小型無人機(jī)在公路巡查中的應(yīng)用前景展望

常德強(qiáng) 黃海峰

（徐州市賈汪區(qū)公路管理站，江蘇 徐州221000）

0 引言

目前，公路巡查是公路管理的一項主要業(yè)務(wù)，分為路政巡查與養(yǎng)護(hù)巡查，分別由路政和養(yǎng)護(hù)兩個部門安排汽車上路。 這樣基于一類的事情，需要上路兩次，發(fā)現(xiàn)問題后，回到單位錄入計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，不僅浪費人力物力，而且極大地降低了效率。

交通線路分布點多面廣，所處地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工巡查方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對農(nóng)村地區(qū)和大范圍路網(wǎng)的交通線路的巡查，以及在冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡、夜晚期間公路巡查，所花時間長、人力成本高、距離遠(yuǎn)、困難大。

以徐州市賈汪區(qū)公路管理站目前人員構(gòu)成及所轄公路情況進(jìn)行分析。 我單位有工作人員80 人，負(fù)責(zé)管養(yǎng)的全區(qū)干線公路里程71.47公里，其中國道62.365 公里、省道9.105 公里；農(nóng)村公路876.77 公里，其中縣道163.483 公里、鄉(xiāng)道320.896 公里，村道392.391 公里。 全區(qū)道路里程總計948.24 公里。公路密度達(dá)到1.375 公里/平方公里。全區(qū)公路橋梁共有270 座，國省道干線公路橋梁19 座，縣道橋梁66 座，鄉(xiāng)村道橋梁185 座。近年來管養(yǎng)人員嚴(yán)重不足，加之轄區(qū)農(nóng)村線路較多，日常檢修、設(shè)備維護(hù)、工程建設(shè)等其它工作影響，道路巡查頻率和及時性始終無法得到保證。 因此我單位不斷進(jìn)行調(diào)研與探索，嘗試一種全新的方式途徑來解決這一棘手問題。

無人機(jī)（unmanned aerial vehicle, UAV），是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。利用無人飛機(jī)進(jìn)行公路巡查研究需要跨多個高技術(shù)專業(yè)，研究深度和水平要求較高，是一項剛剛起步的新技術(shù)，目前已在電力巡線、治安監(jiān)控等方面進(jìn)行應(yīng)用。與常規(guī)人工巡查方法相比較，此項技術(shù)更為先進(jìn)有效，可以成為保障線路安全運行的一種新的經(jīng)濟(jì)可行的手段。

1 現(xiàn)代無人飛機(jī)性能簡介

現(xiàn)代無人飛機(jī)是一個復(fù)雜的集航空、電子、電力、偵察、地理信息、圖像識別等一體化系統(tǒng)，涉及航空、飛行自動控制、通信、數(shù)據(jù)鏈、紅外識別、地理信息、衛(wèi)星導(dǎo)航等多個高尖技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)代無人飛機(jī)由于具備高空、遠(yuǎn)距離、快速作業(yè)的能力，在測繪、航拍、運動、軍事、偵察、抗災(zāi)等方面得到應(yīng)用，并且由于無人機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)鏈控制、地理匹配控制、GPS 衛(wèi)星定位控制，控制操作過程簡單可靠、運行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性能高（一般無人飛機(jī)工作成本是有人飛機(jī)1/10左右），不受氣候的影響，續(xù)航能力長，速度快（是人力的10 倍以上），現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)現(xiàn)代無人飛機(jī)代替有人飛機(jī)進(jìn)行各種工作的情況。

2 無人飛機(jī)公路巡查的關(guān)鍵技術(shù)

用無人飛機(jī)進(jìn)行全天候的公路巡查，應(yīng)該具備以下關(guān)鍵技術(shù)， 才能使無人飛機(jī)巡線進(jìn)入實用化：

（1）飛行控制技術(shù)：由地面控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行操控實時傳遞圖片或視頻， 方便巡查人員使用； 并且具備GPS 自主線路導(dǎo)航控制、地理匹配自動控制、線路自動跟蹤等飛行控制功能，使無人飛機(jī)巡線進(jìn)入全自動化飛行方向發(fā)展，使一條干線線路巡線全部工作小于半天時間。

（2）機(jī)體穩(wěn)定飛行技術(shù)：無人機(jī)飛行穩(wěn)定，不抖動，或者具備攜帶穩(wěn)定能力的攝像平臺，可以安裝可見、紅外熱像攝像設(shè)備，具備攝像設(shè)備自動控制攝像功能，便于進(jìn)行拍攝地面線路高分辨率航空影像。

（3）線路自動跟蹤識別技術(shù)、攝像快速對焦成像技術(shù)：一系列先進(jìn)測繪控制技術(shù)攝像快速曝光，生成高清晰的地面標(biāo)線、線路、樹木、橋梁、病害狀況等可見、紅外影像，最好應(yīng)兼容于當(dāng)前江蘇省公路系統(tǒng)采用的“江蘇公路協(xié)同工作平臺”，實現(xiàn)與“江公路協(xié)同工作平臺”的無縫對接。

3 無人飛機(jī)公路巡查的應(yīng)用情況

隨著GPS 定位技術(shù)的發(fā)展，自主導(dǎo)航設(shè)備日益微型化和底廉化，以及無人機(jī)制造技術(shù)的成熟，在民用領(lǐng)域的應(yīng)用已開逐步推廣，與此同時，數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的發(fā)展使航測告別了膠片時代，數(shù)碼攝影設(shè)備的體積和重量大大縮小，目前，5000 萬像素級別的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)的主機(jī)重量已低于1Kg，而普通民用小型無人機(jī)的重量也已在50Kg 以下。兩者的結(jié)合，改變了以往航拍時需要由空軍或?qū)I(yè)航拍部門駕駛的有人飛機(jī)來進(jìn)行，而使用單位無法實時利用的不足。 下面以零度智控公司研制的“雨燕”無人機(jī)航測系統(tǒng)為例來介紹一下其工作過程。

圖1 “雨燕”無人機(jī)航測系統(tǒng)

“雨燕”無人機(jī)重5 千克，翼展1.6 米。 有效載荷900 克，巡航速度50-70 千米/小時，升限達(dá)到海拔1500 米，續(xù)航時間45 分鐘。采用電池動力，維護(hù)保養(yǎng)方便；機(jī)體采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于運輸。

系統(tǒng)采用了先進(jìn)的GPS 導(dǎo)航全自動規(guī)劃，飛機(jī)航跡、高度和姿態(tài)高精度自動控制等第一系列先進(jìn)技術(shù)，讓無人機(jī)具備了良好的飛行性能，采用彈射起飛，不需要專門跑道，定點傘降回收。和有人飛機(jī)、直升機(jī)相比，陰、雨、霧等天氣對“雨燕”的限制要小得多。

“雨燕”無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以采用多種任務(wù)載荷。 比如民用的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，經(jīng)過一些必要的檢測后（用于后期照片處理時糾正圖象變形），加固安裝到具備穩(wěn)定能力的平臺上。再配合無人機(jī)良好的自控飛行能力，自動曝光攝影等一系列先進(jìn)技術(shù)就能讓“雨燕”可靠地高質(zhì)量地自動獲取高清晰測量級別的數(shù)碼航片。 再經(jīng)后期處理，就能得到高精度，高比例的地形圖。 2010 青海玉樹地震期間，“雨燕”無人機(jī)航攝系統(tǒng)就深入災(zāi)區(qū)，及時準(zhǔn)確的提供災(zāi)區(qū)1:500 的地形圖和大量正射影像的高清晰度數(shù)碼航片。

若采用“雨燕”無人機(jī)進(jìn)行公路巡查，可由2 人進(jìn)行，一人專職操縱飛機(jī)，一人監(jiān)視地面屏幕。發(fā)現(xiàn)可疑區(qū)段可懸?；蛘邅砘仫w行細(xì)查；實時監(jiān)視和錄像可同時進(jìn)行，還可進(jìn)行高清晰度的攝像，飛機(jī)飛回后進(jìn)行圖片分析。 如果采用GPS 自主線路導(dǎo)航控制、 地理匹配自動控制、線路自動跟蹤等飛行控制功能，使無人飛機(jī)巡查進(jìn)入可根據(jù)線路的走向、海拔高度、轉(zhuǎn)角等全自動化進(jìn)行線路跟蹤飛行控制。無人飛機(jī)飛行穩(wěn)定，具備攜帶穩(wěn)定能力的攝像平臺，同時安裝可見、紅外熱像攝像設(shè)備，具備攝像設(shè)備自動控制攝像功能，可以進(jìn)行拍攝地面線路的高分辨率航空影像?？梢杂行У谋O(jiān)控路面打谷曬糧，沿線秸稈焚燒，路面病害，車輛擁堵等情況。

4 無人飛機(jī)公路巡查的優(yōu)勢

利用無人機(jī)巡查，無人機(jī)作為先進(jìn)的生產(chǎn)工具和作業(yè)手段，與傳統(tǒng)巡查方式相比較具有多方面優(yōu)勢：

首先，設(shè)備投入省，類似“雨燕”無人機(jī)航攝系統(tǒng)自身體積小，所用的技術(shù)均為比較成熟的技術(shù)，在各領(lǐng)域都已大規(guī)模應(yīng)用，如GPS 導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)碼影像技術(shù)、無線電遙控等技術(shù)等。

第二，測量精度高，目前，專業(yè)民用數(shù)碼相機(jī)已達(dá)到5000 千萬像素的水平，分辨率已達(dá)到0.1 米，搭載在無人機(jī)上所拍攝的高清晰度數(shù)碼航片經(jīng)數(shù)字化處理后，可以有立體測圖方法，直接推算出數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model, DTM）。 并繪制出精確的大比例尺的地形圖。

圖2 無人機(jī)拍攝的道路畫面

第三，與常規(guī)人工巡查相比，不受地形限制、巡查效率大大提高、可將拍攝的數(shù)據(jù)帶回分析，使得巡視不留死角，降低人工勞動強(qiáng)度、減少作業(yè)風(fēng)險。

第四，與載人飛機(jī)和飛艇遙感相比，運營成本低，免去了調(diào)機(jī)、停機(jī)的費用和時間，而且不需要進(jìn)行飛行員培訓(xùn)、飛行申請，可快速的、隨時隨地進(jìn)行巡視。

第五，不受氣象、地理條件的影響。一般無人機(jī)巡查，無人駕駛，適應(yīng)更激烈的機(jī)動和更加惡劣的飛行環(huán)境，更適于執(zhí)行特殊時期危險性高的任務(wù)；不會造成人員傷亡風(fēng)險；生存能力強(qiáng)，機(jī)動性能好，使用方便、效率高；不受其環(huán)境地質(zhì)變化多樣的地震、塌方、泥石流、水侵、火災(zāi)、樹林生長、風(fēng)刮物等影響。

第六，可實現(xiàn)快速巡查，短時間內(nèi)快速獲取影像資料，實時回傳，實時決策，效率是傳統(tǒng)人工巡查的數(shù)十倍；且比有人機(jī)、飛艇、衛(wèi)星快，費用低。

第七，小巧靈活。小型無人機(jī)單人攜帶，大型無人機(jī)只要一輛面包車就可以運輸，且不需要特別的起飛場地。配套設(shè)施簡單，外業(yè)只需一臺越野車、一臺筆記本電腦及一臺遙控裝置。內(nèi)業(yè)處理完全數(shù)字化，無需專用設(shè)備。

第八，使用和維護(hù)費用低、效率高，方便投運、容易掌握；一次投入后，每次巡查費用極少；由于無人飛機(jī)設(shè)備歸公路管理部門所有后，何時巡查可由自己決定；而租用有人直升機(jī)、氣艇，不但價格高，還處處受制于人和天氣，準(zhǔn)備時間長，不利于使用。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的人工巡查方法不僅工作量大而且效率底下，特別是在雨雪冰凍，泥石流，滑坡等惡劣地質(zhì)情況下存在在很大困難，有一些巡查項目靠常規(guī)方法根本就難以完成。 利用無人飛機(jī)巡查，可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，降低公路巡查的運行維護(hù)成本。

無人駕駛飛機(jī)機(jī)身輕巧，并裝載有先進(jìn)的航測系統(tǒng)，和有人飛機(jī)、直升機(jī)相比，受陰、雨、霧等天氣的限制要小得多。 這些優(yōu)越的性能使無人飛機(jī)成為公路巡查更為有效的工具。

無人飛機(jī)巡線還可以提高巡查作業(yè)的質(zhì)量和科學(xué)管理技術(shù)水平，可以增強(qiáng)公路管理自動化綜合能力， 創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 隨著公路通行可靠性指標(biāo)的要求越來越高，以及無人飛機(jī)巡查各種實踐內(nèi)容的不斷豐富，無人飛機(jī)巡查的優(yōu)越性將越來越突出。 無人飛機(jī)巡查必將成為一種快速、高效、大有發(fā)展前途的巡查方式。