無人機在公路養(yǎng)護中的應(yīng)用研究

孫成輝、王立軍、林海成、路建強、柳偉

（中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護集團寧夏工程有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

近年來，公路養(yǎng)護里程快速增加，科學(xué)、合理、高效地進行公路養(yǎng)護管理成為發(fā)展的重點。現(xiàn)階段，通過應(yīng)用先進的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)了公路自動巡查、大數(shù)據(jù)決策、仿真化設(shè)計。隨著養(yǎng)護發(fā)展新需求的多元化，契合國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、科技驅(qū)動企業(yè)發(fā)展的理念，全景化感知、全方位巡查和快速精準養(yǎng)護，實現(xiàn)養(yǎng)護產(chǎn)業(yè)數(shù)字化已成為“十四五”公路養(yǎng)護發(fā)展的重要方向。

1 工程概況

寧夏固原片區(qū)有高速公路5 條，養(yǎng)護里程456.543km；主線總里程406.436km，匝道及連接線總里程50.107km。橋梁673 座，其中特大橋4 座、大橋192 座、中橋176 座、小橋301 座。隧道單洞累計長41.578km/14座（特長隧道單洞長18.97km/1 座，長隧道單洞長11.069km/3 座，中隧道單洞長8.94km/6 座，短隧道單洞長2.599km/4 座），屬于典型的山區(qū)高速公路。其中六盤山特長隧道單洞全長18.97km，是目前西北高海拔地區(qū)較長隧道。高速公路養(yǎng)護項目包含日常養(yǎng)護巡查巡檢，保潔保養(yǎng)，小修維護，路產(chǎn)路權(quán)維護照管，路基、路面、橋涵、隧道、交安、綠化、機電、站房等設(shè)施維護保養(yǎng)，大型特大型橋梁檢查保養(yǎng)，六盤山特長隧道土建、機電設(shè)施檢查保養(yǎng)，高速公路保暢保通，應(yīng)急事故處理等。

2 養(yǎng)護特點及難點分析

2.1 養(yǎng)護特點

固原市位于中國黃土高原的西北邊緣，境內(nèi)以六盤山為南北脊柱，片區(qū)高速公路主要為國家高速公路，交通量大、社會影響大、運營時間長，道路技術(shù)狀況較差，為片區(qū)養(yǎng)護的重點路段。主要存在橋隧占比高，高速公路養(yǎng)護受季節(jié)影響較為明顯等問題，夏季水毀搶修、冬季除雪保暢任務(wù)重。地質(zhì)情況復(fù)雜：橋頭跳車、濕陷性黃土沉陷路段較多；高邊坡滑坡、隧道口泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)；冬季冰雪等惡劣天氣時間較長；春融凍脹及冰雪對路面及防護設(shè)施損害問題突出等。

2.2 養(yǎng)護難點

目前的日常養(yǎng)護巡查巡檢、經(jīng)常性檢查等工作任務(wù)，主要依靠技術(shù)人員目測及攜帶簡易測量工具作業(yè)，機動性差、巡查周期長，部分橋梁跨度大、凈空高，人工巡查難度大，技術(shù)人員數(shù)量有限且能力參差不齊。寧夏南部地區(qū)濕陷性黃土地段頗多，地質(zhì)原因?qū)е赂哌吰禄螺^為常見。尤其在汛期，須加大巡查頻率，發(fā)現(xiàn)問題往往比病害出現(xiàn)滯后。

隨著高速公路養(yǎng)護標準不斷提高，傳統(tǒng)養(yǎng)護巡查模式難以滿足日常的養(yǎng)護巡查要求。對于山區(qū)高速公路日常養(yǎng)護，迫切需要探索一條新的途徑或方法，既能將日常養(yǎng)護巡查巡檢簡單化、便捷化和高效化，又能快速、準確、直觀地獲取信息。

3 無人機在公路養(yǎng)護中的應(yīng)用價值

無人機是一種快速、自動化程度高的低空空域飛行器，通過低空空域?qū)徟?，可以在公路紅線范圍內(nèi)合法飛行，可利用空域資源優(yōu)勢，將無人機綜合應(yīng)用到資產(chǎn)管理維護、公路日常巡查、技術(shù)狀況評定、災(zāi)害防治等多個方面，能夠提高公路日常巡查和維護效率[1-3]。借助無人機，養(yǎng)護單位可以快速、便捷地觀測和檢查公路構(gòu)造物及處理安全隱患，獲得準確、及時、直觀的病害信息，以便作出更準確的養(yǎng)護管理決策。

作為一種可靠的技術(shù)手段，無人機在高速公路養(yǎng)護中的應(yīng)用價值體現(xiàn)在以下方面。

3.1 及時救援響應(yīng)、保障生命財產(chǎn)安全

利用無人機在事故多發(fā)路段進行巡查巡檢，便于第一時間充分了解事故現(xiàn)場情況，快速部署、實時響應(yīng)，為救援人員提供充分的準備時間，降低人民生命財產(chǎn)損失。三維模型的建立能夠為BIM 模型數(shù)據(jù)和路面的真實交互提供連接通道，從而為相關(guān)單位提供效果良好、成本較低的解決方案，同時能極大地提高災(zāi)害救援的智慧水平，為救援工作提供最有效的技術(shù)支持。

3.2 為基建賦能，推動行業(yè)技術(shù)進步

關(guān)于無人機在公路養(yǎng)護中的應(yīng)用項目研究跨越了多管理維度、多種業(yè)務(wù)組合、系列化發(fā)展體系和工程應(yīng)用的各個階段。相關(guān)研究能夠為無人機檢測新技術(shù)的研發(fā)提供借鑒，推動行業(yè)的技術(shù)進步。利用無人機是公路養(yǎng)護的創(chuàng)新性發(fā)展標志，能夠為養(yǎng)護的數(shù)字化、精準化、動態(tài)化、智能化“四化”提供支撐，使公路養(yǎng)護由二維向三維空間衍變，是智慧養(yǎng)護的發(fā)展方向之一。

3.3 保障路橋安全，提高巡查效率

無人機巡查具有以下特點：不需要中斷交通，單次巡查成本低，巡查效率高。無人機能夠及時發(fā)現(xiàn)路橋病害，并快速高效地巡查路橋技術(shù)狀況，從而提高巡查效率和病害識別的準確性、全面性。通過數(shù)據(jù)分析判斷，可以及時制訂養(yǎng)護策略，省時省工，有較高的經(jīng)濟效益。

例如，利用無人機進行巡查，可以第一時間了解路面、橋梁、隧道洞口的結(jié)冰情況，并根據(jù)路段積雪厚度、結(jié)冰等情況采取相應(yīng)的除冰、除雪措施。無人機還能夠及時發(fā)現(xiàn)塌方、滑坡等邊坡隱患，實時觀察并提供預(yù)警，保障車輛行駛安全，以及預(yù)防和控制公路沿線的突發(fā)性災(zāi)害。

3.4 不受地形限制，保障工作人員安全

傳統(tǒng)的人工巡查巡檢方式受環(huán)境地形限制，工作人員的作業(yè)強度大、安全風(fēng)險大，且效率不高。相比之下，無人機能快速完成巡查任務(wù)，特別是在地勢陡峭、高填方深挖區(qū)域，無人機的優(yōu)勢更加明顯，能夠避免安全風(fēng)險問題。

4 無人機在高速公路養(yǎng)護中的應(yīng)用

4.1 在高速公路養(yǎng)護安全管理中的應(yīng)用

第一，在小修施工現(xiàn)場及日常養(yǎng)護作業(yè)現(xiàn)場借助無人機進行安全布控，隨時進行巡查，及時發(fā)現(xiàn)問題、傳達命令，便于及時整改，確保工作人員安全。

第二，在公路用地、建筑控制區(qū)內(nèi)，借助無人機對設(shè)施進行實時監(jiān)測，甄別違建、破壞、偷盜行為，實時報警，聯(lián)合相關(guān)部門及時進行處治。

第三，發(fā)生較大自然災(zāi)害（如地震、滑坡、水毀、泥石流、冰雪災(zāi)害等）時需要及時清理道路堵塞、解決塌方等問題。無人機具備準備時間短、不受地形限制、觀測范圍廣、觀測角度不受限制等特性，可對災(zāi)害現(xiàn)場和阻塞路段進行多角度觀測。無人機還可以貼近危險區(qū)近距離觀測，能夠為應(yīng)急指揮人員提供所需的現(xiàn)場影像資料及判斷依據(jù)，幫助應(yīng)急指揮人員及時對事故現(xiàn)場作出準確的判斷、采取合理的應(yīng)急措施，既能降低事故傷亡風(fēng)險，又能節(jié)省時間、提高效率[4-5]。

第四，無人機上可以搭載紅外測量儀、熱成像儀等先進設(shè)備，可以對阻塞、塌方體進行測量，第一時間計算出體積，為應(yīng)急搶通保暢提供有效的數(shù)據(jù)支持，為應(yīng)急救援爭取時間；熱成像儀通過對塌方體進行掃描，可以確定是否有被困人員，便于及時營救。

4.2 在公路病害識別中的應(yīng)用

將無人機技術(shù)與路面病害檢測技術(shù)相結(jié)合，可以充分發(fā)揮無人機自動化程度高、能耗低的優(yōu)勢，顯著降低工作人員的勞動強度。將現(xiàn)有的數(shù)字圖像處理技術(shù)與無人機航拍功能相結(jié)合，設(shè)計無人機道路路面識別算法流程，通過高速公路路基、沿線設(shè)施識別，公路病害識別等步驟，可實現(xiàn)對公路病害的識別和監(jiān)測。

第一，可以對路基邊坡坍塌、水毀、路基沉降、排水設(shè)施堵塞、高邊坡失穩(wěn)等病害進行實時監(jiān)測，通過影像與數(shù)字化轉(zhuǎn)換分析，判斷損壞程度，進而采取合理的處治措施。

第二，對路面沉陷、車轍、波浪擁包、坑槽等病害，通過航拍圖像進行初步分析和具體定位。

第三，對隔離柵缺損、標志缺損、標線缺損等公路沿線設(shè)施損壞，以及綠化管護不善等問題進行實時監(jiān)控，以便于及時采取維修措施，消除安全隱患。

第四，實現(xiàn)路基技術(shù)狀況指數(shù)（SCI）、沿線設(shè)施技術(shù)狀況指數(shù)（TCI）、路面損壞狀況指數(shù)（PCI）自動評定，為公路全路況自動化評定打下基礎(chǔ)，為后期高速公路路面監(jiān)測、養(yǎng)護提供大量數(shù)據(jù)支持，為路面病害處理提供理論依據(jù)。

4.3 在高速公路邊坡巡查中的應(yīng)用

高速公路山區(qū)段邊坡是巡查和養(yǎng)護的重點，也是難點之一。在有大降雨發(fā)生時，如果排水設(shè)施出現(xiàn)異常，容易引發(fā)邊坡滑坡、內(nèi)部破壞變形等問題，因此定期巡查和養(yǎng)護邊坡十分必要[6]。然而，傳統(tǒng)的邊坡巡查方式是人工巡查，工作人員攀爬邊坡既耗時費力，又存在安全隱患。此外，由于山區(qū)邊坡地形復(fù)雜、地勢險要，僅靠人工無法巡查到邊坡的每一處，會存在多處盲點和死角，整體工作效率較低。

無人機小巧靈活、測量精度高，且不受氣象和地理條件限制，可以根據(jù)高速公路邊坡養(yǎng)護巡查的內(nèi)容和要求制訂自動巡查路線，能夠減少工作人員數(shù)量和工作量[7-8]。無人機能夠到達工作人員無法到達的危險位置和巡查死角，并從多個角度采集信息。同時，無人機可以將拍攝的視頻和圖片等數(shù)據(jù)信息即時上傳至指揮中心，幫助工作人員準確判別邊坡狀態(tài)，并選取病害點或病害嫌疑點作為二次巡查的采集點，進而制訂針對性的邊坡養(yǎng)護方案。

4.4 在公路橋梁專項病害檢測中的應(yīng)用

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，目前可利用大疆M300型無人機掛載紅外熱像儀和大疆御2 行業(yè)進階版無人機掛載高分辨率光學(xué)相機進行公路橋梁專項病害檢測。這些無人機可以在高空任意點懸停，并通過攝像系統(tǒng)對特定位置的檢測對象進行攝像，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集。具體來說，機載的紅外熱像儀主要采集公路橋梁主體構(gòu)件的熱成像，機載攝像機則主要采集公路橋梁底面、節(jié)點板等構(gòu)件的細部圖像。

目前，搭載無人機的攝像系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸模擬圖像數(shù)據(jù)，通過掃描拾取圖像信號、壓縮頻帶、信道處理形成圖像信號，這樣地面站可以實時了解攝像機、紅外熱像儀的掃描過程，并為數(shù)字圖像和熱成像攝取提供數(shù)據(jù)保障[9-10]。結(jié)合養(yǎng)護部門提供的相關(guān)資料及現(xiàn)有的智能化養(yǎng)護平臺，在Matlab 語言（C 語言）環(huán)境下，通過去噪、銳化、圖像增強等手段提取橋梁檢測對象的數(shù)字圖像特征，可以通過病害算法智能輸出橋梁橋面坑槽、車轍、擁包、錯臺、伸縮裝置破損、墩柱破損、支座變形、板底裂縫等病害的檢測結(jié)果及養(yǎng)護方法。

4.5 在公路隧道專項病害檢測中的應(yīng)用

雖然目前無人機技術(shù)無法實現(xiàn)隧道內(nèi)部病害巡查，但通過樣本數(shù)據(jù)庫提供的照片，可以對隧道洞口邊坡有無危石、積水、積雪，構(gòu)造物有無開裂、傾斜、沉陷，以及洞門結(jié)構(gòu)有無開裂、傾斜、沉陷、錯臺、起層、剝落、滲漏水等病害進行初步判斷。

4.6 在路產(chǎn)管理方面的應(yīng)用

可利用無人機對高速公路紅線內(nèi)的路面、沿線設(shè)施、路基等進行不同角度、方位的巡航與拍攝，并結(jié)合傾斜攝影技術(shù)，形成公路資產(chǎn)三維點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字公路平臺搭建[11]。同時，對傳統(tǒng)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)進行改造升級，利用ArcGIS（地理信息系統(tǒng)）架構(gòu)及DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)庫，將三維點云數(shù)據(jù)通過BIM 模型的方式疊加到原有GIS 地圖上，將公路自動化評價的檢測、養(yǎng)護、應(yīng)急等多種數(shù)據(jù)進行疊加，最終形成高精度公路資產(chǎn)管理系統(tǒng)，為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢、道路橋梁檢評、病害分布分析、養(yǎng)護工程規(guī)劃等提供支持，為高速公路養(yǎng)護提供支撐，達到公路資產(chǎn)設(shè)施全要素數(shù)字化、公路布局節(jié)點全動態(tài)感知化、公路資產(chǎn)數(shù)據(jù)治理標準統(tǒng)一化、公路業(yè)務(wù)協(xié)同治理全壽命智能化。

5 結(jié)語

隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展和工程實踐的深入，無人機已廣泛應(yīng)用于公路養(yǎng)護的各個層面，如日常巡查、結(jié)構(gòu)物檢查、應(yīng)急保通、工程勘察、資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析等。相較于傳統(tǒng)的高速公路養(yǎng)護方式，無人機具有更高的機械化水平、更短的巡查周期、更高的巡查效率和更高的安全性。通過搭載先進的檢測設(shè)備或攝像頭，無人機可以直觀、準確地獲取高速公路養(yǎng)護所需的數(shù)據(jù)資料，并具有高精度、高自動化、高可信度等優(yōu)點，能夠提升高速公路養(yǎng)護水平和管理能力，并創(chuàng)造更大的社會和經(jīng)濟效益。