高速公路邊坡無人機巡查問題分析與探討

高昆　謝亮　呂夢

【摘 要】采用無人機技術，能夠提高高速公路外場作業(yè)的能力和效率，對應急處置快速反應、日常巡查管理都有十分重要的意義。但是無人機在執(zhí)行巡檢任務時，需要明確邊坡養(yǎng)護巡查的內容和要求，了解邊坡所處的周邊環(huán)境，清楚其用于邊坡巡查時受到的約束條件。根據(jù)上述三點內容，本文進行詳細的分析，希望對無人機在高速公路巡檢有所助益。

【關鍵字】高速公路；無人機；高邊坡；巡檢

中圖分類號： TM752 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0122-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.054

1 邊坡日常養(yǎng)護巡查要求及內容分類

一般來說，邊坡主要是指因為人類工程活動需要對地形、地勢進行改造而形成的坡地或坡面，分為自然斜坡和人工邊坡。高速公路邊坡的基本要素包括坡頂、坡面、坡腳、坡高、坡長、坡角等[1]。

邊坡病害是道路的主要病害之一，病害種類繁多且突發(fā)性強。為保證高速公路有良好的路況以保障過往交通安全，高速公路養(yǎng)護管理公司將邊坡養(yǎng)護巡查分為日常養(yǎng)護巡查、定期檢查和專項檢查，以加強邊坡養(yǎng)護巡查及時發(fā)現(xiàn)問題。

1.1 邊坡日常養(yǎng)護巡查要求

1.1.1 巡查周期

目前我國一般是根據(jù)邊坡的穩(wěn)定情況，先對其進行分類；然后根據(jù)邊坡的類別制定不同的日常養(yǎng)護巡查周期。一般情況下，根據(jù)邊坡的穩(wěn)定性將其分成四類，各類相對應的巡查周期。當出現(xiàn)暴雨或者進入雨季時，需要增加巡查的頻率；邊坡治理期間對其巡查次數(shù)每天不少于1次。由此可見，高速公路邊坡日常養(yǎng)護巡查周期短、頻率高。

1.1.2 巡查范圍

邊坡日常養(yǎng)護巡查一般要求下起路塹的排水溝、上不少于坡頂外側2邊溝寬，需根據(jù)情況不少于20m。主要是通過巡查人員目測的方式對邊坡的坡體及防護構造物進行一般性的檢查。

1.2 邊坡日常養(yǎng)護巡查內容

目前高速公路邊坡日常養(yǎng)護巡查內容主要包括防護工程、排水設施以及對邊坡安全穩(wěn)定構成威脅的其他情況的巡視。

1.2.1 邊坡防護類型及巡查內容

邊坡作為道路工程中最常見的工程之一，為了防止其失穩(wěn)而影響到道路的穩(wěn)定和車輛的行車安全。同時，盡量與周圍的環(huán)境相協(xié)調、維持生態(tài)環(huán)境的相對平衡，施工過程中會根據(jù)地形、地質等具體情況選擇相應的防護工程措施。邊坡防護一般主要分為支擋結構防護和坡面防護。

（1）支擋結構防護

一般對于穩(wěn)定性較差或不穩(wěn)定的邊坡，會采用增加邊坡率的方法或者利用支擋結構對其進行加固以確保邊坡的穩(wěn)定性。支擋結構主要包括抗滑樁、錨桿式、懸臂式、重力式等多種結構。

（2）坡面防護

坡面防護主要針對穩(wěn)定性好的邊坡，一般用來防護開挖的邊坡坡面巖體風化脫落、掉塊等淺表層或可能出現(xiàn)局部變形破壞的情況，主要分為砌石、噴錨和柔性三類防護。

1.2.2 排水設施巡查內容

由于大氣降雨引起的坡面徑流會沖刷道路邊坡，雨水的入滲會引起地下水位的變化會影響邊坡的穩(wěn)定性，因此在邊坡設計時會要求在邊坡的坡頂、坡面、坡腳和邊坡中部平臺設置排水系統(tǒng)，多雨地區(qū)應采取坡面防護和截排水綜合措施。坡面排水主要采用排水溝和截水溝，一般情況下，排水溝設置在截水溝的兩頭或者相對較低的一端，用來排除超出截水溝容納能力的地表徑流。

排水設施巡查主要包括：截水溝、排水溝、邊溝等是否淤塞、有無沖毀破損、涵溝是否相互連接以及排水是否通暢，保證地表及地下排水設施的有效性。

2 邊坡巡查問題分析

目前無人機技術已經被廣泛的應用于多個領域，并且取得了不錯的成果，但受限于無人機飛行控制技術、GPS定位精度等因素，無人機的安全作業(yè)與其作業(yè)環(huán)境有很大的關聯(lián)。為了保證無人機在邊坡巡檢中的實用性，進行了現(xiàn)場環(huán)境分析。

2.1 高公路邊坡環(huán)境分析

邊坡所處的環(huán)境具有以下特點。

（1）GPS信號難以保證。許多邊坡位于山區(qū)地帶，由于山的遮擋，GPS信號通常情況下比較弱甚至沒有，或出現(xiàn)信號不穩(wěn)定的情況。

（2）邊坡上空環(huán)境復雜。不少邊坡周圍設有供電設施，輸電導線橫跨于邊坡上空。輸電導線會根據(jù)不同的用電需求被分成不同的等級，而架設不同等級電線的對地高度是不同的，部分邊坡上空甚至有不同等級的電線相互交錯。

（3）為實現(xiàn)網絡、通信信號全覆蓋，架設了大量的通訊基站，部分邊坡附近也存在通信基站。通訊基站發(fā)射的無線電會干擾無人機與地面之間的遙控信號，使得遙控距離大幅度縮短而影響無人機的飛行控制，導致無人機出現(xiàn)失衡等情況。

（4）高速公路邊坡位于高速公路的兩側，且邊坡的坡腳一般距離道路較近。高速公路上會不定時地經過高速行駛的車輛，而在日常的養(yǎng)護巡查中是不會對道路進行管控的。由《道路交通安全法》第五節(jié)高速公路特別規(guī)定可知，除了行人、非機動車拖拉機、輪式專用機械車、鉸接式客車、全掛拖斗車以及其他設計最高時速低于70公里的機動車不得進入高速以外，其他機動車輛若滿足相關要求，均可以進入高速公路。由此可知，高速公路上的車輛類型多、尺寸大小不一。

2.2 日常巡查重、難點分析

（1）巡查重點

邊坡一般是在坡體內部存在的潛在變形、滑動面（帶）和外部觸發(fā)因素的共同作用下發(fā)生變形破壞。誘發(fā)路塹邊坡變形破壞的因素主要為大氣降雨等。降雨期間的地表徑流沖刷會導致水毀；同時，地表水會深入轉化為地下水并對巖土介質產生軟化作用大大降低巖土的強度，加上其對土體的潤滑作用容易導致邊坡最終發(fā)生變形破壞。因此地下水不僅是路塹邊坡發(fā)生滑坡等災害的主要誘發(fā)因素，而且在坡體變形破壞的潛在條件形成的過程中發(fā)揮著很大的作用，所以邊坡的排水設施應是日常養(yǎng)護巡查的重點[1]。

（2）巡查難點

在邊坡的日常養(yǎng)護巡查中主要是采用徒步（必要時借助繩索等防護用具）輔以簡單的工具，通過眼看、耳聽、敲打等簡便的手段了解邊坡的大體情況；對于無法攀爬的邊坡主要是通過望遠鏡進行觀察。

3 無人機約束條件分析

無人機在飛行過程中，需要不斷地與外界環(huán)境進行交互，而且無人機的作業(yè)受到各方面因素的影響。為保證無人機安全、順利地完成日常養(yǎng)護巡查任務，需要綜合考慮多個約束條件和任務要求，實現(xiàn)效益最大化。本文主要從無人機自身性能約束、外界環(huán)境約束以及任務要求三個方面進行考慮。

3.1 無人機自身性能約束

3.1.1 續(xù)航時長

將無人機滿荷載情況下的最長續(xù)航時間，記作Tmax。本文選用的無人機為四旋翼無人機，采用的是高性能鋰電池作為驅動力來源。由于鋰電池的容量有限，加上無人機荷載能力有限，難以實現(xiàn)多塊電池同時供電，故旋翼無人機的續(xù)航時長較短，一般滿荷載情況下約為10～40分鐘。根據(jù)任務要求及環(huán)境的差異，無人機在執(zhí)行任務的過程中，可能需要更換電池。故無人機單次飛行時長Ti應滿足：

Ti

3.1.2 與障礙物的安全距離（水平方向）

將無人機在飛行過程中需要與障礙物之間保持的最小距離稱作安全距離Lsafe。無人機在飛行過程中，難免會有障礙物存在于無人機的航跡周圍或航跡內，受限于無人機飛行控制技術及GPS定位精度等因素，需要確保無人機與障礙區(qū)之間的距離Lfact大于安全距離Lfact，避免無人機和障礙物發(fā)生碰撞，即滿足：

Lfact>Lsafe（2）

3.2 外界環(huán)境約束

無人機受限于目前的科學技術水平，作業(yè)時受外界環(huán)境影響較大，主要包括障礙物（通訊基站、高壓線等）、風力（風向、風場）、禁飛區(qū)等的威脅和干擾。通常這些威脅和干擾會作用于一定的范圍，故無人機在作業(yè)時必須盡可能的繞過這些區(qū)域。

3.2.1 高壓電線、電線

考慮到邊坡附近可能存在的高壓線產生的強大的電磁場的影響，設無人機與高壓線之間的安全距離為Lline。通過專利《無人機電力巡線安全距離檢測方法》和其在電力巡檢中的實際應用可知，無人機與220KV的輸電線路之間的距離Lfact≥Lline=8米。

3.2.2 風力

風力不僅會影響無人機的穩(wěn)定，而且對無人機有效飛行時長有重要的影響。在有風的情況下，無人機需要消耗大量的電量來抵抗風力飛行；風力過大時，甚至會將無人機直接卷走。目前市場上無人機能承受的最大風力多在5級（9m/s）左右。

3.2.3 禁飛區(qū)、限飛區(qū)

近年來，未經報批的無人機飛行導致航班延誤的事件頻頻發(fā)生；存在不法分子利用無人機多次侵入軍事地域、干擾軍用飛行器的正常飛行，甚至有航拍窺探國防設施、泄露國防機密的情況。為保障國家以及公民的安全，國務院相關部門帶頭開展無人駕駛航空器專項整治，相關法律法規(guī)指定了無人機的禁飛區(qū)和限飛區(qū)，禁飛區(qū)則禁止無人機在其區(qū)域的上空飛行；限飛區(qū)則是該范圍內，無人機飛行高度不得超過120米[2]。

3.2.4 行駛的車輛

考慮到無人機和道路上車輛的安全運行，無人機應盡量遠離道路上空的，但由于任務需求需要飛行于道路上空時，需考慮道路上行駛車輛的高度。根據(jù)中華人民共和國交通運輸部公布的《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》可知，一般情況下，要求貨車運輸?shù)能囏浛偢叨葟牡孛嫠闫鸩坏贸^4米；根據(jù)在大件運輸許可管理中，存在少數(shù)的車貨總高度超過4.5米的情況[3]。

3.3 任務要求

在高公路邊坡日常養(yǎng)護巡查過程中，通過無人機攜帶的攝像機對其進行照片或視頻的拍攝，當無人機的速度大于一定值時，拍攝的照片、視頻就會模糊，所以在無人機到達目標位置的時候減速或者懸停，需要根據(jù)地面采樣間隔GSD和實際情況進行調整。

4 結束語

本文對邊坡日常養(yǎng)護巡查的內容和要求進行了總結歸納并分析其分布情況；對邊坡周圍的環(huán)境特征、目前養(yǎng)護巡查工作中存在的問題進行了總結、分析。同時，從無人機自身性能、外部環(huán)境及任務要求三個方面對其在邊坡巡查應用的約束條件進行了分析。

【參考文獻】

[1]廖小平，朱本珍，王建松.路塹邊坡工程理論與實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[2]MD-TM-2016-004，民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法[S].北京：中國民用航空局空管行業(yè)管理辦公室，2016.

[3]2016-00757，超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定（中華人民共和國交通運輸部令2016年第62號）[S].北京：交通運輸部科學研究院，2016.