鐵路無人機巡檢研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

姚建平 蔡德鉤 安再展 劉英 石越峰 劉瑞 魏少偉

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；3.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京100081；4.中國鐵路北京局集團有限公司，北京100081

截至2020年底，我國鐵路運營里程超過14.6萬km。常規(guī)的鐵路巡檢采用人工巡查，存在作業(yè)效率低、巡檢環(huán)境危險、量測精度低、有檢測盲區(qū)等問題，無法快速系統(tǒng)、全面準確地分析評判。隨著鐵路檢測監(jiān)測技術(shù)向天空地立體化發(fā)展，無人機逐漸被應(yīng)用于鐵路巡檢中［1］。

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是由人為遠程操控或由程序控制飛行的不載人飛行器。無人機技術(shù)以無人機為飛行平臺，通過搭載的傳感設(shè)備獲取地物信息，具有機動性強、獲取數(shù)據(jù)快和數(shù)據(jù)精度高的特點。該技術(shù)最早于20世紀20年代應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著技術(shù)的成熟，制造成本大幅降低，其在民用領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。美國、日本、法國、英國、荷蘭等國家利用無人機對橋梁、軌道、路基等不同結(jié)構(gòu)物服役狀態(tài)進行輔助檢查，取得了較好效果。近年來在我國鐵路工程中也逐漸得到應(yīng)用。本文總結(jié)了無人機在我國鐵路橋梁、軌道、路基不同結(jié)構(gòu)物，以及沿線地質(zhì)災(zāi)害和周邊環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了鐵路無人機巡檢的不足，并對其未來進行展望。

1 無人機技術(shù)簡介

無人機按照飛行平臺構(gòu)型可分為固定翼無人機、旋翼無人機、無人直升機和復(fù)合翼無人機。各機型無人機特點對比見表1。目前鐵路中使用較多的是固定翼無人機和旋翼無人機。

表1 不同機型無人機特點

無人機通過搭載高分辨率數(shù)碼相機、輕型光學(xué)相機、激光掃描儀、紅外掃描儀、磁測儀、合成孔徑雷達等傳感設(shè)備獲取地物信息。根據(jù)搭載檢測設(shè)備和處理軟件的不同，鐵路無人機巡檢主要分為傾斜攝影測量和激光雷達測量兩種。傾斜攝影測量是在無人機上搭載多個攝像設(shè)備，分別從垂直和傾斜方向同時對地物多角度拍攝，不僅能夠真實地反映地物情況，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維模型。目前常用的傾斜攝影圖像處理軟件有Pix4Dmapper、ContextCapture Center、Street Factory、PhotoMesh等。激光雷達測量利用三維激光掃描系統(tǒng)，采集測量對象的點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進行分類。與傾斜攝影測量相比，其最大的技術(shù)優(yōu)勢是利用激光雷達主動發(fā)射激光束，能一定程度地穿透地表植被，濾除植被影響，獲取地面真實地形特征。目前常用的激光雷達數(shù)據(jù)處理軟件包括MicroStation V8i、SS-GINS、SS-Lipre、SS-LIDAR DC、SouthLidar等。

鐵路無人機巡檢流程主要包括巡檢準備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理三個階段。巡檢準備階段根據(jù)巡檢對象及檢測要求，預(yù)設(shè)像控點位置并規(guī)劃巡檢航線。數(shù)據(jù)采集階段利用飛行控制軟件實現(xiàn)無人機飛行模態(tài)的控制和任務(wù)管理，利用機載檢測設(shè)備獲取地物信息。數(shù)據(jù)處理階段利用軟件對拍攝圖像、激光雷達點云數(shù)據(jù)等進行處理，生成數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）、數(shù) 字 高 程 模 型（Digital Elevation Model，DEM）等，并對成果進行分析。

目前主要采用兩種方法對無人機巡檢結(jié)果進行分析：①生成影像，采用人工識別或智能識別技術(shù)對拍攝影像進行分析，查看環(huán)境信息，識別結(jié)構(gòu)狀態(tài)，判斷是否發(fā)生病害等。②建立三維模型，直觀展示巡檢對象整體情況，可進行距離、坡度等查詢，判斷地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模，還可以通過對比不同時段的模型，分析巡檢對象及周邊環(huán)境的變化情況。

2 無人機在鐵路巡檢中的應(yīng)用情況

2.1 無人機在鐵路橋梁巡檢中的應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，所處環(huán)境復(fù)雜。傳統(tǒng)的橋梁檢測主要是人工攀爬或借助腳手架、吊車等工具進行，檢測效率較低，安全風(fēng)險較高，且存在檢測盲區(qū)。利用無人機根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的檢測需求規(guī)劃巡檢航線，可實現(xiàn)對橋梁支座、橋墩、橋面、橋腹、橋塔等部位的定點拍攝，安全快速全面獲取橋梁影像，如圖1所示。

圖1 無人機橋梁巡檢航線及拍攝點示意

目前無人機鐵路橋梁巡檢內(nèi)容主要包括螺栓脫落檢測、橋體裂縫檢測、纜索聚乙烯防護層破損檢測、支座滑移檢測等。侯海方［2］利用多旋翼無人機搭載高清攝像頭對橋墩進行拍攝，通過圖像分析標注裂縫長度和寬度，檢查支座銹蝕和滑移，并利用紅外感應(yīng)檢測系統(tǒng)判斷高強螺栓是否松弛。成都局利用無人機對梁側(cè)、梁底、墩身中上部等人工不易到達和觀察的特殊部位每半年進行一次巡檢。以往主要采用人工識別方式對無人機拍攝影像進行分析，效率較低且不易定量分析。近年來隨著機器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，智能識別算法也應(yīng)用于無人機圖像處理中。阮小麗等［3］將深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于橋梁圖像處理，實現(xiàn)智能識別橋墩掉塊、露筋區(qū)域并計算其面積大小。鐘繼衛(wèi)等［4］研究了圖像校正拼接技術(shù)與病害特征識別技術(shù)，對裂縫圖像識別精度達到了0.1 mm，實現(xiàn)了橋梁的無人化檢測。

2.2 無人機在鐵路軌道巡檢中的應(yīng)用

無人機在鐵路軌道巡檢中的應(yīng)用主要在鋼軌識別、軌道中心線檢測、軌枕損傷檢測等方面。劉成等［5］編寫了圖像處理程序，對無人機獲取的軌道圖像進行處理與分析，采用連通區(qū)域檢測算法識別出軌道區(qū)域，再利用邊緣檢測、霍夫直線變換等技術(shù)識別出軌道，計算出軌道中心線的坐標。張森［6］通過改進區(qū)域生長算法，實現(xiàn)軌道點云數(shù)據(jù)中鋼軌點云的分割，同時采用點云數(shù)據(jù)封裝方法處理鋼軌三維點云數(shù)據(jù)并提取其輪廓特征，確定鋼軌模型空間位置，完成線路的鋼軌識別。徐崇文［7］結(jié)合圖像處理算法及機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，將無人機拍攝的復(fù)雜背景圖片作為訓(xùn)練集進行直線探測、鐵軌分離、物體探測等，但對物體識別的準確率僅20%。目前無人機在鐵路軌道中的應(yīng)用還處于起步階段，由于軌道檢修精度要求較高，需要進一步研發(fā)高精度無人機測量技術(shù)和圖像處理技術(shù)。

2.3 無人機在鐵路路基及沿線地質(zhì)災(zāi)害巡檢中的應(yīng)用

我國是一個自然災(zāi)害多發(fā)的國家，鐵路線路較長且沿線環(huán)境復(fù)雜，路基和沿線地質(zhì)災(zāi)害問題日益突出。目前鐵路沿線一般采用人工徒步方式巡查病害，作業(yè)效率和量測精度低，無法對潛在隱患進行快速準確判斷。在鐵路沿線，尤其是在高寒、高海拔、復(fù)雜山區(qū)和特殊危險地段，無人機巡檢技術(shù)可以極大提高巡檢效率和精度，減小人員工作量和危險性。通過航拍攝影圖像建立三維模型，無人機巡檢不僅能夠完成滑坡、泥石流、危巖落石等地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查，而且可以實現(xiàn)巖性組合、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、卸荷帶走向和寬度等的識別［8］。

目前各鐵路局、設(shè)計院和研究單位陸續(xù)采用無人機進行鐵路路基及沿線地質(zhì)災(zāi)害巡檢。成都局采用無人機采集鐵路沿線滑坡、泥石流、大型巖崩、斷層、堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害點影像，結(jié)合激光雷達數(shù)字集和光譜特征集提取目標物的密度和強度、水域、植被覆蓋、斷面等數(shù)據(jù)進行地質(zhì)災(zāi)害隱患排查，并建立3D模型實現(xiàn)邊坡高度、坡率等數(shù)據(jù)的查詢。通過對比分析根據(jù)同一區(qū)段不同時段航拍資料所建模型，快速掌握區(qū)段內(nèi)地質(zhì)情況發(fā)展變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)潛在隱患。西安局通過無人機拍攝的影像資料對滑坡、陷穴、危巖落石等病害進行標記研判，對影像數(shù)據(jù)進行記錄、整理，按線別、設(shè)備類型建立無人機影像數(shù)據(jù)庫，并對重點地段進行周期性檢查與對比分析。南昌局采用傾斜攝影技術(shù)采集鐵路沿線三維影像數(shù)據(jù)，建立三維模型，同時結(jié)合現(xiàn)場實地勘查情況進行綜合分析，開展隱患排查、應(yīng)急搶險工作。南寧局利用無人機對鐵路沿線進行全線航拍攝影，實現(xiàn)地形地貌、匯水面積和周邊環(huán)境情況的直接查看，同時對重點地段建立三維實景模型，查詢距離、坡度等數(shù)據(jù)，計算可能發(fā)生的崩塌、滑坡體積。北京局對邯鄲—長治鐵路K14+000—K123+000段地質(zhì)災(zāi)害隱患進行排查與評估時，采用無人機激光雷達測量技術(shù)獲取該區(qū)段山體激光雷達點云圖（圖2），直觀觀察滑坡災(zāi)害的整體情況，同時建立鐵路軌道及其周圍的三維地質(zhì)模型，進行滑坡災(zāi)害的定性、定量分析，明確可能發(fā)生滑坡災(zāi)害的區(qū)域范圍，為搶險方案的制定及實施提供支撐。馮威［9］分別采用傾斜攝影技術(shù)和機載雷達三維掃描技術(shù)對高寒高海拔地區(qū)鐵路沿線的滑坡、危巖體、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害進行勘測，結(jié)果表明在復(fù)雜艱險環(huán)境采用無人機可以有效提高勘測精度和效率。李嘉雨等［10］將輕型無人機應(yīng)用于鐵路周邊滑坡、塌陷、異常開挖等不良地質(zhì)和異常情況的分析，降低了野外地質(zhì)人員的安全風(fēng)險，提高了勘察精度和效率。楊力龍［11］利用輕小型無人機攝影測量技術(shù)，獲取隧道進口的高陡邊坡影像，解譯得到危巖體的節(jié)理產(chǎn)狀及巖層信息，對危巖體的穩(wěn)定性進行了分析。

圖2 山體激光雷達點云圖

2.4 無人機在鐵路周邊環(huán)境巡檢中的應(yīng)用

鐵路建設(shè)里程長，沿線人員、設(shè)備、建筑與環(huán)境信息眾多，采取人工調(diào)查巡檢工作量巨大。無人機巡檢覆蓋范圍廣，周期短，受自然條件限制少，能提供高時效、多尺度的數(shù)據(jù)，直觀準確反映實際情況。鄭州局采用無人機攝影測量技術(shù)與衛(wèi)星數(shù)字地圖相結(jié)合的方式精準排查高速鐵路周邊環(huán)境隱患。胡記緒［12］利用3D建模相機，構(gòu)建接觸網(wǎng)附加懸掛的三維立體場景，形象直觀地展示線路當前的空間形態(tài)；利用熱成像鏡頭對接觸網(wǎng)供電線接頭、隔離開關(guān)設(shè)備線夾及觸頭等有無過熱現(xiàn)象進行檢測。蔡志洲等［13］通過無人機拍攝的高分辨率影像，對鐵路施工期間周邊環(huán)境進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)排水設(shè)施不完善、油料泄漏等問題，提高了監(jiān)測質(zhì)量和效率。徐建超［14］利用無人機拍攝的影像對武廣客運專線開展了竣工驗收工作，結(jié)果表明無人機拍攝的影像分辨率高、時效性強，將其與現(xiàn)場調(diào)查資料相結(jié)合，使驗收工作效率大大提高。朱京海等［15］根據(jù)環(huán)保無人機拍攝的影像對京滬高速鐵路鎮(zhèn)江南站及周邊的土地利用現(xiàn)狀進行了分析，對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)及高速鐵路建設(shè)后的景觀格局進行了定量分析與評價。

3 鐵路無人機巡檢的不足及發(fā)展方向

目前無人機已在鐵路橋梁、軌道、路基及沿線地質(zhì)災(zāi)害、周邊環(huán)境巡檢中得到應(yīng)用并取得良好效果，但總體而言無人機在鐵路巡檢中的應(yīng)用還處于起步階段。鐵路無人機巡檢存在的不足及發(fā)展方向如下：

1）鐵路工程呈帶狀分布，目前無人機主要對單個工點進行巡檢并建立局部模型，缺少對整條線路的建模與分析。建議進一步研究無人機巡檢數(shù)據(jù)與BIM、GIS模型的融合技術(shù)，生成鐵路及其沿線環(huán)境的整體模型，建立鐵路三維數(shù)字化臺賬，實現(xiàn)鐵路設(shè)備與沿線環(huán)境精細化管理。

2）目前對無人機巡檢結(jié)果主要采用人工分析、研判的方法，效率較低，易產(chǎn)生誤判、漏判。建議采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)算法對鐵路橋梁、軌道、路基及沿線地質(zhì)災(zāi)害、周邊環(huán)境的高清圖像數(shù)據(jù)、激光雷達點云數(shù)據(jù)以及三維數(shù)字化模型進行處理，提高鐵路安全隱患與風(fēng)險源的智能辨識能力。

3）根據(jù)鐵路巡檢需求建立鐵路無人機巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)飛行設(shè)備、飛行規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集與處理全過程的管理。

4）目前鐵路無人機巡檢中使用的無人機型號、數(shù)據(jù)處理軟件種類較多，巡檢技術(shù)方案也不統(tǒng)一，導(dǎo)致鐵路無人機巡檢規(guī)范化作業(yè)與管理難度較大。建議進一步研究符合鐵路特點的無人機巡檢技術(shù)，實現(xiàn)無人機在鐵路巡檢中的規(guī)范化與標準化應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了無人機在我國鐵路橋梁、軌道、路基及沿線地質(zhì)災(zāi)害、周邊環(huán)境巡檢中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了目前無人機巡檢中存在的不足，提出應(yīng)在數(shù)據(jù)與模型融合技術(shù)、智能識別技術(shù)、建立鐵路無人機巡檢系統(tǒng)、統(tǒng)一巡檢標準等方面進一步發(fā)展。