无人机在轨道交通行业中的应用研究

占昌曦，嵇昊威，萧以苏，岳洋

（南京铁道职业技术学院机车车辆学院，江苏南京210000）

工程技术

无人机在轨道交通行业中的应用研究

占昌曦，嵇昊威，萧以苏，岳洋

（南京铁道职业技术学院机车车辆学院，江苏南京210000）

首先阐述无人机的发展历程，然后提出无人机在轨道交通行业中的应用研究，希望为无人机的发展提供一些帮助。

无人机；轨道交通；应用

引言

近几年，轨道交通行业迅猛发展，对轨道交通勘测设计、施工监理、运营维护与应急救援提出了更高的要求，传统的地面监测与管理方法存在一定程度的局限性。无人机是无人驾驶飞机的简称，是利用地面无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机的快速机动，云下低空飞行，影像分辨率高，使用成本低的优势，成为各种领域俯瞰、巡检、抢险的重要工具。无论是城市轨道交通还是高速铁路，无论是铁路建设还是运营管理方面都具有良好的发展前景。

1 无人机的发展历程

无人机最早应用于军事领域。世界上第一台无人机于1917年英国人研制[1]，至今已经历着将近一个世纪的历史。无人机最早应用于20世纪30年代的英国，作为实验战列舰上的火炮对飞机的攻击效果。20世纪40年代第二次世界大战，美国军队大量应用无人靶机，在太平洋战争中对日军目标进行轰炸，同时使用无人靶机应用训练防空炮手[2]。到20世纪中期作为执行战争压制敌防空、遮断、战斗损失评估、战区导弹防御以及超高空攻击的主要任务[3]。随着技术进一步的提高，到20世纪90年代，在军事领域的应用性更广，优越性更强，无线卫星通信一体化无线操作，使之无人机的发展尤为成熟。发展无人机在远程遥控里程、续航时间、飞行安全上相比以前具有更大的突破。

2 无人机在民用行业的应用

无人机技术的不断发展，以及生成数据影响更清晰化、续航时间更长久化、操作更简单化等特点，使得无人机的应用普遍化[4]。近几年，无人机在测绘地理信息、农林渔矿业、水利水电建设工程、事故救援、油气传输管道、气象探险、海洋监测、科学实验和文化体育等各领域应用作航拍影像分析的首选工具，被普遍认为具有良好发展前景。在水域动态监测方面，无人机能及时地查清研究范围内的水域变化情况，对水域利用状况和水域权属界线等进行方面的变更调查，建立起相应的数据库和管理系统；在防汛抗旱方面，无人机能克服交通等不利因素，快速到达指定位置，通过快速、及时、准确收集到应急信息，以及多种方式进行高效的沟通，为领导提供准确、科学的决策信息[5]。在水利工程建设中，利用无人机低空遥感快速实施，高分辨率数据的特点，提供宏观的科学数据和决策依据，防止水利工程建设中存在的水土流失等相关问题。在电力行业无人机可参与电网的巡检排查，代替高空人工排查。在管道抢险应急维修作业中，无人机拍摄遥感影像，观测管道破坏程度，对事故现场及时监控制作可佳的抢险方案[6]。总之，无人机在民用领域的应用相当广泛，操作应用性强。

3 无人机在轨道交通行业领域中的应用

无人机形式多样，从原始的军用无旋翼逐渐发展成多旋翼样式，相比传统无人机而言，多旋翼无人机灵活性更高，360°高清旋转摄像拍照功能，视觉更自由化。无人机应用于轨道交通领域之中，能够为轨道交通建设提供可靠、高时效性的铁路工程信息数据，弥补人工踏勘不足，提高工作效率[7]。具有广阔的应用前景。

3.1 线路勘测与设计

传统的线路勘测设计，仅仅依靠人工高空俯瞰，在纸质地图上作业，对于具体线路设计勘测方面数据不明确，数据来源单一，时效性差。各种特殊地段不能准确的判定，危险线路不能及时排查，例如沼泽区域、高山深谷区域和湖泊区域等。利用无人机的快速机动、随时悬停的特点，针对不同地势地域、不同河道等线路选择与设计问题，将无人机采集到的高清图像进行数据化分析，可以全面了解该地域的水文、地理、地形等信息，为线路的规划提供可靠的数据。通过无人机的影像拍摄系统，在考察任务区域定点拍摄，通过不同高度的飞行，前后对比进行拼图裁剪，以此提供可靠的空间地理数据，为线路的勘测设计选择制定可行方案。无人机代替人工勘察的方式，大大减少勘测的成本，以及勘测过程中的安全风险，避免了人工数据来源的单一、时效性差等问题。美国JLP公司使用eBee RTK无人机对，用了不到1个月的时间对人口密集，交通繁忙的洛杉矶至阿纳海姆市的铁路廊道进行勘测，采用无人机测绘，耗时是传统测绘技术的1/4，费用只有载人航空测绘的一半。尼日尔为指定铁路线网规划，首次利用无人机在500m海拔高度实施空中线路勘测地形勘测。对大面积的深山、冰田和湖泊等人工难以甚至无法到达的地区，进行超低空、超视距、低速度自动巡航，有效地达到线路勘测设计目的。大秦铁路勘测过程中，使用无人机航空测绘的图像进行选线分析，最终选取桑干河谷方案，使得线路运营里程缩短，农田占地面积减少[8]。青海省测绘勘测局使用无人机对库(库尔勒)格(尔木)铁路先期开工段勘测工作，获取30 km2*0.07m高分辨率影像2 500余张，总行程3 000 km，这是青海省首次在铁路线路工程勘测中使用低空无人机遥感系统测制大比例尺地形图，也是首次在高原沙漠、戈壁弱纹理地区成功进行影像匹配和3D产品的制作。

3.2 施工与监理

在施工监理方面，利用无人机提前采集施工现场的地形、道路和周围环境等情况，便于施工人员熟悉现场，保证设备顺利入场，从而尽快开展施工。无人机也可对施工细节进行判别，纠正工序错乱、区域段人工的分配不均、工程器械货物堆积无序、施工中人员违章作业等问题，及时掌握施工进度情况。而对于工程质量要求更高的桥梁部分，人工排查作业面狭窄，工作量过大，无人机的高空悬停，高像素专业摄像拍照等特点，对高架桥在施工中因不同时间段所引起的不同问题进行分析，也可提前判断可施工性以及恶劣天气带来的风险情况。中铁武汉电气化局集团公司使用无人机，在娄邵线进行了无人机在铁路工程中的应用飞行测试研究，检测铁路工程施工、建材准备情况、规划建材运输和施工路线，及时调运材料，降低公众干扰，保证施工进度[9]。中铁四局瑞(昌)九(江)铁路RJZQ-2标项目(五公司)、中铁十一局安(顺)六(盘水)铁路项目部、中铁二十一局二公司干武二线、中铁上海局五公司徐盐铁路站前Ⅵ标工程项目、中铁十五局集团城轨公司郑州轨道交通5号线1标西沙明挖工区、中铁一局五公司成昆铁路永仁至广通段扩能工程蜻蛉河双线特大桥均使用无人机对施工进行监管。此外，无人机还可以直接参与施工项目，以提高施工效率，减少施工成本以及对周边环境的破坏作用。例如中铁一局电务公司在银西高铁施工过程中，首度利用六旋翼无人机放线，完成铁路电网的施工建设，极大地提高了工作效率。据印度报业托拉斯(PTI)新闻发布机构报道，使用无人机进行约170个铁路项目施工进度、施工质量等问题得到良好的应用成效，极大地节约了人工监理的成本。

3.3 运营巡检

无人机运营巡检在轨道的应用有效地代替了传统巡检手段的不准确性、不及时性。目前对铁路线路的检测方式是采用固定检测和移动检测相结合的综合检测技术，在设置固定检测装置的同时，通过高速综合检测列车，对轨道、接触网和通信信号等实施定期综合检测。根据检测结果，分析基础设施对高速列车运行性能的影响，预测基础设施损伤规律，指导养护维修。但是，使用检测车或者固定检测装置，无法全面细致地检测出铁路周边环境，尤其是不良地质路段或者大跨度桥梁。使用无人机对铁路进行运营巡检，一是可以有效排查潜在的危险，例如隧道、路堑地带的危石，被盗窃的铁路电缆，维修作业结束后遗留在现场的物品等等，有效避免了由于传统的排查手段不容易查出的死角，同时还大大减少了前期工作量。二是可以免除职工高强度巡查作业带来的安全风险，例如工务部门的攀岩作业，供电部门的接触网攀登等等，有效确保广大铁路职工的人身劳动安全。三是提升巡检作业效率，又能激发职工创新作业意识。例如桂林高铁工务段仅用13 d就顺利完成了桥隧设备秋检秋鉴和36座隧道进出口边仰坡、114座桥梁的影像资料收集工作。而传统的巡检，至少要好几个月。

目前，国外很多铁路公司使用无人机对铁路进行巡检。美国BNSF公司使用波音子公司Insitu公司出品的ScanEagle无人机对铁路与铁道设施进行安全检测，拍摄的图像视频可生成生成3D画面，并用来检查分析铁路存在的问题。法国铁路近年来开始使用无人机对线路、桥隧、车站、电力设施等基础设施的一些维修人员难以进入的区域进行检测监测。日本铁道综研所开发了“利用激光和无人机的落石危险度评价系统”，通过无人机航拍来获取被测岩体的形状和裂纹信息，可以有效确定有落石危险的岩体。国内一些铁路站段也开始使用无人机进行运营巡检。据报道，沈阳供电段使用无人机巡检供电线路；阎良工务段、桂林高铁工务段、贵阳工务段、南昌西高铁工务段等使用无人机排查铁路沿线的危险岩石。

3.4 应急救援

传统的救援不及时性、不规范性、盲目性这一直是救援人员困惑的问题。工作人员密集，普通的救援存在各种局限性，参与救援设备不能及时地到达指定场地，指挥人员了解事故地不及时发现问题。但是通过无人机在救援现场领空的飞行，俯瞰事故现场整体毁伤情况及周围交通情况，方便指挥人员及时了解现场情况，指挥部通过无人机飞行将现场情况图像传输到指挥中心，及时地制定其最佳的救援方案，对指挥救援决策有重要作用[10]，并了解人员以及特定区域设备毁伤情况。熊本地震发生后，日本铁路派出无人机，在震区南阿苏铁路线上的白川一桥上空进行调查，这是日本铁路首次利用无人机对地震受灾情况进行调查和评估。印度铁路也在事故发生后使用无人机评估地面情况。

4 结语

无人机应用于轨道交通行业，这是一项成本低廉、快速有效的新型检测设备。能实现定点定位、定点判断、定点发现，并能够快速提供空间信息及监测部位和轨道施工建设中的一些信息。在轨道交通行业的应用，不管是线路的勘设计还是施工的监理，不管是线路的运营巡检还是参与应用救援都有着显著的特点，为快速效率化建设奠定良好的基础，极大地提高工作质量与效率。

[1]吴小椿.无人机问世之处[J].航空知识,2001(2):30-32.

[2]宋子善,沈为群.无人直升机综合飞行控制系统设计[J].北京航空航天大学学报,1999.25(3)：280-283.

[3]焦国力.浅谈无人机的发展与变迁[J].航空知识,2003(2):41-43.

[4]秦博、王蕾.无人机发展综述[J].航空知识,2002(8):4-10.

[5]孙锋.建设将无人机技术应用于我国国防工作中[J].中国水利, 2007(7):60-60.

[6]康煜,武斌.无人机在油气长输管道中的应用[J].当代化工,2015 (8):44-47.

[7]李营,张峰,肖如林,等.无人机影像高铁竣工环保验收信息分类体系研究[J].铁道工程学报,2011,7(7):106-111.

[8]景瑞.低空无人机航测技术在铁路勘测设计中的应用[J].华北国土资源,2016(1):65-66.

[9]胡安富,张万全,李顺成.无人机在铁路工程建设中的应用与思考[J].通信电源技术,2016,33(4):246-249.

[10]景瑞.无人机航拍在铁路事故救援中的应用思考[J].铁路通信信号工程技术,2016,2(1):48-51.

（编辑：刘楠）

Application of the UAV in the Rail Transportation Industry

Zhan Changxi,JiHaowei,Xiao Yisu,Yue Yang
(Nanjing Railway Vocational and Technical College,Jiangsu Locomotive College,Nanjing Jiangsu 210000)

Through the development of UAV,this paper puts forward the application of the UAV in the rail transportation industry, which hopes to provide some help for the developmentof UAV.

UAV;rail transit;application

F275

A

2095-0748(2016)24-0041-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.16

2016-12-01

基金来源：2016年江苏省高等学校大学生创新创业计划(201613106011Y)

嵇昊威（1986—），男，博士，现就职于南京铁道职业技术学院，讲师。