趙宇杰 張?jiān)鲚x 張向天 校 艷 趙翔彥

（西安交通工程學(xué)院,陜西 西安 710300）

目前，我國(guó)高速鐵路與城市軌道交通發(fā)展迅速，為保證列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行，為乘客提供安全舒適的乘車(chē)體驗(yàn)，線路軌道的安全性則至關(guān)重要。近年來(lái)，縱觀國(guó)內(nèi)外，行車(chē)事故時(shí)有發(fā)生。例如，2020年3月5日，載有348名乘客的高速列車(chē)（斯特拉斯堡—巴黎TGV）在法國(guó)下萊茵省的安熱南市（Ingenheim）和薩埃索爾桑市（Saessolsheim）之間發(fā)生脫軌事故，包括列車(chē)司機(jī)在內(nèi)共有22人受傷。

多起行車(chē)事故的調(diào)查結(jié)果顯示，事故發(fā)生原因是區(qū)間固定設(shè)備故障，軌道異物闖入，因?yàn)?zāi)害導(dǎo)致軌道異常、信息無(wú)法及時(shí)回傳等。現(xiàn)常用的軌道巡檢方法為工務(wù)段巡道工進(jìn)行人工巡檢，該方法耗費(fèi)大量人力和工時(shí)且安全系數(shù)較低。若使用無(wú)人機(jī)巡檢，以取代人工巡檢，則將大幅提高線路軌道巡檢的作業(yè)效率。

1 無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

在5G環(huán)境下，無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，多個(gè)行業(yè)已將無(wú)人機(jī)納入常用設(shè)備的范疇，其中高壓輸電線路日常巡檢，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)異物探測(cè)，軍事遠(yuǎn)程打擊、巡航，攝影航拍技術(shù)等都是在此環(huán)境中的全新應(yīng)用。

1.1 我國(guó)鐵路巡檢與高壓輸電線路巡檢的異同

目前高壓輸電線路隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，架設(shè)的數(shù)目日漸增多，正面領(lǐng)著作業(yè)強(qiáng)度大、巡檢周期長(zhǎng)、部分線路檢修危險(xiǎn)等問(wèn)題[1]。為此，國(guó)家電網(wǎng)有限公司日常的高壓輸電線路巡檢工作中，采用人工巡檢和無(wú)人機(jī)巡檢相結(jié)合的全新模式以最大程度改善作業(yè)安全和工作量巨大等問(wèn)題。我國(guó)鐵路巡檢面臨著和高壓輸電線路巡檢的同樣問(wèn)題。傳統(tǒng)的人工巡檢模式面臨著巨額工作量、部分地區(qū)的高危工作環(huán)境和日漸低下的工作效率。在無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)終端操控?zé)o人機(jī)，利用無(wú)人機(jī)云臺(tái)所搭載的設(shè)備對(duì)被檢測(cè)線路進(jìn)行巡查和檢修。依據(jù)無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，可將無(wú)人機(jī)分為多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和復(fù)合翼無(wú)人機(jī)等多種類(lèi)型。無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)等大型無(wú)人機(jī)常用于軍事、石油勘探等領(lǐng)域。多旋翼無(wú)人機(jī)具有小巧靈活、可垂直起飛降、可精準(zhǔn)懸停等特點(diǎn)，適用于航拍、檢修等精密操作。

1.2 我國(guó)鐵路巡檢與機(jī)場(chǎng)異物探測(cè)的異同

機(jī)場(chǎng)異物是指出現(xiàn)在機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)域且容易給飛機(jī)安全飛行帶來(lái)威脅甚至造成損失的異物。這些異物包括動(dòng)植物、碎石塊和人工物件等，國(guó)際上通常稱(chēng)為Foreign Object Debris，簡(jiǎn)稱(chēng)FOD[1-2]。這類(lèi)異物在鐵路中也會(huì)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。針對(duì)此類(lèi)隱患，我國(guó)各條線路都在當(dāng)天運(yùn)行前開(kāi)行一輛時(shí)速高達(dá)300 km以上的特殊列車(chē)以保障線路無(wú)異物，及伴有線路巡道檢查線路，從而保障線路安全。然而，人工巡檢耗時(shí)耗力、效率低下且很難保障異物完全被清除。

1.3 無(wú)人機(jī)巡檢的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡檢有如下優(yōu)勢(shì)：可以在規(guī)劃線路進(jìn)行巡航；實(shí)時(shí)發(fā)出軌道異常報(bào)警信息；可以實(shí)時(shí)調(diào)用該線路的高分辨率圖像；可以極大提高巡檢效率。無(wú)人機(jī)云臺(tái)所搭載設(shè)備具有多樣性和良好的互換性，單次巡航可同時(shí)完成軌道異物探查、鐵軌無(wú)損探傷、線路周邊異常預(yù)警和線路現(xiàn)狀探查等一系列任務(wù)。

2 無(wú)人機(jī)巡檢所需設(shè)備

無(wú)人機(jī)在巡航中更多的是作為一種移動(dòng)平臺(tái)，需云臺(tái)所搭載的設(shè)備進(jìn)行配合，方能獲取各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 軌道異物探查

常用的遙感檢測(cè)手段包括可見(jiàn)光成像、紫外成像、紅外熱成像和激光雷達(dá)電能等。其中，光遙感監(jiān)測(cè)儀利用相機(jī)等可見(jiàn)光采集設(shè)備，用來(lái)檢查肉眼可見(jiàn)的線路問(wèn)題，如異物入侵線路、周邊設(shè)備形態(tài)異常等；紫外遙感檢測(cè)由于成本較高，暫不考慮；紅外熱成像遙感主要利用紅外熱成像儀等設(shè)備，檢測(cè)夜間道路上大型動(dòng)物或人類(lèi)誤闖，相較于人工檢測(cè)與光遙感檢測(cè)來(lái)說(shuō)，紅外熱成像遙感在夜晚可探測(cè)距離更廣、精確度更高；激光雷達(dá)檢測(cè)主要用于鐵路的地理信息測(cè)繪和定位導(dǎo)航，激光測(cè)距可檢測(cè)且記錄鐵軌的微小位移量并回傳給相關(guān)設(shè)備。

2.2 軌道無(wú)損探傷

工務(wù)段常用探傷方法為磁粉檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法。一般人工駕駛探傷車(chē)對(duì)每條鋼軌進(jìn)行檢測(cè)并查找故障。若使用無(wú)人機(jī)巡檢完成探傷工作，則無(wú)法滿足上述兩種探傷方法的高度需求，因此探傷方法應(yīng)換為激光檢測(cè)法。此方法相較于磁粉檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法，所需高度限制較為寬泛。

2.3 無(wú)人機(jī)選型

搭載云臺(tái)的無(wú)人機(jī)是新巡檢模式的基礎(chǔ)。固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)翼普遍較大，靈活度較低，不利于規(guī)避列車(chē)；無(wú)人直升機(jī)體積較大，控制難度和使用成本較高，雖其載重適當(dāng)，但成本過(guò)大，故不予考慮。多旋翼無(wú)人機(jī)相較于其他機(jī)型，懸停時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)性良好，可進(jìn)行精細(xì)操作考慮巡檢途中的規(guī)避動(dòng)作，精細(xì)操作選用多旋翼無(wú)人機(jī)。

3 無(wú)人機(jī)巡檢存在的關(guān)鍵問(wèn)題

無(wú)人機(jī)在巡檢線路的過(guò)程中，會(huì)拍攝大量的列車(chē)線路和附屬周邊設(shè)備的圖片，并獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)。由于這些圖片的智能處理還處于研究階段，后期還是需要人工處理。此外，現(xiàn)有線路巡檢無(wú)人機(jī)還不能做到完全自主巡檢，巡檢質(zhì)量在很大程度上還是取決于無(wú)人機(jī)巡檢人員的專(zhuān)業(yè)水平。因此，要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡檢模式，需要解決無(wú)人機(jī)續(xù)航、無(wú)人機(jī)自主巡航、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和大量數(shù)據(jù)處理四個(gè)核心問(wèn)題。

3.1 無(wú)人機(jī)續(xù)航

在無(wú)人機(jī)巡檢所遇問(wèn)題中，續(xù)航問(wèn)題已嚴(yán)重制約線路無(wú)人機(jī)巡檢的效率。目前，無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間通常為30 min左右。為了解決無(wú)人機(jī)的續(xù)航問(wèn)題，參考高壓輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢所采用的兩種方法：巡檢車(chē)改裝成移動(dòng)式機(jī)巢及固定于桿塔頂部的固定式機(jī)巢。解決巡航問(wèn)題有以下三種方法：（1）可在各車(chē)站設(shè)立無(wú)人機(jī)機(jī)巢。由于200 km/h以下雙線鐵路的站間距通常為15 km以上，現(xiàn)有多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)法滿足站與站之間的往返，故在兩站之間設(shè)立獨(dú)立機(jī)巢，以中心機(jī)巢為起始點(diǎn)向兩側(cè)車(chē)站巡航以實(shí)現(xiàn)續(xù)航時(shí)間的延長(zhǎng)，如圖1所示。

圖1 大功率無(wú)人機(jī)車(chē)站間往返

（2）改裝移動(dòng)式機(jī)巢車(chē)，在現(xiàn)有檢修車(chē)、平車(chē)或敞車(chē)加裝無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)與無(wú)人機(jī)操作設(shè)備，由飛手駕駛移動(dòng)式機(jī)巢車(chē)巡檢特定線路，當(dāng)無(wú)人機(jī)需能源補(bǔ)充時(shí)，返回機(jī)巢，達(dá)到能源的及時(shí)補(bǔ)充，如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)巢模式

基于無(wú)線充電，在一定距離的接觸網(wǎng)立柱頂端設(shè)立無(wú)線充電點(diǎn)，使固定線路能及時(shí)補(bǔ)充能源，如圖3所示。

圖3 立柱無(wú)線充電模式

其中，移動(dòng)式機(jī)巢車(chē)的人工、維護(hù)等成本較高，固定站點(diǎn)建設(shè)新站點(diǎn)的建筑成本高于接觸網(wǎng)改造。

3.2 無(wú)人機(jī)自主巡航

無(wú)人機(jī)飛行模式有兩種：基于飛手操控進(jìn)行不定向飛行；人工預(yù)設(shè)線路基于GPS按預(yù)設(shè)線路飛行。該方法能在一定程度上節(jié)省人力，但預(yù)設(shè)線路飛行導(dǎo)致應(yīng)變能力不足，難以靈活針對(duì)列車(chē)做出規(guī)避行為且易受環(huán)境干擾。我國(guó)鐵路系統(tǒng)有大量的橋隧結(jié)構(gòu)，無(wú)人機(jī)巡檢易受橫風(fēng)等不確定因素的影響，若要提高其應(yīng)變能力，以現(xiàn)有條件需要大量檢測(cè)設(shè)備與煩瑣的代碼支持，這無(wú)疑會(huì)增加成本，但此種飛行模式將是未來(lái)巡檢智能化的趨勢(shì)[3]。

3.3 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸

無(wú)人機(jī)巡航進(jìn)行線路異物探查，需要傳輸信息，達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警的效果，這就需要數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸具備高效性。在5G環(huán)境下，它的使用愈加廣泛。我國(guó)現(xiàn)有的鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)基本以窄通信為主，但面對(duì)乘客日益增長(zhǎng)的帶寬需求、鐵路行業(yè)自身發(fā)展的需要、交通強(qiáng)國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)需要向超高速、大寬帶、移動(dòng)性強(qiáng)的方向快速發(fā)展，這已成為目前鐵路行業(yè)的主流發(fā)展思路和演進(jìn)趨勢(shì)[4]。

5G網(wǎng)絡(luò)具有延遲極低，數(shù)據(jù)傳輸效率極高的特點(diǎn)。該技術(shù)在業(yè)務(wù)特性、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等多個(gè)方面將發(fā)生顯著變化。其中在業(yè)務(wù)特性方面，將增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、低時(shí)延高可靠通信（URLLC）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）等典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景逐步引入鐵路行業(yè)；部署最新鐵路5G專(zhuān)網(wǎng)方案功能架構(gòu)[4]。圖4表示無(wú)人機(jī)線路巡檢可將道路異常、異物等應(yīng)急信息接入5G專(zhuān)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源層，運(yùn)用5G的低時(shí)延高可靠通信（URLLC）快速傳達(dá)應(yīng)急信息，并及時(shí)反饋給列車(chē)司機(jī)和乘務(wù)人員，進(jìn)而及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

圖4 鐵路5G專(zhuān)網(wǎng)架構(gòu)

3.4 大量數(shù)據(jù)處理

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)巡檢所得數(shù)據(jù)中，具有較高自動(dòng)化處理水平的只有激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其只需特定應(yīng)用軟件并輔有少量人工干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)。其余兩種數(shù)據(jù)尚未達(dá)到較高的自動(dòng)化處理水平，須依靠專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行人為分析。隨著智能算法的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)云的逐年擴(kuò)大，未來(lái)或許可通過(guò)多方合作探索的方式，建立完善的軌道數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步節(jié)省人力。

4 實(shí)施方案

4.1 無(wú)人機(jī)巢

在大疆DJI Dock中型自動(dòng)飛行系統(tǒng)的協(xié)助下可達(dá)到半徑7 km的巡邏巡檢，該無(wú)人機(jī)重量90 kg且占地面積不足1 m2。在該無(wú)人機(jī)的應(yīng)用下可結(jié)合現(xiàn)有板車(chē)搭載大量無(wú)人機(jī)執(zhí)行巡檢任務(wù)。其內(nèi)部集成內(nèi)置天線、一體化氣象站、超廣角監(jiān)控相機(jī)和RTK基站在保障無(wú)人機(jī)飛行安全的同時(shí)，極大地降低使用難度。該平臺(tái)可遠(yuǎn)程制訂飛行計(jì)劃、自主作業(yè)的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)多路無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)高清直播，讓管理員可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，提高無(wú)人機(jī)的應(yīng)變能力。

綜上所述，在現(xiàn)有板車(chē)上安放DJI Dock作為機(jī)巢，巡檢時(shí)封閉線路，多架無(wú)人機(jī)分批次進(jìn)行巡檢，當(dāng)能源不足時(shí)第一批次巡檢機(jī)歸巢，第二、三批次巡檢機(jī)出動(dòng)，一切控制由飛手于車(chē)站或機(jī)巢附近通過(guò)5G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操控，達(dá)到巡檢全自動(dòng)，解放大量勞動(dòng)力。

4.2 激光無(wú)損檢測(cè)法

目前軌道常用的探傷法為超聲波探傷法與磁粉探傷法，這兩種檢測(cè)法要求探傷設(shè)備密接于被檢物件，無(wú)人機(jī)巡航無(wú)法滿足該檢測(cè)法高度需求，采用激光超聲技術(shù)可最大限度地放寬高度要求。激光超聲是由脈沖激光產(chǎn)生的在介質(zhì)中傳播的脈沖超聲[5]。

激光無(wú)損檢測(cè)法尚屬于新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具體技術(shù)仍需完善?，F(xiàn)階段常用激光超聲波檢測(cè)法、激光全息干涉檢測(cè)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，激光全息干涉法的使用仍存在被測(cè)件與探測(cè)設(shè)備的間距限制，無(wú)法完全滿足本模式的無(wú)人機(jī)飛行需求，而激光超聲技術(shù)雖在一定程度上與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)法有相似之處，但其在距離需求上優(yōu)于傳統(tǒng)方式。依據(jù)該檢測(cè)法原理圖改進(jìn)無(wú)人機(jī)云臺(tái)搭載設(shè)備，無(wú)人機(jī)以雙機(jī)為一編組，成隊(duì)列飛行，僚機(jī)搭載激光發(fā)生裝置，長(zhǎng)機(jī)搭載信號(hào)接收裝置，通過(guò)同一編組內(nèi)兩機(jī)間距保持不變，達(dá)到激光發(fā)生—反射—接收任務(wù)，并分析表面及內(nèi)部損傷狀況。

無(wú)人機(jī)擬定為大疆經(jīng)緯M30機(jī)型或大疆經(jīng)緯M30/T機(jī)型。該兩款機(jī)型所自帶的廣角變焦攝像頭可完成日照充足時(shí)軌道有明顯異物的探查工作；激光測(cè)距功能將實(shí)現(xiàn)巡檢時(shí)對(duì)鐵軌間軌距等距離信息的采集，并由后臺(tái)大數(shù)據(jù)進(jìn)行信息比對(duì)，分析鋼軌位移量及是否影響列車(chē)正常行駛。該模式可將無(wú)人機(jī)群分為兩大梯隊(duì)，第一梯隊(duì)云臺(tái)搭載激光超聲波發(fā)生裝置，擔(dān)任激光探傷發(fā)生源；第二梯隊(duì)云臺(tái)搭載信號(hào)接收裝置，飛行距離遠(yuǎn)，與第一梯隊(duì)負(fù)責(zé)接收信號(hào)發(fā)生源，并由被測(cè)件返回的各類(lèi)信號(hào)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至無(wú)人機(jī)操控員的信息終端。

5 小結(jié)

本文通過(guò)分析既有鐵路軌道的巡檢方式和無(wú)人機(jī)在其他行業(yè)的巡檢應(yīng)用，從而確定無(wú)人機(jī)巡檢運(yùn)用于線路巡檢的可行性，重點(diǎn)討論無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)在軌道巡檢中滿足的基礎(chǔ)條件，結(jié)合我國(guó)鐵路實(shí)際情況，提出5G環(huán)境下無(wú)人機(jī)在線路軌道巡檢的方案，這可提高鐵路巡檢效率，也可為未來(lái)鐵路巡檢改革提供一定的理論依據(jù)?，F(xiàn)階段主要問(wèn)題存在于基礎(chǔ)設(shè)備成本較高，無(wú)法大范圍使用，可先選擇部分具有極端氣候地區(qū)進(jìn)行試用，并不斷改善。該模式在探傷方法選擇上任具有較大改進(jìn)范圍，可根據(jù)無(wú)損新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行升級(jí)更換。相信在本項(xiàng)目廣泛運(yùn)用于軌道探傷時(shí)可極大限度地改善巡道工的工作環(huán)境，提高巡檢效率，降低工作風(fēng)險(xiǎn)，為現(xiàn)有巡檢模式注入新鮮血液。