陳 旭

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著城市軌道交通運(yùn)營時(shí)間、運(yùn)營里程和客運(yùn)量的逐漸增加，各城市軌道交通都逐漸出現(xiàn)了設(shè)備老化的現(xiàn)象，設(shè)備可靠性不斷降低，故障率持續(xù)上升。同時(shí)因安全運(yùn)營的要求不斷提高以及人員成本的不斷激增，運(yùn)行可靠性和運(yùn)營成本兩方面的要求，需要城市軌道交通運(yùn)維模式更加智能化。與傳統(tǒng)運(yùn)維線路相比，智能化線路在人工成本、維修模式、可靠性及對(duì)外服務(wù)質(zhì)量等方面都存在明顯優(yōu)勢(shì)。智能化運(yùn)維是實(shí)現(xiàn)降本增效、提升運(yùn)營質(zhì)量的有效途徑。城市軌道交通智能運(yùn)維是行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，雖然勢(shì)不可擋，但任重而道遠(yuǎn)。要搶占先機(jī)，就需要當(dāng)前的軌道交通建設(shè)、運(yùn)營企業(yè)居安思危，積極探索城市軌道交通運(yùn)營維保社會(huì)化的方式，選擇科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化以及性價(jià)比最佳的運(yùn)維模式。

1 城軌運(yùn)維管理現(xiàn)狀

城市軌道交通行業(yè)運(yùn)維管理以人為中心開展的人力管理、人工巡檢、人工組織搶修和維護(hù)都存在很多不足的地方，例如人工巡檢耗時(shí)、效率低、質(zhì)量低以及持續(xù)性低；故障監(jiān)測(cè)及處置的實(shí)時(shí)性、全面性有待提高，缺乏預(yù)測(cè)手段；人工組織搶修時(shí)故障原因難定位、故障延時(shí)長以及搶修資源難到位，使運(yùn)營影響變得不確定。

在《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》等一系列政策“提高運(yùn)營管理智能水平，加快完善現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系”的思想指導(dǎo)下，城市軌道交通行業(yè)在智能化運(yùn)維上有了對(duì)新發(fā)展方向的新要求，深入推動(dòng)各類智能運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用，并取得了顯著的成效[1]。

2 無人機(jī)應(yīng)用案例分析

無人機(jī)在行業(yè)上的應(yīng)用已極為廣泛，在公共安全、石油天然氣、電力以及測(cè)繪行業(yè)都有所應(yīng)用。行業(yè)應(yīng)用級(jí)無人機(jī)主要由3 個(gè)部件構(gòu)成，分別為飛行平臺(tái)、負(fù)載設(shè)備以及軟件系統(tǒng)。其中飛行平臺(tái)為多旋翼無人機(jī)，根據(jù)用途及參數(shù)要求的不同可細(xì)分為多種規(guī)格型號(hào)；負(fù)載設(shè)備為具備某些特定功能的攝像頭，例如集變焦相機(jī)、廣角相機(jī)、熱成像相機(jī)以及激光測(cè)距儀于一身的攝像頭；軟件系統(tǒng)可提供從航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)獲取和模型重建到數(shù)據(jù)分析的一站式內(nèi)外業(yè)解決方案。

城市軌道交通行業(yè)中某地鐵公司在2020 年已成功將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于對(duì)110 kV 電力架空線路的檢修以及對(duì)洞口、護(hù)坡和高架橋等地鐵土建結(jié)構(gòu)的檢查。同時(shí)在山體滑坡、洪水暴發(fā)、地震災(zāi)害以及雷雨臺(tái)風(fēng)等特殊天氣情況下，無人機(jī)能夠從空中及時(shí)地對(duì)運(yùn)營線路的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行勘測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，保證其不受交通狀況的影響。下面重點(diǎn)對(duì)110 kV 架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢智能運(yùn)維項(xiàng)目的應(yīng)用案例進(jìn)行說明。

2.1 110 kV 電力架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢智能運(yùn)維項(xiàng)目背景

某地鐵某一主所的兩路110 kV 進(jìn)線電源包括7.6 km 架空線路，其中架空線路共有28 座架空桿塔。架空線路設(shè)備設(shè)施分布于高山密林之中，沿途共跨越10 座山，是一條翻山越嶺且周邊環(huán)境極為復(fù)雜的架空線路。該架空線路以往主要依靠人工利用望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備輔助觀察和巡視，只能從下往上觀察，存在巡視盲區(qū)。架空線及附件距離地面約30 m，人工使用望遠(yuǎn)鏡的巡視模式過于原始，巡視質(zhì)量受較多客觀條件的限制，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。同時(shí)由于28 座桿塔大部分處于高山密林之中，人員難以到達(dá)，在這樣惡劣的環(huán)境中開展作業(yè)，效率低下并存在安全隱患。

2.2 無人機(jī)智能運(yùn)維模式探索

針對(duì)上述人工運(yùn)維成本高及運(yùn)維效果有限的問題，該地鐵公司研究使用無人機(jī)技術(shù)搭建無人機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)、數(shù)據(jù)建模和智能自動(dòng)巡視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以自動(dòng)機(jī)巡的巡檢模式對(duì)架空輸電線路進(jìn)行巡視以及對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。該智能運(yùn)維技術(shù)的應(yīng)用可以達(dá)到降本增效的目的，減少巡視盲區(qū)并提高巡視質(zhì)量，同時(shí)提升檢修效率并保護(hù)巡檢人員的人身安全，進(jìn)一步保證設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.3 無人機(jī)智能運(yùn)維建設(shè)方案

2.3.1 建模流程

通過對(duì)無人機(jī)自動(dòng)巡視110 kV 電力架空線路的深入分析和設(shè)計(jì)，整個(gè)建模分為2 個(gè)部分，即外部數(shù)據(jù)采集和內(nèi)部數(shù)據(jù)處理。外部數(shù)據(jù)采集主要分為2 個(gè)部分：現(xiàn)場(chǎng)踏勘和自動(dòng)飛行航線設(shè)計(jì)。內(nèi)部數(shù)據(jù)處理分為照片拍攝、軟件系統(tǒng)內(nèi)模型構(gòu)建及DLG 線畫圖采集。整個(gè)建模流程如圖1 所示。

圖1 建模流程圖

2.3.2 外業(yè)采集數(shù)據(jù)

2.3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

對(duì)110 kV 架空線路設(shè)備、沿線地理位置、自然環(huán)境及路徑走向進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查

2.3.2.2 航線設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果設(shè)計(jì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集航線，無人機(jī)根據(jù)航線進(jìn)行飛行并采集數(shù)據(jù)。

2.3.3 內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)

2.3.3.1 航空攝影

根據(jù)設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)采集航線，用無人機(jī)對(duì)110 kV 架空線路設(shè)備（含周邊環(huán)境）進(jìn)行多方位拍照，以獲取建模所需要的數(shù)據(jù)。

2.3.3.2 模型重建

利用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)航空攝影采集的建模數(shù)據(jù)進(jìn)行快速運(yùn)算，搭建3D 模型并輸出質(zhì)量報(bào)告。

2.3.3.3 DLG 線劃圖采集

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地形圖進(jìn)行掃描，人機(jī)信息交互將其相關(guān)要素矢量化，也就是在DRG 背景數(shù)據(jù)上，采用人機(jī)信息互交的模式進(jìn)行DLG 數(shù)據(jù)的采集及屬性錄入，屬性數(shù)據(jù)主要由DRG 來獲取；當(dāng)有新DOM 以及專業(yè)數(shù)據(jù)資料時(shí)，應(yīng)參照預(yù)處理圖，在DRG 與DOM 疊合的基礎(chǔ)上，以DOM 為背景對(duì)更新要素進(jìn)行圖形采集，同時(shí)賦屬性值；當(dāng)發(fā)現(xiàn)矢量要素與其DOM 同名影像位置的套合誤差在某些部位超限時(shí)，應(yīng)以DOM 為準(zhǔn)，對(duì)矢量要素進(jìn)行修正。目前常用的國內(nèi)外矢量化軟件或GIS 和CAD 軟件都是利用矢量化功能將掃描影像矢量化后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的系統(tǒng)中。

利用省CORS 系統(tǒng)（CGCS2000 國家坐標(biāo)系），采用GNSS 接收機(jī)RTK 模式直接布設(shè)圖根控制點(diǎn)，使用全站儀采用極坐標(biāo)方式測(cè)定明顯地物點(diǎn)的坐標(biāo)，通過對(duì)比檢測(cè)坐標(biāo)與成果圖獲取坐標(biāo)來檢測(cè)地形圖的平面精度。把三維模型上量取的檢核點(diǎn)的坐標(biāo)與實(shí)測(cè)的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，完成精度評(píng)定[2]。

2.3.4 自動(dòng)巡視航線規(guī)劃

根據(jù)110 kV 架空線路的巡視要求，在大疆智圖軟件上設(shè)置自動(dòng)巡視線路航點(diǎn)及拍照點(diǎn)，無人機(jī)與架空線路保持不小于5 m 的安全距離，根據(jù)無人機(jī)攝像頭的功能性可適當(dāng)增加無人機(jī)與架空線的距離。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)飛行調(diào)試時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況對(duì)航線進(jìn)行調(diào)整，以更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。

2.4 無人機(jī)智能運(yùn)維應(yīng)用成果

通過應(yīng)用無人機(jī)、自動(dòng)飛行軟件以及圖像智能識(shí)別技術(shù)等對(duì)110 kV 架空線路的巡視進(jìn)行建模，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，整體效果良好，達(dá)到了運(yùn)營供電檢修人員的要求。110 kV 架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢智能運(yùn)維項(xiàng)目所取得的主要成果如下：1）因?yàn)?10 kV 架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢智能運(yùn)維系統(tǒng)無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、操作方便，所以便于檢修人員遠(yuǎn)程對(duì)復(fù)雜地形的110 kV 架空線路進(jìn)行快速有效檢修，改變了傳統(tǒng)人員爬山涉水的檢修模式，極大地提高了檢修效率。同時(shí)檢修人員無須頻繁進(jìn)入惡劣環(huán)境，有效避免自然環(huán)境對(duì)人身的傷害，規(guī)避了作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。2）110 kV 架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢智能運(yùn)維系統(tǒng)識(shí)別靈敏度高，可以對(duì)導(dǎo)線、地線、絕緣子串以及金具等部位開展精細(xì)化巡視。還可以利用高倍率攝像頭對(duì)架空線路設(shè)備進(jìn)行拍照，通過照片可以清晰觀察設(shè)備的外觀狀態(tài)，從而清晰分辨銷釘級(jí)缺陷（如圖2 所示），得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量高于人工巡視的質(zhì)量；同時(shí)，采用無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)架空線路設(shè)備的360°巡視，解決了純?nèi)斯ぱ惨暷Ｊ街胁豢杀苊獾难惨暶^(qū)，滿足精細(xì)化巡視的運(yùn)維需求。3）110 kV架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢智能運(yùn)維系統(tǒng)具有較大的兼容性，通過更換不同功能的攝像頭，可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)其他功能。例如使用具有紅外熱成像功能的攝像頭可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱成像掃描，分析設(shè)備溫度分布情況，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常發(fā)熱的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。4）110 kV 架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢智能運(yùn)維系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷設(shè)備缺陷并輸出報(bào)告。該智能運(yùn)維系統(tǒng)搭載人工智能缺陷識(shí)別系統(tǒng)，其基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波矩的圖像識(shí)別方法，對(duì)人巡、機(jī)巡的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速識(shí)別并分析處理，支持識(shí)別絕大部分110 kV 架空線路隱患類別和絕緣子、端子、防震錘以及銷釘級(jí)的架空桿塔本體部件缺陷類別（如圖3 所示）。通過建立設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)庫，利用智能識(shí)別技術(shù)，將無人機(jī)自動(dòng)巡視過程中拍攝的照片與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行智能比對(duì)，自動(dòng)判斷設(shè)備是否存在缺陷并輸出報(bào)告。

圖2 110 kV 架空線路無人機(jī)自動(dòng)巡檢效果圖

圖3 智能缺陷識(shí)別系統(tǒng)

3 無人機(jī)其他應(yīng)用案例

無人機(jī)在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用已覆蓋到多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，除應(yīng)用于前文介紹的電力設(shè)備巡視外，無人機(jī)還應(yīng)用于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和露天設(shè)備的日常巡視。使用傳統(tǒng)檢測(cè)手段對(duì)高架線路橋梁的定期檢查，主要依靠肉眼或者輔助工具（例如望遠(yuǎn)鏡等）來完成，主要檢測(cè)橋梁構(gòu)件是否出現(xiàn)開裂、支座脫空、露筋銹蝕以及裂縫破損等病害。傳統(tǒng)檢測(cè)方法和手段存在很大的局限性，操作難度大，存在檢查盲區(qū)。同時(shí)人工進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)檢查的效率很低、難度很大且危險(xiǎn)系數(shù)很高。而應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行輔助檢查后，將在很大程度上解決這些難題。針對(duì)橋梁的橋塔、橋墩、支座以及橋腹等部位及螺栓脫落的檢測(cè)，無人機(jī)具備很多的優(yōu)勢(shì)，檢查方便快捷、省時(shí)省力、無檢查盲區(qū)且無人員安全風(fēng)險(xiǎn)（如圖4 所示）。

圖4 無人機(jī)巡檢高架、露天設(shè)備

無人機(jī)還可以在雷雨、大風(fēng)等特殊天氣前后對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)及對(duì)周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行排查，根據(jù)圖片判斷是否存在異物侵入軌行區(qū)或者山體滑坡等隱患（如圖5 所示），不僅大大提高了檢查效率，而且解決了人員難以及時(shí)進(jìn)入?yún)^(qū)域檢查的困難。

圖5 無人機(jī)排查高架、洞口風(fēng)險(xiǎn)隱患

4 結(jié)語

無人機(jī)的使用讓城市軌道交通向智能運(yùn)維又邁進(jìn)了一步。無人機(jī)智能運(yùn)維不僅在城市軌道交通行業(yè)電力專業(yè)架空線路等室外電力設(shè)備巡視中應(yīng)用，也可以在洞口、護(hù)坡以及高架橋等地鐵土建結(jié)構(gòu)巡視中應(yīng)用，在山體滑坡、地震災(zāi)害、洪水暴發(fā)以及雷雨臺(tái)風(fēng)等特殊天氣中使用無人機(jī)可快速地對(duì)線路的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排查，不受路面交通狀況的影響。雖然無人機(jī)加入智能運(yùn)維系統(tǒng)只是城市軌道交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維的一個(gè)小縮影，但是在城市軌道交通行業(yè)的智能運(yùn)維上屬于大膽的嘗試和重大突破，其帶來的效益也是巨大的。

綜上所述，智能運(yùn)維能為城市軌道交通的運(yùn)營帶來3 個(gè)方面的提升，這也是城市軌道交通運(yùn)營的目標(biāo)：1）安全能力提升。提升設(shè)備可靠度、可用度，同時(shí)快速有效地對(duì)臨時(shí)故障進(jìn)行應(yīng)急處置，保障運(yùn)營安全。2）運(yùn)維效能提升。減少維護(hù)用時(shí)，增大運(yùn)營時(shí)長；降低設(shè)備故障，保證最大運(yùn)能，做到維護(hù)和運(yùn)營聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化運(yùn)營策略。3）成本效益提升，降低維護(hù)工時(shí)和維護(hù)成本，降低設(shè)備替換和備用成本，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。