù)據(jù)集，按一定比例分為訓練集和驗證集；然后構(gòu)建基于編碼（ResNet18網(wǎng)絡(luò)）-解碼（PPM網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傷損分割模型［4］，將訓練集中的圖片輸入到分割模型的編碼網(wǎng)絡(luò)中提取特征信息，輸入到解碼網(wǎng)絡(luò)中生成對象分割結(jié)果，持續(xù)進行模型訓練；最后通過驗證集對模型識別能力進行評估，找到最優(yōu)的模型參數(shù)，實現(xiàn)對病害的自動化檢測、病害趨勢分析和狀態(tài)評定。

圖4 病害智能識別算法流程

4.3 巡檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與綜合展示

Web服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)方式共享訪問海量存儲陣列中的圖像數(shù)據(jù)和病害識別結(jié)果，對巡檢數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)合三維GIS（Geographic Information System）將巡檢結(jié)果進行綜合展示。

巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析主要內(nèi)容是：

1）統(tǒng)計病害空間分布?；诠?wù)設(shè)備病害分級分類標準，無人機巡檢系統(tǒng)將線橋隧無人機巡檢發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)病害在空間維度上進行展示，便于工務(wù)管理部門掌握該設(shè)備健康狀況，并制定相應(yīng)的維修方案。

2）病害發(fā)展趨勢分析。無人機巡檢系統(tǒng)對檢測到的同一病害在時間維度上進行展示，揭示此處病害在過去某個時間范圍內(nèi)的發(fā)展、演變趨勢，為設(shè)備劣化預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。

3）生成巡檢報告。無人機巡檢系統(tǒng)自動生成月報、季報、年報等周期性巡檢報告。根據(jù)需要，工務(wù)部門可以選擇重點關(guān)注的工務(wù)設(shè)備結(jié)構(gòu)病害的演變過程進行分析、研判，并自動生成結(jié)構(gòu)病害的巡檢報告。

無人機巡檢結(jié)果綜合展示是將巡檢結(jié)果以表格、圖片等方式對結(jié)果進行展示，并結(jié)合GIS和BIM（Building Information Modeling）展示病害位置?；谌SGIS平臺，集成BIM、影像、地形、傾斜攝影、激光點云等，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與多源數(shù)據(jù)的融合，對病害所在位置進行顯示，并可以點擊查詢病害類型、大小、歷史發(fā)展等詳細信息，實現(xiàn)宏觀、全面的展示與管理。

5 標準體系

參考無人機巡檢智能管理系統(tǒng)，考慮鐵路無人機巡檢管理、技術(shù)需求，建議分類編制標準。

1）管理類標準：①鐵路無人機巡檢空域申請與巡檢計劃管理。規(guī)定無人機空域申請、巡檢航線規(guī)劃的流程、要求等內(nèi)容。②鐵路無人機巡檢作業(yè)安全工作規(guī)程。規(guī)定無人機巡檢安全工作的一般要求、保證安全的組織和技術(shù)措施、安全注意事項、巡檢作業(yè)異常處理等內(nèi)容。③鐵路行業(yè)無人機巡檢作業(yè)人員培訓考核規(guī)范。規(guī)定無人機巡檢作業(yè)人員培訓應(yīng)達到的能力。④鐵路無人機巡檢應(yīng)急處置制度。規(guī)定應(yīng)急處置的響應(yīng)機制、組織機構(gòu)、應(yīng)急處置工作流程等。

2）技術(shù)類標準：①鐵路無人機巡檢分類和配置原則。根據(jù)無人機巡檢應(yīng)用場景，對不同使用條件下無人機及其載荷的功能、性能指標進行細化，規(guī)范無人機適配性，建立不同場景下的配置原則。②鐵路無人機巡檢作業(yè)技術(shù)條件。規(guī)定采用無人機對鐵路巡檢的作業(yè)要求、準備工作、方式及方法、模式及內(nèi)容、資料的整理及移交、異常情況處置等。③鐵路無人機巡檢數(shù)據(jù)處理、移交與驗收規(guī)范。規(guī)定采用無人機對鐵路巡檢時數(shù)據(jù)自動采集和處理的要求，包括圖片、點云數(shù)據(jù)的采集方式、數(shù)據(jù)處理及其質(zhì)量要求等。

6 結(jié)論

1）在對比分析國內(nèi)外無人機類型及特點的基礎(chǔ)上，建議采用大疆M300RTK無人機，并根據(jù)需要搭載P1、H20相機和L1激光雷達。

2）根據(jù)橋梁、路基邊坡、隧道洞口的巡檢要求，提出了線橋隧巡檢作業(yè)模式。

3）從無人機作業(yè)管控、數(shù)據(jù)存儲及智能識別、統(tǒng)計分析和綜合展示三個方面開發(fā)了無人機巡檢系統(tǒng)。

4）建議編制鐵路無人機巡檢空域申請與巡檢計劃管理，鐵路無人機巡檢數(shù)據(jù)處理、移交與驗收規(guī)范等管理類和技術(shù)類標準。