高昆　謝亮　呂夢

【摘 要】采用無人機(jī)技術(shù)，能夠提高高速公路外場作業(yè)的能力和效率，對應(yīng)急處置快速反應(yīng)、日常巡查管理都有十分重要的意義。但是無人機(jī)在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，需要明確邊坡養(yǎng)護(hù)巡查的內(nèi)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(shí)受到的約束條件。根據(jù)上述三點(diǎn)內(nèi)容，本文進(jìn)行詳細(xì)的分析，希望對無人機(jī)在高速公路巡檢有所助益。

【關(guān)鍵字】高速公路；無人機(jī)；高邊坡；巡檢

中圖分類號(hào)： TM752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0122-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.054

1 邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查要求及內(nèi)容分類

一般來說，邊坡主要是指因?yàn)槿祟惞こ袒顒?dòng)需要對地形、地勢進(jìn)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(qiáng)。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(hù)管理公司將邊坡養(yǎng)護(hù)巡查分為日常養(yǎng)護(hù)巡查、定期檢查和專項(xiàng)檢查，以加強(qiáng)邊坡養(yǎng)護(hù)巡查及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

1.1 邊坡日常養(yǎng)護(hù)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(jìn)行分類；然后根據(jù)邊坡的類別制定不同的日常養(yǎng)護(hù)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(yīng)的巡查周期。當(dāng)出現(xiàn)暴雨或者進(jìn)入雨季時(shí)，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(hù)巡查周期短、頻率高。

1.1.2 巡查范圍

邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查一般要求下起路塹的排水溝、上不少于坡頂外側(cè)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(hù)構(gòu)造物進(jìn)行一般性的檢查。

1.2 邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查內(nèi)容

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

1.2.1 邊坡防護(hù)類型及巡查內(nèi)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(shí)，盡量與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào)、維持生態(tài)環(huán)境的相對平衡，施工過程中會(huì)根據(jù)地形、地質(zhì)等具體情況選擇相應(yīng)的防護(hù)工程措施。邊坡防護(hù)一般主要分為支擋結(jié)構(gòu)防護(hù)和坡面防護(hù)。

（1）支擋結(jié)構(gòu)防護(hù)

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

（2）坡面防護(hù)

坡面防護(hù)主要針對穩(wěn)定性好的邊坡，一般用來防護(hù)開挖的邊坡坡面巖體風(fēng)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(hù)。

1.2.2 排水設(shè)施巡查內(nèi)容

由于大氣降雨引起的坡面徑流會(huì)沖刷道路邊坡，雨水的入滲會(huì)引起地下水位的變化會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，因此在邊坡設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)要求在邊坡的坡頂、坡面、坡腳和邊坡中部平臺(tái)設(shè)置排水系統(tǒng)，多雨地區(qū)應(yīng)采取坡面防護(hù)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(shè)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(shè)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(shè)施的有效性。

2 邊坡巡查問題分析

目前無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并且取得了不錯(cuò)的成果，但受限于無人機(jī)飛行控制技術(shù)、GPS定位精度等因素，無人機(jī)的安全作業(yè)與其作業(yè)環(huán)境有很大的關(guān)聯(lián)。為了保證無人機(jī)在邊坡巡檢中的實(shí)用性，進(jìn)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(diǎn)。

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

（2）邊坡上空環(huán)境復(fù)雜。不少邊坡周圍設(shè)有供電設(shè)施，輸電導(dǎo)線橫跨于邊坡上空。輸電導(dǎo)線會(huì)根據(jù)不同的用電需求被分成不同的等級(jí)，而架設(shè)不同等級(jí)電線的對地高度是不同的，部分邊坡上空甚至有不同等級(jí)的電線相互交錯(cuò)。

（3）為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、通信信號(hào)全覆蓋，架設(shè)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(huì)干擾無人機(jī)與地面之間的遙控信號(hào)，使得遙控距離大幅度縮短而影響無人機(jī)的飛行控制，導(dǎo)致無人機(jī)出現(xiàn)失衡等情況。

（4）高速公路邊坡位于高速公路的兩側(cè)，且邊坡的坡腳一般距離道路較近。高速公路上會(huì)不定時(shí)地經(jīng)過高速行駛的車輛，而在日常的養(yǎng)護(hù)巡查中是不會(huì)對道路進(jìn)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(jī)動(dòng)車拖拉機(jī)、輪式專用機(jī)械車、鉸接式客車、全掛拖斗車以及其他設(shè)計(jì)最高時(shí)速低于70公里的機(jī)動(dòng)車不得進(jìn)入高速以外，其他機(jī)動(dòng)車輛若滿足相關(guān)要求，均可以進(jìn)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(diǎn)分析

（1）巡查重點(diǎn)

邊坡一般是在坡體內(nèi)部存在的潛在變形、滑動(dòng)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(huì)導(dǎo)致水毀；同時(shí)，地表水會(huì)深入轉(zhuǎn)化為地下水并對巖土介質(zhì)產(chǎn)生軟化作用大大降低巖土的強(qiáng)度，加上其對土體的潤滑作用容易導(dǎo)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(zāi)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(shè)施應(yīng)是日常養(yǎng)護(hù)巡查的重點(diǎn)[1]。

（2）巡查難點(diǎn)

在邊坡的日常養(yǎng)護(hù)巡查中主要是采用徒步（必要時(shí)借助繩索等防護(hù)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(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察。

3 無人機(jī)約束條件分析

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

3.1 無人機(jī)自身性能約束

3.1.1 續(xù)航時(shí)長

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

Ti

3.1.2 與障礙物的安全距離（水平方向）

將無人機(jī)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(jī)在飛行過程中，難免會(huì)有障礙物存在于無人機(jī)的航跡周圍或航跡內(nèi)，受限于無人機(jī)飛行控制技術(shù)及GPS定位精度等因素，需要確保無人機(jī)與障礙區(qū)之間的距離Lfact大于安全距離Lfact，避免無人機(jī)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(jī)受限于目前的科學(xué)技術(shù)水平，作業(yè)時(shí)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(fēng)力（風(fēng)向、風(fēng)場）、禁飛區(qū)等的威脅和干擾。通常這些威脅和干擾會(huì)作用于一定的范圍，故無人機(jī)在作業(yè)時(shí)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(chǎn)生的強(qiáng)大的電磁場的影響，設(shè)無人機(jī)與高壓線之間的安全距離為Lline。通過專利《無人機(jī)電力巡線安全距離檢測方法》和其在電力巡檢中的實(shí)際應(yīng)用可知，無人機(jī)與220KV的輸電線路之間的距離Lfact≥Lline=8米。

3.2.2 風(fēng)力

風(fēng)力不僅會(huì)影響無人機(jī)的穩(wěn)定，而且對無人機(jī)有效飛行時(shí)長有重要的影響。在有風(fēng)的情況下，無人機(jī)需要消耗大量的電量來抵抗風(fēng)力飛行；風(fēng)力過大時(shí)，甚至?xí)o人機(jī)直接卷走。目前市場上無人機(jī)能承受的最大風(fēng)力多在5級(jí)（9m/s）左右。

3.2.3 禁飛區(qū)、限飛區(qū)

近年來，未經(jīng)報(bào)批的無人機(jī)飛行導(dǎo)致航班延誤的事件頻頻發(fā)生；存在不法分子利用無人機(jī)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(shè)施、泄露國防機(jī)密的情況。為保障國家以及公民的安全，國務(wù)院相關(guān)部門帶頭開展無人駕駛航空器專項(xiàng)整治，相關(guān)法律法規(guī)指定了無人機(jī)的禁飛區(qū)和限飛區(qū)，禁飛區(qū)則禁止無人機(jī)在其區(qū)域的上空飛行；限飛區(qū)則是該范圍內(nèi)，無人機(jī)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(jī)和道路上車輛的安全運(yùn)行，無人機(jī)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離道路上空的，但由于任務(wù)需求需要飛行于道路上空時(shí)，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(yùn)輸部公布的《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》可知，一般情況下，要求貨車運(yùn)輸?shù)能囏浛偢叨葟牡孛嫠闫鸩坏贸^4米；根據(jù)在大件運(yùn)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(wù)要求

在高公路邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查過程中，通過無人機(jī)攜帶的攝像機(jī)對其進(jìn)行照片或視頻的拍攝，當(dāng)無人機(jī)的速度大于一定值時(shí)，拍攝的照片、視頻就會(huì)模糊，所以在無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置的時(shí)候減速或者懸停，需要根據(jù)地面采樣間隔GSD和實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語

本文對邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查的內(nèi)容和要求進(jìn)行了總結(jié)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(hù)巡查工作中存在的問題進(jìn)行了總結(jié)、分析。同時(shí)，從無人機(jī)自身性能、外部環(huán)境及任務(wù)要求三個(gè)方面對其在邊坡巡查應(yīng)用的約束條件進(jìn)行了分析。

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