基于无人机的重载铁路线桥隧巡检作业体系研究

潘振 马战国 段培勇 袁磊 李尧 杜翠

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

朔黄铁路是我国西煤东运的第二大通道，是国家能源集团矿石、铁路、港口、电力、航运、石油一体化工程的重要组成部分。朔黄铁路沿线穿越太行山、恒山、云中山等山脉，地形地貌复杂，山高谷深，桥梁、隧道和高填路堤众多。随着货车轴重提高、长大编组重载列车开行，线桥隧设备劣化速率加快，病害增多，对线桥隧的检测和维护提出了更高要求。而无人机技术的商用推广为铁路线桥隧巡检提供了新途径。日本、法国、美国、英国、澳大利亚、荷兰等国家利用无人机对钢轨、桥梁服役状态进行检查，取得了较好效果。中国铁路成都局、南昌局、北京局、武汉局利用无人机开展桥梁、路基、沿线地质灾害、周边环境巡检［1-3］，有效减轻了线路巡检人员工作强度，降低了人员和设备风险。本文结合朔黄铁路现状及相关标准，分析无人机巡检需求，从无人机平台和载荷、巡检作业模式、巡检系统和标准体系四个方面，提出朔黄铁路无人机线桥隧巡检作业体系。

1 无人机巡检需求分析

朔黄铁路沿线存在气象灾害诱发滑坡、崩塌等次生地质灾害的安全隐患，而且这些区域检查人员难以到达，检查工作效率低、效果差，劳动安全隐患大。近年来朔黄铁路运量、行车密度增大，线桥隧的伤损、劣化加快。目前利用综合检测车、探伤车等基本实现了轨道结构的检测。因此，重点利用无人机对桥梁、隧道、路基边坡开展巡检作业。

朔黄铁路桥梁主要为混凝土桥梁，病害主要表现为裂缝、破损、蜂窝麻面等。根据TG/GW 103—2018《普速铁路桥隧建筑物修理规则》，混凝土梁裂缝宽度达到0.2 mm时其劣化等级为B级，需维修整治，因此混凝土铁路桥梁无人机巡检的检测精度至少满足识别0.2 mm宽裂缝的要求。

朔黄铁路隧道洞口、路基存在崩塌落石、边坡溜坍、排水设施淤塞等风险，边坡存在冲刷、开裂、片石脱落等病害，可能会直接影响行车安全，在无人机巡检过程中需重点关注。

2 无人机平台及载荷

2.1 无人机平台

各固定翼无人机比较难操作，起飞时对场地要求比较苛刻，危险系数比较高，但是它的续航时间比较长，适合大面积作业。多旋翼无人机操作流程简单，无需特定场地起飞，可垂直起降，相对安全，但是它的飞行时间比较短，效率较低。垂直起降固定翼无人机结合了固定翼与多旋翼工作方式，可在狭小范围内起降，不需要跑道或弹射装置；能长距离、长航时作业；既可悬停作业又可高航速作业，更加适应复杂的作业环境，但是体积比较大，运输不方便。综合各类无人机特点，建议采用多旋翼无人机。铁路桥梁、隧道洞口的巡检面积较小，路基边坡检测距离可能较长，可分阶段进行检测。检测时携带备用电池，可以弥补多旋翼无人机飞行时间比较短的缺点，满足线桥隧巡检作业要求。

国内外无人机品牌中，知名度及技术水平较高的有大疆、飞马、中科遥感、零度智控、极飞科技、亿航、昊翔、星图、派诺特、因诺航空等。

大疆行业级产品中，飞行平台主要有御2与经纬M300RTK。御2起飞重量（无配件）仅909 g，续航时长仅31 min。经纬M300RTK拥有55 min长续航、负载大、六向定位避障等优势。综合考虑铁路线桥隧的任务要求，拟选用大疆M300RTK无人机。

2.2 无人机载荷

无人机载荷主要有倾斜摄影、激光雷达、热红外相机、多光谱相机、高光谱相机、空中气体检测仪、空中探照灯等。无人机航测主要采用的载荷是摄影相机、机载激光雷达和红外摄像机。

针对线桥隧巡检特点，配合多旋翼M300RTK无人机平台，选择大疆L1激光雷达和大疆P1、H20等相机采集数据。

1）大疆L1激光雷达：集成Livox激光雷达、高精度惯导、测绘相机和三轴云台，可搭配经纬M300 RTK和大疆智图，实现全天候、高效率实时三维数据获取以及复杂场景下高精度后处理三维模型的构建。

2）大疆P1相机：集成全画幅图像传感器与三轴云台，支持多款定焦镜头，高性能、多用途。

3）大疆H20相机：集成2 000万像素变焦相机、1 200万像素广角相机和1 200 m激光测距仪。

3 无人机巡检作业模式

3.1 巡检作业要求

作业前要对航测涉及区域进行风险评估。关注的目标包括机场、军事设施、重要建筑物、高大建筑物、高压电塔、植被，还需看是否满足飞行条件。必要时进行空域申请，将设置的作业航线与允许飞行的空域进行对比，确保飞行条件的可操作性。

根据铁路工务运维不同应用场景、铁路线路走向和巡检作业的相关要素，设计并确定无人机平台的飞行轨迹、飞行高度、载荷触发动作等，包括起飞点和降落点的设定、航线规划、校准点布设等。

3.2 桥梁巡检作业模式

重载铁路桥梁以T梁为主，对一孔32 m简支T梁的单侧面进行贴近摄影测量，该梁梁高2.5 m，纵向每4 m设置1道横隔板。采用正摄+俯仰交向摄影，最多采集像片80张，现场作业时长16.9 min。结果见图1。

图1 32 m T梁单侧面巡检结果

3.3 路基边坡巡检作业模式

采用竖直摄影方式采集路基边坡坡面图像，将主光轴oO近似垂直于坡面，相机镜头倾角θ等于坡面倾角β，如图2（a）所示。采用此方式采集的坡面图像，不容易出现变形，能够直观表现坡面特征。对于台阶式边坡，存在每级坡β不同的问题。此时，θ需要根据β的改变作出调整，始终保持θ≈β。

图2 路基边坡拍摄方式示意

路基截水沟呈凹形，如果无人机在拍摄时采用与边坡截水沟同样的角度，部分区域会位于相机采集盲区。边坡的截水沟是根据每个边坡的地质条件、所处的环境等设计的，大小规格不一样。因此，采用主光轴垂直于沟底的方式采集图像，主光轴在K1K＇1范围内［图2（b）］，操作简单，可避免出现采集盲区。

3.4 隧道洞口巡检作业模式

根据隧道洞口仰坡环境和特点，将隧道洞口巡检分为区域整体巡检、重点区域巡检和高危病害定制巡检三部分并规划不同的航线。

区域整体巡检的目的是采集隧道洞口及仰坡全测区倾斜摄影数据和点云数据，建立三维模型。

重点区域巡检是在取得区域整体巡检数据后，对其查看、分析，找出值得关注的重点区域（发现问题点或病害点所在区域），再根据重点区域来制定巡检航线。重点区域巡检需要贴近悬停至病害区域，调整至最好观测角度，以采集病害区域更加清晰的图像数据。

高危病害定制巡检是针对重点区域巡查中发现的对线路运营具有较大危害性或处于进展中的病害，如稳定性较差的危岩或新生扩展裂缝等，进行近距离高频次观测。

4 无人机巡检系统

无人机巡检系统包括无人机作业管控、数据存储及智能识别、数据统计分析和综合展示三部分。

4.1 无人机作业管控

①空域申请。根据《中华人民共和国飞行基本规则》等相关规定，与相关管理部门协调建立统一空域申请渠道和定期协商机制，便于集中管理飞行计划。②飞行计划。系统中嵌入空域申请和状态管理功能，建立巡检工单，负责对飞行计划进行审批和管理。③巡检任务管理。对巡检任务进行申报、审批、派发和报备，并跟踪、监视任务的执行进度。④自主航线规划。根据地图和地形信息数据、天气数据、任务内容对巡检任务进行分析，规划出最优飞行航线。

4.2 无人机巡检数据存储及智能识别

利用无人机完成巡检数据采集后，通过内网上传到海量存储阵列，作为原始数据进行存储。在GPU服务器上部署智能识别程序，通过网络方式共享访问海量存储阵列中的图像数据，进行病害的智能识别。识别结果也存储在海量存储阵列，见图3。

图3 无人机巡检数据存储及智能识别

病害自动识别算法流程见图4。首先建立样本库，使用标注工具对图像进行像素级语义分割标注，建立病害样本数据集，按一定比例分为训练集和验证集；然后构建基于编码（ResNet18网络）-解码（PPM网络）架构的深度神经网络伤损分割模型［4］，将训练集中的图片输入到分割模型的编码网络中提取特征信息，输入到解码网络中生成对象分割结果，持续进行模型训练；最后通过验证集对模型识别能力进行评估，找到最优的模型参数，实现对病害的自动化检测、病害趋势分析和状态评定。

图4 病害智能识别算法流程

4.3 巡检数据统计分析与综合展示

Web服务器通过网络方式共享访问海量存储阵列中的图像数据和病害识别结果，对巡检数据进行统计分析，结合三维GIS（Geographic Information System）将巡检结果进行综合展示。

巡检数据的统计分析主要内容是：

1）统计病害空间分布。基于工务设备病害分级分类标准，无人机巡检系统将线桥隧无人机巡检发现的结构病害在空间维度上进行展示，便于工务管理部门掌握该设备健康状况，并制定相应的维修方案。

2）病害发展趋势分析。无人机巡检系统对检测到的同一病害在时间维度上进行展示，揭示此处病害在过去某个时间范围内的发展、演变趋势，为设备劣化预测提供数据支持。

3）生成巡检报告。无人机巡检系统自动生成月报、季报、年报等周期性巡检报告。根据需要，工务部门可以选择重点关注的工务设备结构病害的演变过程进行分析、研判，并自动生成结构病害的巡检报告。

无人机巡检结果综合展示是将巡检结果以表格、图片等方式对结果进行展示，并结合GIS和BIM（Building Information Modeling）展示病害位置。基于三维GIS平台，集成BIM、影像、地形、倾斜摄影、激光点云等，实现BIM数据与多源数据的融合，对病害所在位置进行显示，并可以点击查询病害类型、大小、历史发展等详细信息，实现宏观、全面的展示与管理。

5 标准体系

参考无人机巡检智能管理系统，考虑铁路无人机巡检管理、技术需求，建议分类编制标准。

1）管理类标准：①铁路无人机巡检空域申请与巡检计划管理。规定无人机空域申请、巡检航线规划的流程、要求等内容。②铁路无人机巡检作业安全工作规程。规定无人机巡检安全工作的一般要求、保证安全的组织和技术措施、安全注意事项、巡检作业异常处理等内容。③铁路行业无人机巡检作业人员培训考核规范。规定无人机巡检作业人员培训应达到的能力。④铁路无人机巡检应急处置制度。规定应急处置的响应机制、组织机构、应急处置工作流程等。

2）技术类标准：①铁路无人机巡检分类和配置原则。根据无人机巡检应用场景，对不同使用条件下无人机及其载荷的功能、性能指标进行细化，规范无人机适配性，建立不同场景下的配置原则。②铁路无人机巡检作业技术条件。规定采用无人机对铁路巡检的作业要求、准备工作、方式及方法、模式及内容、资料的整理及移交、异常情况处置等。③铁路无人机巡检数据处理、移交与验收规范。规定采用无人机对铁路巡检时数据自动采集和处理的要求，包括图片、点云数据的采集方式、数据处理及其质量要求等。

6 结论

1）在对比分析国内外无人机类型及特点的基础上，建议采用大疆M300RTK无人机，并根据需要搭载P1、H20相机和L1激光雷达。

2）根据桥梁、路基边坡、隧道洞口的巡检要求，提出了线桥隧巡检作业模式。

3）从无人机作业管控、数据存储及智能识别、统计分析和综合展示三个方面开发了无人机巡检系统。

4）建议编制铁路无人机巡检空域申请与巡检计划管理，铁路无人机巡检数据处理、移交与验收规范等管理类和技术类标准。