潘振 馬戰(zhàn)國(guó) 段培勇 袁磊 李堯 杜翠

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

朔黃鐵路是我國(guó)西煤東運(yùn)的第二大通道，是國(guó)家能源集團(tuán)礦石、鐵路、港口、電力、航運(yùn)、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(fù)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(zhǎng)大編組重載列車開(kāi)行，線橋隧設(shè)備劣化速率加快，病害增多，對(duì)線橋隧的檢測(cè)和維護(hù)提出了更高要求。而無(wú)人機(jī)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(guó)、美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、荷蘭等國(guó)家利用無(wú)人機(jī)對(duì)鋼軌、橋梁服役狀態(tài)進(jìn)行檢查，取得了較好效果。中國(guó)鐵路成都局、南昌局、北京局、武漢局利用無(wú)人機(jī)開(kāi)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(qiáng)度，降低了人員和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合朔黃鐵路現(xiàn)狀及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析無(wú)人機(jī)巡檢需求，從無(wú)人機(jī)平臺(tái)和載荷、巡檢作業(yè)模式、巡檢系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)體系四個(gè)方面，提出朔黃鐵路無(wú)人機(jī)線橋隧巡檢作業(yè)體系。

1 無(wú)人機(jī)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(dá)，檢查工作效率低、效果差，勞動(dòng)安全隱患大。近年來(lái)朔黃鐵路運(yùn)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(cè)車、探傷車等基本實(shí)現(xiàn)了軌道結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。因此，重點(diǎn)利用無(wú)人機(jī)對(duì)橋梁、隧道、路基邊坡開(kāi)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(dá)到0.2 mm時(shí)其劣化等級(jí)為B級(jí)，需維修整治，因此混凝土鐵路橋梁無(wú)人機(jī)巡檢的檢測(cè)精度至少滿足識(shí)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(fēng)險(xiǎn)，邊坡存在沖刷、開(kāi)裂、片石脫落等病害，可能會(huì)直接影響行車安全，在無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注。

2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)及載荷

2.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

各固定翼無(wú)人機(jī)比較難操作，起飛時(shí)對(duì)場(chǎng)地要求比較苛刻，危險(xiǎn)系數(shù)比較高，但是它的續(xù)航時(shí)間比較長(zhǎng)，適合大面積作業(yè)。多旋翼無(wú)人機(jī)操作流程簡(jiǎn)單，無(wú)需特定場(chǎng)地起飛，可垂直起降，相對(duì)安全，但是它的飛行時(shí)間比較短，效率較低。垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)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(zhǎng)距離、長(zhǎng)航時(shí)作業(yè)；既可懸停作業(yè)又可高航速作業(yè)，更加適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，但是體積比較大，運(yùn)輸不方便。綜合各類無(wú)人機(jī)特點(diǎn)，建議采用多旋翼無(wú)人機(jī)。鐵路橋梁、隧道洞口的巡檢面積較小，路基邊坡檢測(cè)距離可能較長(zhǎng)，可分階段進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)攜帶備用電池，可以彌補(bǔ)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間比較短的缺點(diǎn)，滿足線橋隧巡檢作業(yè)要求。

國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)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(jí)產(chǎn)品中，飛行平臺(tái)主要有御2與經(jīng)緯M300RTK。御2起飛重量（無(wú)配件）僅909 g，續(xù)航時(shí)長(zhǎng)僅31 min。經(jīng)緯M300RTK擁有55 min長(zhǎng)續(xù)航、負(fù)載大、六向定位避障等優(yōu)勢(shì)。綜合考慮鐵路線橋隧的任務(wù)要求，擬選用大疆M300RTK無(wú)人機(jī)。

2.2 無(wú)人機(jī)載荷

無(wú)人機(jī)載荷主要有傾斜攝影、激光雷達(dá)、熱紅外相機(jī)、多光譜相機(jī)、高光譜相機(jī)、空中氣體檢測(cè)儀、空中探照燈等。無(wú)人機(jī)航測(cè)主要采用的載荷是攝影相機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)和紅外攝像機(jī)。

針對(duì)線橋隧巡檢特點(diǎn)，配合多旋翼M300RTK無(wú)人機(jī)平臺(tái)，選擇大疆L1激光雷達(dá)和大疆P1、H20等相機(jī)采集數(shù)據(jù)。

1）大疆L1激光雷達(dá)：集成Livox激光雷達(dá)、高精度慣導(dǎo)、測(cè)繪相機(jī)和三軸云臺(tái)，可搭配經(jīng)緯M300 RTK和大疆智圖，實(shí)現(xiàn)全天候、高效率實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)獲取以及復(fù)雜場(chǎng)景下高精度后處理三維模型的構(gòu)建。

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

3）大疆H20相機(jī)：集成2 000萬(wàn)像素變焦相機(jī)、1 200萬(wàn)像素廣角相機(jī)和1 200 m激光測(cè)距儀。

3 無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)模式

3.1 巡檢作業(yè)要求

作業(yè)前要對(duì)航測(cè)涉及區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。關(guān)注的目標(biāo)包括機(jī)場(chǎng)、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(shí)進(jìn)行空域申請(qǐng)，將設(shè)置的作業(yè)航線與允許飛行的空域進(jìn)行對(duì)比，確保飛行條件的可操作性。

根據(jù)鐵路工務(wù)運(yùn)維不同應(yīng)用場(chǎng)景、鐵路線路走向和巡檢作業(yè)的相關(guān)要素，設(shè)計(jì)并確定無(wú)人機(jī)平臺(tái)的飛行軌跡、飛行高度、載荷觸發(fā)動(dòng)作等，包括起飛點(diǎn)和降落點(diǎn)的設(shè)定、航線規(guī)劃、校準(zhǔn)點(diǎn)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(duì)一孔32 m簡(jiǎn)支T梁的單側(cè)面進(jìn)行貼近攝影測(cè)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(chǎng)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)16.9 min。結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 32 m T梁?jiǎn)蝹?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(jī)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(duì)于臺(tái)階式邊坡，存在每級(jí)坡β不同的問(wèn)題。此時(shí)，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(wú)人機(jī)在拍攝時(shí)采用與邊坡截水溝同樣的角度，部分區(qū)域會(huì)位于相機(jī)采集盲區(qū)。邊坡的截水溝是根據(jù)每個(gè)邊坡的地質(zhì)條件、所處的環(huán)境等設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(diǎn)，將隧道洞口巡檢分為區(qū)域整體巡檢、重點(diǎn)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(cè)區(qū)傾斜攝影數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立三維模型。

重點(diǎn)區(qū)域巡檢是在取得區(qū)域整體巡檢數(shù)據(jù)后，對(duì)其查看、分析，找出值得關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域（發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)或病害點(diǎn)所在區(qū)域），再根據(jù)重點(diǎn)區(qū)域來(lái)制定巡檢航線。重點(diǎn)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(cè)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(duì)重點(diǎn)區(qū)域巡查中發(fā)現(xiàn)的對(duì)線路運(yùn)營(yíng)具有較大危害性或處于進(jìn)展中的病害，如穩(wěn)定性較差的危巖或新生擴(kuò)展裂縫等，進(jìn)行近距離高頻次觀測(cè)。

4 無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)作業(yè)管控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及智能識(shí)別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和綜合展示三部分。

4.1 無(wú)人機(jī)作業(yè)管控

①空域申請(qǐng)。根據(jù)《中華人民共和國(guó)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(qǐng)渠道和定期協(xié)商機(jī)制，便于集中管理飛行計(jì)劃。②飛行計(jì)劃。系統(tǒng)中嵌入空域申請(qǐng)和狀態(tài)管理功能，建立巡檢工單，負(fù)責(zé)對(duì)飛行計(jì)劃進(jìn)行審批和管理。③巡檢任務(wù)管理。對(duì)巡檢任務(wù)進(jìn)行申報(bào)、審批、派發(fā)和報(bào)備，并跟蹤、監(jiān)視任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)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(duì)巡檢任務(wù)進(jìn)行分析，規(guī)劃出最優(yōu)飛行航線。

4.2 無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及智能識(shí)別

利用無(wú)人機(jī)完成巡檢數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)內(nèi)網(wǎng)上傳到海量存儲(chǔ)陣列，作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在GPU服務(wù)器上部署智能識(shí)別程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式共享訪問(wèn)海量存儲(chǔ)陣列中的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行病害的智能識(shí)別。識(shí)別結(jié)果也存儲(chǔ)在海量存儲(chǔ)陣列，見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及智能識(shí)別

病害自動(dòng)識(shí)別算法流程見(jiàn)圖4。首先建立樣本庫(kù)，使用標(biāo)注工具對(duì)圖像進(jìn)行像素級(jí)語(yǔ)義分割標(biāo)注，建立病害樣本數(shù)據(jù)集，按一定比例分為訓(xùn)練集和驗(yàn)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(xùn)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(duì)象分割結(jié)果，持續(xù)進(jìn)行模型訓(xùn)練；最后通過(guò)驗(yàn)證集對(duì)模型識(shí)別能力進(jìn)行評(píng)估，找到最優(yōu)的模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病害的自動(dòng)化檢測(cè)、病害趨勢(shì)分析和狀態(tài)評(píng)定。

圖4 病害智能識(shí)別算法流程

4.3 巡檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與綜合展示

Web服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式共享訪問(wèn)海量存儲(chǔ)陣列中的圖像數(shù)據(jù)和病害識(shí)別結(jié)果，對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合三維GIS（Geographic Information System）將巡檢結(jié)果進(jìn)行綜合展示。

巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析主要內(nèi)容是：

1）統(tǒng)計(jì)病害空間分布。基于工務(wù)設(shè)備病害分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)將線橋隧無(wú)人機(jī)巡檢發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)病害在空間維度上進(jìn)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(shì)分析。無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)到的同一病害在時(shí)間維度上進(jìn)行展示，揭示此處病害在過(guò)去某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的發(fā)展、演變趨勢(shì)，為設(shè)備劣化預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

3）生成巡檢報(bào)告。無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)自動(dòng)生成月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等周期性巡檢報(bào)告。根據(jù)需要，工務(wù)部門可以選擇重點(diǎn)關(guān)注的工務(wù)設(shè)備結(jié)構(gòu)病害的演變過(guò)程進(jìn)行分析、研判，并自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)病害的巡檢報(bào)告。

無(wú)人機(jī)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(duì)結(jié)果進(jìn)行展示，并結(jié)合GIS和BIM（Building Information Modeling）展示病害位置?；谌SGIS平臺(tái)，集成BIM、影像、地形、傾斜攝影、激光點(diǎn)云等，實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與多源數(shù)據(jù)的融合，對(duì)病害所在位置進(jìn)行顯示，并可以點(diǎn)擊查詢病害類型、大小、歷史發(fā)展等詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)宏觀、全面的展示與管理。

5 標(biāo)準(zhǔn)體系

參考無(wú)人機(jī)巡檢智能管理系統(tǒng)，考慮鐵路無(wú)人機(jī)巡檢管理、技術(shù)需求，建議分類編制標(biāo)準(zhǔn)。

1）管理類標(biāo)準(zhǔn)：①鐵路無(wú)人機(jī)巡檢空域申請(qǐng)與巡檢計(jì)劃管理。規(guī)定無(wú)人機(jī)空域申請(qǐng)、巡檢航線規(guī)劃的流程、要求等內(nèi)容。②鐵路無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)安全工作規(guī)程。規(guī)定無(wú)人機(jī)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(xiàng)、巡檢作業(yè)異常處理等內(nèi)容。③鐵路行業(yè)無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)人員培訓(xùn)考核規(guī)范。規(guī)定無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)人員培訓(xùn)應(yīng)達(dá)到的能力。④鐵路無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)急處置制度。規(guī)定應(yīng)急處置的響應(yīng)機(jī)制、組織機(jī)構(gòu)、應(yīng)急處置工作流程等。

2）技術(shù)類標(biāo)準(zhǔn)：①鐵路無(wú)人機(jī)巡檢分類和配置原則。根據(jù)無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)不同使用條件下無(wú)人機(jī)及其載荷的功能、性能指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，規(guī)范無(wú)人機(jī)適配性，建立不同場(chǎng)景下的配置原則。②鐵路無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)技術(shù)條件。規(guī)定采用無(wú)人機(jī)對(duì)鐵路巡檢的作業(yè)要求、準(zhǔn)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(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)處理、移交與驗(yàn)收規(guī)范。規(guī)定采用無(wú)人機(jī)對(duì)鐵路巡檢時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理的要求，包括圖片、點(diǎn)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(duì)比分析國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)類型及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建議采用大疆M300RTK無(wú)人機(jī)，并根據(jù)需要搭載P1、H20相機(jī)和L1激光雷達(dá)。

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(wú)人機(jī)作業(yè)管控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及智能識(shí)別、統(tǒng)計(jì)分析和綜合展示三個(gè)方面開(kāi)發(fā)了無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)。

4）建議編制鐵路無(wú)人機(jī)巡檢空域申請(qǐng)與巡檢計(jì)劃管理，鐵路無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)處理、移交與驗(yàn)收規(guī)范等管理類和技術(shù)類標(biāo)準(zhǔn)。