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(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(tuán)有限公司，北京100081

截至2020年底，我國鐵路運(yùn)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(xiǎn)、量測(cè)精度低、有檢測(cè)盲區(qū)等問題，無法快速系統(tǒng)、全面準(zhǔn)確地分析評(píng)判。隨著鐵路檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)向天空地立體化發(fā)展，無人機(jī)逐漸被應(yīng)用于鐵路巡檢中［1］。

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是由人為遠(yuǎn)程操控或由程序控制飛行的不載人飛行器。無人機(jī)技術(shù)以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，通過搭載的傳感設(shè)備獲取地物信息，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、獲取數(shù)據(jù)快和數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)。該技術(shù)最早于20世紀(jì)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(jī)對(duì)橋梁、軌道、路基等不同結(jié)構(gòu)物服役狀態(tài)進(jìn)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(jī)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(jī)巡檢的不足，并對(duì)其未來進(jìn)行展望。

1 無人機(jī)技術(shù)簡介

無人機(jī)按照飛行平臺(tái)構(gòu)型可分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)。各機(jī)型無人機(jī)特點(diǎn)對(duì)比見表1。目前鐵路中使用較多的是固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。

表1 不同機(jī)型無人機(jī)特點(diǎn)

無人機(jī)通過搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)、激光掃描儀、紅外掃描儀、磁測(cè)儀、合成孔徑雷達(dá)等傳感設(shè)備獲取地物信息。根據(jù)搭載檢測(cè)設(shè)備和處理軟件的不同，鐵路無人機(jī)巡檢主要分為傾斜攝影測(cè)量和激光雷達(dá)測(cè)量兩種。傾斜攝影測(cè)量是在無人機(jī)上搭載多個(gè)攝像設(shè)備，分別從垂直和傾斜方向同時(shí)對(duì)地物多角度拍攝，不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)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(dá)測(cè)量利用三維激光掃描系統(tǒng)，采集測(cè)量對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。與傾斜攝影測(cè)量相比，其最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是利用激光雷達(dá)主動(dòng)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(shí)地形特征。目前常用的激光雷達(dá)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(jī)巡檢流程主要包括巡檢準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理三個(gè)階段。巡檢準(zhǔn)備階段根據(jù)巡檢對(duì)象及檢測(cè)要求，預(yù)設(shè)像控點(diǎn)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(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行模態(tài)的控制和任務(wù)管理，利用機(jī)載檢測(cè)設(shè)備獲取地物信息。數(shù)據(jù)處理階段利用軟件對(duì)拍攝圖像、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)等進(jìn)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(duì)成果進(jìn)行分析。

目前主要采用兩種方法對(duì)無人機(jī)巡檢結(jié)果進(jìn)行分析：①生成影像，采用人工識(shí)別或智能識(shí)別技術(shù)對(duì)拍攝影像進(jìn)行分析，查看環(huán)境信息，識(shí)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(duì)象整體情況，可進(jìn)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(duì)比不同時(shí)段的模型，分析巡檢對(duì)象及周邊環(huán)境的變化情況。

2 無人機(jī)在鐵路巡檢中的應(yīng)用情況

2.1 無人機(jī)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(cè)主要是人工攀爬或借助腳手架、吊車等工具進(jìn)行，檢測(cè)效率較低，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，且存在檢測(cè)盲區(qū)。利用無人機(jī)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)需求規(guī)劃巡檢航線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁支座、橋墩、橋面、橋腹、橋塔等部位的定點(diǎn)拍攝，安全快速全面獲取橋梁影像，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)橋梁巡檢航線及拍攝點(diǎn)示意

目前無人機(jī)鐵路橋梁巡檢內(nèi)容主要包括螺栓脫落檢測(cè)、橋體裂縫檢測(cè)、纜索聚乙烯防護(hù)層破損檢測(cè)、支座滑移檢測(cè)等。侯海方［2］利用多旋翼無人機(jī)搭載高清攝像頭對(duì)橋墩進(jìn)行拍攝，通過圖像分析標(biāo)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(cè)系統(tǒng)判斷高強(qiáng)螺栓是否松弛。成都局利用無人機(jī)對(duì)梁側(cè)、梁底、墩身中上部等人工不易到達(dá)和觀察的特殊部位每半年進(jìn)行一次巡檢。以往主要采用人工識(shí)別方式對(duì)無人機(jī)拍攝影像進(jìn)行分析，效率較低且不易定量分析。近年來隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，智能識(shí)別算法也應(yīng)用于無人機(jī)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(shí)現(xiàn)智能識(shí)別橋墩掉塊、露筋區(qū)域并計(jì)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(shí)別技術(shù)，對(duì)裂縫圖像識(shí)別精度達(dá)到了0.1 mm，實(shí)現(xiàn)了橋梁的無人化檢測(cè)。

2.2 無人機(jī)在鐵路軌道巡檢中的應(yīng)用

無人機(jī)在鐵路軌道巡檢中的應(yīng)用主要在鋼軌識(shí)別、軌道中心線檢測(cè)、軌枕損傷檢測(cè)等方面。劉成等［5］編寫了圖像處理程序，對(duì)無人機(jī)獲取的軌道圖像進(jìn)行處理與分析，采用連通區(qū)域檢測(cè)算法識(shí)別出軌道區(qū)域，再利用邊緣檢測(cè)、霍夫直線變換等技術(shù)識(shí)別出軌道，計(jì)算出軌道中心線的坐標(biāo)。張森［6］通過改進(jìn)區(qū)域生長算法，實(shí)現(xiàn)軌道點(diǎn)云數(shù)據(jù)中鋼軌點(diǎn)云的分割，同時(shí)采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝方法處理鋼軌三維點(diǎn)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(shí)別。徐崇文［7］結(jié)合圖像處理算法及機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，將無人機(jī)拍攝的復(fù)雜背景圖片作為訓(xùn)練集進(jìn)行直線探測(cè)、鐵軌分離、物體探測(cè)等，但對(duì)物體識(shí)別的準(zhǔn)確率僅20%。目前無人機(jī)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(jìn)一步研發(fā)高精度無人機(jī)測(cè)量技術(shù)和圖像處理技術(shù)。

2.3 無人機(jī)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(gè)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(cè)精度低，無法對(duì)潛在隱患進(jìn)行快速準(zhǔn)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(xiǎn)地段，無人機(jī)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(xiǎn)性。通過航拍攝影圖像建立三維模型，無人機(jī)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(shí)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(shí)別［8］。

目前各鐵路局、設(shè)計(jì)院和研究單位陸續(xù)采用無人機(jī)進(jìn)行鐵路路基及沿線地質(zhì)災(zāi)害巡檢。成都局采用無人機(jī)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(diǎn)影像，結(jié)合激光雷達(dá)數(shù)字集和光譜特征集提取目標(biāo)物的密度和強(qiáng)度、水域、植被覆蓋、斷面等數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害隱患排查，并建立3D模型實(shí)現(xiàn)邊坡高度、坡率等數(shù)據(jù)的查詢。通過對(duì)比分析根據(jù)同一區(qū)段不同時(shí)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(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患。西安局通過無人機(jī)拍攝的影像資料對(duì)滑坡、陷穴、危巖落石等病害進(jìn)行標(biāo)記研判，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理，按線別、設(shè)備類型建立無人機(jī)影像數(shù)據(jù)庫，并對(duì)重點(diǎn)地段進(jìn)行周期性檢查與對(duì)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(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查情況進(jìn)行綜合分析，開展隱患排查、應(yīng)急搶險(xiǎn)工作。南寧局利用無人機(jī)對(duì)鐵路沿線進(jìn)行全線航拍攝影，實(shí)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(shí)對(duì)重點(diǎn)地段建立三維實(shí)景模型，查詢距離、坡度等數(shù)據(jù)，計(jì)算可能發(fā)生的崩塌、滑坡體積。北京局對(duì)邯鄲—長治鐵路K14+000—K123+000段地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行排查與評(píng)估時(shí)，采用無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)獲取該區(qū)段山體激光雷達(dá)點(diǎn)云圖（圖2），直觀觀察滑坡災(zāi)害的整體情況，同時(shí)建立鐵路軌道及其周圍的三維地質(zhì)模型，進(jìn)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(xiǎn)方案的制定及實(shí)施提供支撐。馮威［9］分別采用傾斜攝影技術(shù)和機(jī)載雷達(dá)三維掃描技術(shù)對(duì)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(jìn)行勘測(cè)，結(jié)果表明在復(fù)雜艱險(xiǎn)環(huán)境采用無人機(jī)可以有效提高勘測(cè)精度和效率。李嘉雨等［10］將輕型無人機(jī)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(xiǎn)，提高了勘察精度和效率。楊力龍［11］利用輕小型無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，獲取隧道進(jìn)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(duì)危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

圖2 山體激光雷達(dá)點(diǎn)云圖

2.4 無人機(jī)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(jī)巡檢覆蓋范圍廣，周期短，受自然條件限制少，能提供高時(shí)效、多尺度的數(shù)據(jù)，直觀準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。鄭州局采用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)與衛(wèi)星數(shù)字地圖相結(jié)合的方式精準(zhǔn)排查高速鐵路周邊環(huán)境隱患。胡記緒［12］利用3D建模相機(jī)，構(gòu)建接觸網(wǎng)附加懸掛的三維立體場(chǎng)景，形象直觀地展示線路當(dāng)前的空間形態(tài)；利用熱成像鏡頭對(duì)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(jìn)行檢測(cè)。蔡志洲等［13］通過無人機(jī)拍攝的高分辨率影像，對(duì)鐵路施工期間周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)質(zhì)量和效率。徐建超［14］利用無人機(jī)拍攝的影像對(duì)武廣客運(yùn)專線開展了竣工驗(yàn)收工作，結(jié)果表明無人機(jī)拍攝的影像分辨率高、時(shí)效性強(qiáng)，將其與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料相結(jié)合，使驗(yàn)收工作效率大大提高。朱京海等［15］根據(jù)環(huán)保無人機(jī)拍攝的影像對(duì)京滬高速鐵路鎮(zhèn)江南站及周邊的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)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(jìn)行了定量分析與評(píng)價(jià)。

3 鐵路無人機(jī)巡檢的不足及發(fā)展方向

目前無人機(jī)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(jī)在鐵路巡檢中的應(yīng)用還處于起步階段。鐵路無人機(jī)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(jī)主要對(duì)單個(gè)工點(diǎn)進(jìn)行巡檢并建立局部模型，缺少對(duì)整條線路的建模與分析。建議進(jìn)一步研究無人機(jī)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(tái)賬，實(shí)現(xiàn)鐵路設(shè)備與沿線環(huán)境精細(xì)化管理。

2）目前對(duì)無人機(jī)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(duì)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(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及三維數(shù)字化模型進(jìn)行處理，提高鐵路安全隱患與風(fēng)險(xiǎn)源的智能辨識(shí)能力。

3）根據(jù)鐵路巡檢需求建立鐵路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，實(shí)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(jī)巡檢中使用的無人機(jī)型號(hào)、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(jī)巡檢規(guī)范化作業(yè)與管理難度較大。建議進(jìn)一步研究符合鐵路特點(diǎn)的無人機(jī)巡檢技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在鐵路巡檢中的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了無人機(jī)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(jī)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(shí)別技術(shù)、建立鐵路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)、統(tǒng)一巡檢標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)一步發(fā)展。