小型無人機在國外鐵路的應(yīng)用

李美潔， 謝征宇，秦勇，楊雪飛

（1.北京交通大學(xué)，北京 100044；2.北京鐵路公安局，北京 100006）

小型無人機具有機動靈活、遠程操作方便、可高空采集高清晰分辨率影像、可勘察人工難以到達區(qū)域等優(yōu)點，在鐵路行業(yè)的應(yīng)用越來越多。近2年來日本、美國、歐洲等鐵路機構(gòu)的無人機應(yīng)用主要集中在基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測、事故救援調(diào)查和災(zāi)害評估，以及道路勘測設(shè)計與項目施工進度檢查等領(lǐng)域。

1 基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測

傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測工作多基于人工作業(yè)，人工巡檢會摻雜很多人為因素，導(dǎo)致檢測結(jié)果不夠準確。尤其是由于時間久遠產(chǎn)生的鐵路設(shè)施細微變形，很容易被人工忽略，進而引發(fā)嚴重后果。無人機在這種場景下可以發(fā)揮巨大作用，因為其三維攝影技術(shù)可機動靈活地進行數(shù)據(jù)采集，獲取數(shù)據(jù)的速度快、精度高［1］。在快速獲取高分辨率影像的同時，無人機可以更加靈活地處理復(fù)雜地勢的情況，極大地提高了巡檢工作的效率和效果，這些都是傳統(tǒng)巡檢方式無法做到的，因此，各鐵路機構(gòu)開始著力在變形監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用無人機來幫助巡檢工作更好地進行［2］。

（1）在日本新干線和其他鐵路中，建設(shè)年代久遠的橋梁倒塌風(fēng)險隱患逐年增加。2020年初，日本鐵路公司（Japan Railway，JR）為了高效地解決這類問題，訂制了一款專門用于檢測監(jiān)測老化基礎(chǔ)設(shè)施的無人機設(shè)備——Waver，為基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護保駕護航，以避免由于監(jiān)察不力而引發(fā)惡性安全事故。Waver的底部采用多光束技術(shù)，該技術(shù)可實現(xiàn)聲納成像功能，用來預(yù)測老化的基礎(chǔ)設(shè)施何時需要進行更換或加固［3］。2020年2月，東日本鐵路公司（JR東日本）也開始使用無人機進行鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的巡查工作。安裝有攝像頭和LED燈的無人機沿著鐵路軌道上方的飛行路線自動飛行，可將鐵路夜間狀況和偏遠地區(qū)的影像資料進行采集并傳輸至后臺［4］（見圖1）。除了使用無人機直接進行巡檢工作外，日本鐵路部門還用其開展一些輔助工作。日本鐵道綜合研究所為了保障鐵路沿線的運營安全，防止依靠山體建設(shè)的鐵路設(shè)施由于自然災(zāi)害而被損壞，開發(fā)了“利用激光和無人機的落石危險度評價系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過無人機拍攝巖體的形狀和裂紋信息來確定巖體是否存在風(fēng)險，并提前對有問題的區(qū)域進行相關(guān)處理工作［5］。

圖1 Waver無人機夜間拍攝畫面及相關(guān)作業(yè)示意圖

（2）美國聯(lián)合太平洋鐵路公司（UPRR公司）擁有現(xiàn)今美國最大的鐵路網(wǎng)絡(luò)之一，橫跨美國中部及西部地區(qū)。UPRR公司在路網(wǎng)上配備無人機，對橋梁進行檢測并對災(zāi)害過后的路網(wǎng)狀況進行恢復(fù)（見圖2）。無人機在檢測一些基礎(chǔ)設(shè)施，如鐵路隧道、涵洞或鋼架橋時，存在GPS信號覆蓋不足而導(dǎo)致無法傳輸數(shù)據(jù)的問題。為了更好地完善檢測工作，檢查人員工作時會穿上裝有特殊設(shè)備的背心，該設(shè)備可同時處理30個無人機的實時傳輸影像視頻［6］。美國第二大鐵路運營商——伯靈頓北方圣太菲鐵路公司（BNSF公司）則使用無人機作為檢測基礎(chǔ)設(shè)施的助手，用于觀察鋼軌的裂縫、變形以及枕木的情況，幫助工作人員更好地進行檢測工作［7］。BNSF公司工作人員對無人機進行測試見圖3。

（3）2019年5月，英國倫敦交通局 （Transport for London，TfL）正式獲得批準，開始使用無人機進行鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的檢查工作。TfL已經(jīng)利用無人機對倫敦地鐵的各項基礎(chǔ)設(shè)施進行了1次排查和修復(fù)，包括橋梁、軌道以及車站建筑物等（見圖4）。同時，英國Hovering公司也使用無人機對地下隧道進行精密測繪（見圖5），用于快速準確地獲取地下隧道的變形和異常狀況，提前做好防范修復(fù)工作［8］。英國沃里克郡的橄欖球火車站也使用無人機對其鐵路網(wǎng)絡(luò)進行檢測，裝配有傳感器的無人機可以快速定位鐵路網(wǎng)絡(luò)中的異常位置，減少人工工作量和作業(yè)風(fēng)險，并且絲毫不影響列車通行與運營［9］。

圖2 UPRR公司無人機用于橋梁檢測及災(zāi)后路網(wǎng)恢復(fù)工作

圖3 BNSF公司工作人員對無人機進行測試

圖4 TfL使用3D Point Cloud對軌距進行測量

（4）俄羅斯鐵路公司是俄羅斯國營鐵路運輸機構(gòu)，橫跨11個時區(qū)，承載全國約80%的貨運量和約35%的客運量，其運輸規(guī)模在世界排名第3。為了更加有效地進行鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢工作，2019年初，俄羅斯鐵路公司從我國引進24套“大疆”專業(yè)無人機“悟2”與31套相對小型且輕便的無人機“御2”變焦版［10］。無人機的使用極大地提高了鐵路工作人員的工作效率，通過觀看無人機傳輸至后臺的視頻影像能快速判斷當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施的運營狀況，及時有效地對一些安全隱患進行排查和修復(fù)（見圖6）。據(jù)統(tǒng)計，通過使用無人機，俄羅斯鐵路公司的工作效率提高了3倍。

圖5 無人機實時采集地下隧道各種參數(shù)的圖像展示

圖6 俄羅斯鐵路公司使用“大疆”無人機進行鐵道巡檢

（5）2019年4月，澳大利亞鐵路公司使用無人機進行鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢工作，該無人機的最大特點是裝配雙攝像頭系統(tǒng)，其中一個攝像頭為2 400萬像素的高清數(shù)碼攝像頭，另一個攝像頭為紅外熱像儀，使無人機可隨不同場景需要切換成像模式，更好地進行檢測工作。另外，無人機還配備了可拆卸的7 in顯示屏，可獨立于基站進行工作。據(jù)預(yù)估，使用無人機進行巡檢工作后，澳大利亞鐵路公司的運營故障可減少50%［11］。

（6）2018年1月，印度鐵路公司在賈巴爾普爾、博帕爾和科塔地區(qū)進行無人機巡檢試驗，用來檢測鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的運營狀況。此外，印度鐵路公司還利用無人機的攝像系統(tǒng)對鐵路項目進行評估，節(jié)假日期間進行非聯(lián)鎖的評估工作并對人流量大的區(qū)域進行人員管理，以及通過低成本技術(shù)對各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行收集等，幫助工作人員更好地開展工作［12］。

2 事故救援調(diào)查和災(zāi)害評估

隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路運營里程也在迅速增加，同時也給鐵路事故救援工作增加了困難。發(fā)生事故時，及時有效地反饋現(xiàn)場情況對于救援工作來說非常重要，尤其是視頻圖像信息能夠讓相關(guān)人員直觀地了解事故全貌，更是影響救援指揮工作的關(guān)鍵。隨著數(shù)字通信技術(shù)（4G/5G）和無人機技術(shù)的快速發(fā)展，使搭載有攝像頭系統(tǒng)的無人機可及時有效地傳輸視頻影像畫面。無人機在事故救援中的應(yīng)用逐漸嶄露頭角，并成為指揮工作中的重要助力，也使事故救援調(diào)查和災(zāi)害評估成為無人機在基礎(chǔ)設(shè)施檢測評估領(lǐng)域之外的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域［13］（見圖7）。

（1）2020年4月，美國得克薩斯州鐵路委員會（Texas RRC）宣布成立全州無人機檢查小組。在事故災(zāi)害發(fā)生時，有很多區(qū)域人力無法到達，使用無人機進行空中拍攝檢查可幫助救援人員及時有效地獲取現(xiàn)場災(zāi)害狀況，更加準確地下達救援決策，減少不必要的損失［14］。

（2）2019年，美國BNSF公司鐵路貨運網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)域發(fā)生了洪水災(zāi)害，中斷了鐵路運輸工作。為了盡快恢復(fù)運輸網(wǎng)絡(luò)，BNSF公司使用無人機進行空中巡航檢查，幫助工作人員獲取大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，更好地制定了救援恢復(fù)計劃（見圖8）。此外，BNSF公司還使用無人機對極端天氣情況下的數(shù)據(jù)進行采集，協(xié)助鐵路設(shè)施的日常養(yǎng)護工作［15］。

圖7 無人機用于事故調(diào)查和評估

圖8 BNSF公司無人機團隊協(xié)助鐵路網(wǎng)洪水區(qū)域制定恢復(fù)計劃

（3）為了更好地觀測鐵路和基礎(chǔ)設(shè)施狀況，并在搶險救災(zāi)活動中發(fā)揮更大作用，俄羅斯國防部決定從2020年起為鐵道兵各旅編配無人機分隊，包括輕型無人機“超光束粒子”和通用型無人機“海雕-10”。這2種無人機可以實時傳輸圖像信息，在鐵路干線或公路交通難以迅速到達的西伯利亞、遠東地區(qū)出現(xiàn)緊急事故時，它們可以發(fā)揮非常重要的作用。除了提升部隊對抗災(zāi)害和救援的能力外，無人機還可幫助其判斷周圍形勢，預(yù)估潛在風(fēng)險，比傳統(tǒng)應(yīng)對自然災(zāi)害的方式更便捷、更迅速，且節(jié)約成本［16］。

（4）日本常年發(fā)生地震，2016年熊本縣接連發(fā)生地震，造成道路、橋梁和鐵路損壞，救援工作困難重重，于是日本地理空間信息局首次出動無人機輔助此次救援活動。無人機機動靈活，不僅可以到達很多人力無法到達的區(qū)域，還可深入到震中區(qū)域上空進行畫面拍攝，并將影像信息實時傳輸給后臺工作人員，對采集到的地理信息進行3D繪制從而得到相關(guān)地形圖，使救援工作更加順利地開展。另外，災(zāi)后由于地質(zhì)坍塌，救援物資很難抵達事故現(xiàn)場，而無人機小巧精準，能夠很好地協(xié)助完成此類任務(wù)［17］。

3 勘測設(shè)計和項目施工進度檢查

測繪是鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它貫穿整個鐵路建設(shè)過程，是工程順利完工的必要保證［18］。在勘測設(shè)計中，初測階段進行的地形圖測繪和定測階段進行的斷面測量工作量均較大，傳統(tǒng)方式往往采用全野外測量，工作持續(xù)時間長，若地勢地形復(fù)雜，人力難以進行。無人機的使用可在很大程度上解決傳統(tǒng)測繪中的難題，首先無人機可快速精確地獲取地面高程數(shù)據(jù)和高清影像數(shù)據(jù)，極大地提高了作業(yè)效率和精確度；其次無人機的機動靈活特性使復(fù)雜地形的測繪工作變得更加簡單，節(jié)省了大量人力、物力。同時，由于無人機可實時向后臺傳輸數(shù)據(jù)，檢查項目施工進度也更加高效。

（1）2020年1月，美國聯(lián)邦鐵路管理局（FRA）發(fā)布1份關(guān)于使用無人機進行地理測繪的研究報告。該報告詳細闡述了美國運輸部國家運輸系統(tǒng)中心“平面交叉口剖面數(shù)據(jù)準確的3D模型”的相關(guān)研究，測繪時使用具有地面控制點的攝影測量法，在保證低成本的同時，可得到與使用LiDAR模型時一樣的測繪精度［19］。DJIMavic2Pro無人機在馬薩諸塞州格洛斯特的駝峰路口進行測繪見圖9。

（2）西班牙擁有世界第二大高速鐵路網(wǎng)，要保證其鐵路勘測設(shè)計工作高質(zhì)高效完成，需要耗費很多人力、物力。2019年，西班牙東南部的阿利坎特—穆爾西亞高速鐵路為了節(jié)約成本，并更好地了解現(xiàn)場情況，使用Sigma Rail公司的無人機輔助完成鐵路勘測設(shè)計工作。通過無人機提供的鐵路線路數(shù)字模型信息，工作人員可實時掌握項目的施工進度并進行檢查反饋，一旦線路投入運行，該模型還可獲取軌道內(nèi)任何元素的準確位置［20］。

（3）土耳其國家鐵路局需要對一段長140 km，寬600 m，總面積110 km2的鐵路廊道進行測繪，測繪要求的精度為15 cm。出于試驗的考慮，選用2家采用不同測繪方式的公司完成此項工作。采用傳統(tǒng)測繪方式的公司花費近1年時間才完成該項目，而采用無人機進行測繪工作的公司僅用了3個月。無人機測繪具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)進行高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢［21］。

圖9 DJIMavic2Pro無人機在駝峰路口進行測繪

4 借鑒與展望

無人機作為一種新型航空器，許多國家都在不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用更加看重工作效率和準確度，這要求無人機逐漸向持久力和智能化的方向發(fā)展。一方面，續(xù)航時間越長，單次飛行任務(wù)采集到的信息就會越多，獲取到關(guān)鍵信息的機會就會越大，節(jié)約更多時間和成本；另一方面，無人機的智能化發(fā)展是大趨勢，隨著技術(shù)的進步和各種算法能力的提升，相信其在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛，不僅在基礎(chǔ)設(shè)施巡查監(jiān)測領(lǐng)域、事故救援和災(zāi)害評估領(lǐng)域以及鐵路勘測設(shè)計和施工進度檢查領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，還需探索出更多的應(yīng)用可能性，也是未來無人機鐵路領(lǐng)域應(yīng)用的主流方向［22］。

在我國，川藏鐵路建設(shè)由于其特殊的地勢條件而備受關(guān)注。川藏鐵路位于青藏高原東南部，高海拔（5 000 m以上）、大落差（2 000～3 000 m）、群山聳立、氣候寒冷，自然條件非常惡劣，給人工勘察作業(yè)帶來極大難度與挑戰(zhàn)，使傳統(tǒng)測繪工作變得異常艱難。具體來說，線路穿越的區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，有很多超長超深埋的隧道，不易進行鐵路勘測設(shè)計和施工；地質(zhì)板塊活動頻繁，且所處山地落差巨大，極易引發(fā)山體滑坡、高空落石等自然災(zāi)害，使項目勘測設(shè)計活動和鐵路施工過程存在很大安全隱患；鐵路運營過程中，在基礎(chǔ)設(shè)施維護和周圍環(huán)境的安全巡護等方面，也存在巨大壓力和挑戰(zhàn)。無人機機動靈活，能深入人力無法到達的特殊區(qū)域進行勘察測繪工作，可以很好地幫助川藏鐵路建設(shè)工作順利進行。同時，無人機具有工作效率高、勘測速度快、勘測精度高等優(yōu)勢，通過與不同技術(shù)手段相結(jié)合，可以勘測復(fù)雜地質(zhì)地貌環(huán)境下的地理信息，協(xié)助更好地完成前期鐵路建設(shè)的選址工作和后期線路設(shè)施的運維養(yǎng)護工作。對川藏鐵路建設(shè)而言，無人機的加入必將起到強大的助力作用，可使因地質(zhì)問題引發(fā)的鐵路建設(shè)難題迎刃而解，提高作業(yè)效率，增加作業(yè)精度，為今后更多更復(fù)雜的山區(qū)鐵路建設(shè)提供思路和解決辦法。