摘要：隨著鐵路運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性日益凸顯，鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)營和高效維護(hù)成為了關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的鐵路巡檢方法存在效率低下和成本高昂的缺陷，迫切需要技術(shù)創(chuàng)新來提升監(jiān)測(cè)能力和降低維護(hù)成本。該文提出了一種基于3D GIS和北斗高精定位的無人機(jī)鐵路智能巡檢技術(shù)，該技術(shù)借助無人機(jī)的靈活性和其搭載的高精度傳感器，結(jié)合3D GIS的三維可視化和北斗系統(tǒng)的精確定位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路線路的高效、精確巡檢。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；智能巡檢；3DGIS；北斗定位

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.056

中圖分類號(hào)：TN 96；TP 391.9；V 279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

Research and Application of Unmanned Aerial Vehicle Intelligent Railway Inspection Technology Based on 3D GIS and Beidou High-precision Positioning

ZHAO Qiang

（Beijing Quanlu Communication and Signal Research and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract： With the increasing importance of railway transportation in the national economy， the safe operation and efficient maintenance of railway 54a63d4551d9e0f56595f8a163dc6427systems have become key issues. The traditional railway inspection methods have shortcomings of low efficiency and high cost， and there is an urgent need for technological innovation to improve monitoring capabilities and reduce maintenance costs. This article proposes an unmanned aerial vehicle （UAV） intelligent railway inspection technology based on 3D GIS and high-precision positioning of BeiDou. This technology utilizes the flexibility of UAVs and their high-precision sensors， combined with the 3D visualization of 3D GIS and the precise positioning of BeiDou system， to achieve efficient and accurate inspection of railway lines.

Keywords： drones; intelligent inspection; 3DGIS; Beidou positioning

1 無人機(jī)鐵路智能巡檢技術(shù)的研究意義

鐵路系統(tǒng)作為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，保障其運(yùn)營安全和提高運(yùn)營效率對(duì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。然而，當(dāng)前鐵路系統(tǒng)在安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和維護(hù)方面存在一定的技術(shù)瓶頸[1-3]，需要通過技術(shù)創(chuàng)新，提升鐵路系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力，降低維護(hù)成本，增強(qiáng)鐵路線網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。智能無人機(jī)巡檢不僅可充分發(fā)揮無人機(jī)的靈活性和可達(dá)性，提供從空中角度的鐵路監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過搭載高精度北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線精確的位置定位與實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)于確保鐵路運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性具有極其重要的意義。

2 3D GIS技術(shù)和北斗高精定位技術(shù)應(yīng)用

于無人機(jī)鐵路智能巡檢的基本原理

2.1 3D GIS技術(shù)

三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）是一種集成了傳統(tǒng)二維GIS與三維建模技術(shù)的先進(jìn)信息系統(tǒng)[4-5]。這種技術(shù)通過創(chuàng)建一個(gè)接近現(xiàn)實(shí)的三維虛擬環(huán)境，可以用于模擬、分析和可視化地理空間數(shù)據(jù)。在鐵路智能巡檢中，3D GIS能夠提供鐵路線路及其周邊環(huán)境的精確三維模型，為無人機(jī)的飛行路徑規(guī)劃、障礙物規(guī)避和巡檢區(qū)域的三維可視化提供強(qiáng)有力的支持[6]。

2.2 北斗高精導(dǎo)航技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供全球范圍內(nèi)的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)[7-8]。北斗系統(tǒng)的高精度定位功能對(duì)于無人機(jī)航飛巡檢至關(guān)重要，它能夠確保無人機(jī)在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)的精確制導(dǎo)，以及對(duì)巡檢數(shù)據(jù)的精確地理標(biāo)記。

2.3 應(yīng)用原理

在無人機(jī)航飛巡檢中，3D GIS技術(shù)和北斗高精導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合為無人機(jī)提供了一個(gè)精確、安全的飛行環(huán)境。首先，3D GIS技術(shù)根據(jù)無人機(jī)的飛行性能和巡檢需求，結(jié)合鐵路線路及其周邊環(huán)境的三維模型，為無人機(jī)生成一條最優(yōu)的飛行路徑。其次，北斗高精導(dǎo)航技術(shù)為無人機(jī)提供了實(shí)時(shí)的高精度定位信息，使無人機(jī)能夠嚴(yán)格按照預(yù)定路徑飛行，即使在GPS信號(hào)微弱或受阻的環(huán)境中也能保持精確導(dǎo)航。此外，北斗系統(tǒng)的時(shí)間戳功能能夠?yàn)闊o人機(jī)拍攝的影像和收集的數(shù)據(jù)提供精確的時(shí)間標(biāo)記，這對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)同步和分析至關(guān)重要。

3 智能無人機(jī)巡檢的實(shí)現(xiàn)方案

3.1 前期硬件準(zhǔn)備

在進(jìn)行航飛巡檢作業(yè)前，需要完成固定機(jī)場(chǎng)的設(shè)備部署及固定機(jī)場(chǎng)相關(guān)的設(shè)備布置。其操作主要包含以下6個(gè)步驟：

（1）設(shè)備部署。使用前確認(rèn)固定機(jī)場(chǎng)內(nèi)電池槽內(nèi)至少有一組電池、至多3組，安裝固定機(jī)場(chǎng)配套的無人機(jī)鞋套，并加裝機(jī)載端控制盒。

（2）安裝無人機(jī)遙控器。若需要更換無人機(jī)遙控器，需要將無人機(jī)遙控器固定在桅桿背部靠上位置。固定步驟如下：

①拆下遙控器放置板。

圖1 桅桿上部實(shí)物圖

如圖1所示，桅桿內(nèi)的上部位置設(shè)有一個(gè)遙控器放置板，遙控器放置板兩端設(shè)有4個(gè)M4固定螺絲。

②將遙控器固定至遙控器放置板上。

將遙控器如圖2所示卡入遙控器放置板上，初步固定遙控器。

圖2 遙控器預(yù)安裝實(shí)物圖

③將遙控器拖板安裝至桅桿內(nèi)將裝有遙控器的遙控器放置板，通過兩端的4個(gè)M4螺絲固定至桅桿上，并將上圖中的遙控器充電口與數(shù)據(jù)口，分別插至遙控器的充電接口與數(shù)據(jù)口上。

最后，將遙控器固定塊貼緊遙控器，并緊固遙控器固定塊下方的固定螺絲。至此，遙控器安裝完畢，如圖3所示。

圖3 遙控器固定實(shí)物圖

（3）設(shè)備上電。固定機(jī)場(chǎng)內(nèi)置有不間斷電源，并配有蓄電池，可保證外部供電異常時(shí)，固定機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行。

（4）打開固定機(jī)場(chǎng)。使用固定機(jī)場(chǎng)上的HMI控制面板打開機(jī)場(chǎng)。

（5）無人機(jī)放置。機(jī)場(chǎng)本體處于已打開狀態(tài)下，將無人機(jī)放置于機(jī)場(chǎng)起降平臺(tái)上。完成后，復(fù)位機(jī)場(chǎng)。

（6）機(jī)場(chǎng)復(fù)位并切換為遠(yuǎn)程控制模式。按下固定機(jī)場(chǎng)上方的急停按鈕，觀察到機(jī)場(chǎng)三色狀態(tài)燈變?yōu)榧t色，機(jī)場(chǎng)停止所有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入急停狀態(tài)，點(diǎn)擊開關(guān)開啟遠(yuǎn)程控制模式。

3.2 遠(yuǎn)程執(zhí)行巡檢任務(wù)。

完成相關(guān)硬件部署及配置后，便可利用智能巡檢管控平臺(tái)遠(yuǎn)程下發(fā)任務(wù)，指派固定機(jī)場(chǎng)執(zhí)行巡檢任務(wù)。其主要包含以下5個(gè)步驟：

（1）登錄智能巡檢管控平臺(tái)。執(zhí)行無人機(jī)巡檢任務(wù)的首要步驟是操作人員通過安全的網(wǎng)絡(luò)連接登錄到智能巡檢管控平臺(tái)。該平臺(tái)是整個(gè)巡檢任務(wù)的指揮中心，負(fù)責(zé)任務(wù)的下發(fā)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。

（2）創(chuàng)建巡檢數(shù)據(jù)。創(chuàng)建巡檢數(shù)據(jù)這一步驟涉及輸入和確認(rèn)無人機(jī)巡檢任務(wù)所需的所有參數(shù)，包括巡檢區(qū)域的地理信息、預(yù)期的飛行高度、速度、相機(jī)參數(shù)設(shè)置以及其他巡檢相關(guān)的細(xì)節(jié)。

（3）創(chuàng)建、下發(fā)巡檢計(jì)劃。操作人員需在平臺(tái)上定義巡檢任務(wù)的時(shí)間、路徑和參數(shù)，然后生成巡檢計(jì)劃。該計(jì)劃包括飛行航線的規(guī)劃、預(yù)計(jì)的飛行時(shí)間和關(guān)鍵的檢查點(diǎn)。計(jì)劃制定完成后，通過平臺(tái)下發(fā)至固定機(jī)場(chǎng)的無人機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)接收到任務(wù)指令后，將準(zhǔn)備執(zhí)行巡檢任務(wù)。

（4）巡檢計(jì)劃執(zhí)行及狀況監(jiān)控。操作人員可以通過平臺(tái)的界面實(shí)時(shí)接收無人機(jī)傳回的影像數(shù)據(jù)和傳感器信息，同時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行路徑、速度、高度和電池狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)。

（5）巡檢結(jié)果查看、下載。智能巡檢管控平臺(tái)將同步無人機(jī)在巡檢過程中收集的所有數(shù)據(jù)，包括高清影像、傳感器檢測(cè)結(jié)果和飛行日志等。操作人員可以在平臺(tái)上查看巡檢結(jié)果，進(jìn)行初步分析，并根據(jù)需要下載相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 智能無人機(jī)巡檢的關(guān)鍵技術(shù)

（1）北斗高精定位集成：集成北斗高精度定位系統(tǒng)于無人機(jī)，為機(jī)載檢測(cè)設(shè)備提供精準(zhǔn)的地理位置數(shù)據(jù)，支撐精確的飛行導(dǎo)航和作業(yè)定位，特別是在復(fù)雜的鐵路環(huán)境中。

（2）多元傳感器同步：利用北斗定位精準(zhǔn)同步雷達(dá)、紅外傳感器與電磁感應(yīng)等設(shè)備，提高傳感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，確保數(shù)據(jù)采集的高質(zhì)量執(zhí)行。

（3）智能調(diào)度算法：采用基于北斗數(shù)據(jù)的智能調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)群的高效作業(yè)規(guī)劃與任務(wù)分配，增強(qiáng)復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)急響應(yīng)能力。

（4）云端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流與位置同步：利用北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)群之間及與地面控制中心的云端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流和位置同步服務(wù)，保證任務(wù)執(zhí)行過程中的協(xié)同與同步精準(zhǔn)。

5 智能無人機(jī)巡檢技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和可

推廣性

5.1 應(yīng)用價(jià)值

智能無人機(jī)鐵路航飛巡檢技術(shù)可以顯著提升鐵路線路監(jiān)測(cè)的效率和質(zhì)量，同時(shí)降低人力成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性和搭載的高精度傳感器，使其能夠快速覆蓋廣闊區(qū)域，對(duì)鐵路線路進(jìn)行細(xì)致的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷潛在的結(jié)構(gòu)問題和安全隱患。通過智能分析系統(tǒng)，無人機(jī)收集的大量數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為科學(xué)的決策支持，優(yōu)化鐵路線路的維護(hù)計(jì)劃和提升服務(wù)水平。

5.2 可推廣性

智能無人機(jī)鐵路航飛巡檢技術(shù)不僅適用于鐵路行業(yè)，還可以擴(kuò)展至其他交通基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如城市軌道交通、高速公路、橋梁和隧道等。無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在各種地形和氣候條件下執(zhí)行任務(wù)，使其在全球范圍內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，無人機(jī)技術(shù)可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景定制開發(fā)，滿足城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等多樣化需求。

6 結(jié)束語

本文對(duì)基于3D GIS和北斗高精定位的無人機(jī)鐵路智能巡檢技術(shù)進(jìn)行了深入研究，展示了其在鐵路系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和維護(hù)中的應(yīng)用潛力。通過無人機(jī)航飛巡檢技術(shù)，不僅提高了鐵路線路的巡檢效率和安全性，而且降低了人力成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，為提升鐵路系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。未來，相關(guān)研究應(yīng)致力于技術(shù)的迭代與設(shè)備升級(jí)，包括跨領(lǐng)域技術(shù)融合，如將人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于北斗高精定位系統(tǒng)，以提升無人機(jī)機(jī)載檢測(cè)設(shè)備的智能識(shí)別與處理能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛道安，劉金朝，楊飛，等．高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究與實(shí)踐[J]．中國鐵路，2024（2）：1-11．

[2] 蔡軍．重載鐵路公專網(wǎng)車-地通信監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2024，21（2）：48-53．

[3] Witlox F， Zwanikken T， Jehee L， et al. Changing tracks： identifying and tackling bottlenecks in European rail passenger transport[J]. European Transport Research Review，2022， 14（1）： 7.

[4] 倪葦，許興旺，張坤．基于開源3DGIS引擎的鐵路工程BIM建造數(shù)字化平臺(tái)應(yīng)用研究[J]．鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2023（4）：79-83．

[5]李序安．工程測(cè)量中的三維GIS技術(shù)分析[J]．信息系統(tǒng)工程，2023（7）：39-42．

[6] Zlatanova S， Rahman A A， Pilouk M. Trends in 3D GIS development[J]. Journal of Geospatial Engineering， 2002， 4（2）： 71-80.

[7] Yang Y， Gao W， Guo S， et al. Introduction to BeiDou‐3 navigation satellite system[J]. Navigation， 2019， 66（1）： 7-18.

[8] Han C， Yang Y， Cai Z. BeiDou navigation satellite system and its time scales[J]. Metrologia， 2011， 48（4）： S213.