占昌曦，嵇昊威，蕭以蘇，岳洋

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，江蘇南京210000）

工程技術(shù)

無人機(jī)在軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用研究

占昌曦，嵇昊威，蕭以蘇，岳洋

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，江蘇南京210000）

首先闡述無人機(jī)的發(fā)展歷程，然后提出無人機(jī)在軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用研究，希望為無人機(jī)的發(fā)展提供一些幫助。

無人機(jī)；軌道交通；應(yīng)用

引言

近幾年，軌道交通行業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)軌道交通勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工監(jiān)理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)與應(yīng)急救援提出了更高的要求，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)與管理方法存在一定程度的局限性。無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱，是利用地面無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。無人機(jī)的快速機(jī)動(dòng)，云下低空飛行，影像分辨率高，使用成本低的優(yōu)勢(shì)，成為各種領(lǐng)域俯瞰、巡檢、搶險(xiǎn)的重要工具。無論是城市軌道交通還是高速鐵路，無論是鐵路建設(shè)還是運(yùn)營(yíng)管理方面都具有良好的發(fā)展前景。

1 無人機(jī)的發(fā)展歷程

無人機(jī)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。世界上第一臺(tái)無人機(jī)于1917年英國(guó)人研制[1]，至今已經(jīng)歷著將近一個(gè)世紀(jì)的歷史。無人機(jī)最早應(yīng)用于20世紀(jì)30年代的英國(guó)，作為實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)列艦上的火炮對(duì)飛機(jī)的攻擊效果。20世紀(jì)40年代第二次世界大戰(zhàn)，美國(guó)軍隊(duì)大量應(yīng)用無人靶機(jī)，在太平洋戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)日軍目標(biāo)進(jìn)行轟炸，同時(shí)使用無人靶機(jī)應(yīng)用訓(xùn)練防空炮手[2]。到20世紀(jì)中期作為執(zhí)行戰(zhàn)爭(zhēng)壓制敵防空、遮斷、戰(zhàn)斗損失評(píng)估、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御以及超高空攻擊的主要任務(wù)[3]。隨著技術(shù)進(jìn)一步的提高，到20世紀(jì)90年代，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用性更廣，優(yōu)越性更強(qiáng)，無線衛(wèi)星通信一體化無線操作，使之無人機(jī)的發(fā)展尤為成熟。發(fā)展無人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控里程、續(xù)航時(shí)間、飛行安全上相比以前具有更大的突破。

2 無人機(jī)在民用行業(yè)的應(yīng)用

無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及生成數(shù)據(jù)影響更清晰化、續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)久化、操作更簡(jiǎn)單化等特點(diǎn)，使得無人機(jī)的應(yīng)用普遍化[4]。近幾年，無人機(jī)在測(cè)繪地理信息、農(nóng)林漁礦業(yè)、水利水電建設(shè)工程、事故救援、油氣傳輸管道、氣象探險(xiǎn)、海洋監(jiān)測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和文化體育等各領(lǐng)域應(yīng)用作航拍影像分析的首選工具，被普遍認(rèn)為具有良好發(fā)展前景。在水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面，無人機(jī)能及時(shí)地查清研究范圍內(nèi)的水域變化情況，對(duì)水域利用狀況和水域權(quán)屬界線等進(jìn)行方面的變更調(diào)查，建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和管理系統(tǒng)；在防汛抗旱方面，無人機(jī)能克服交通等不利因素，快速到達(dá)指定位置，通過快速、及時(shí)、準(zhǔn)確收集到應(yīng)急信息，以及多種方式進(jìn)行高效的溝通，為領(lǐng)導(dǎo)提供準(zhǔn)確、科學(xué)的決策信息[5]。在水利工程建設(shè)中，利用無人機(jī)低空遙感快速實(shí)施，高分辨率數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提供宏觀的科學(xué)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)，防止水利工程建設(shè)中存在的水土流失等相關(guān)問題。在電力行業(yè)無人機(jī)可參與電網(wǎng)的巡檢排查，代替高空人工排查。在管道搶險(xiǎn)應(yīng)急維修作業(yè)中，無人機(jī)拍攝遙感影像，觀測(cè)管道破壞程度，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)監(jiān)控制作可佳的搶險(xiǎn)方案[6]?？傊瑹o人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，操作應(yīng)用性強(qiáng)。

3 無人機(jī)在軌道交通行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

無人機(jī)形式多樣，從原始的軍用無旋翼逐漸發(fā)展成多旋翼樣式，相比傳統(tǒng)無人機(jī)而言，多旋翼無人機(jī)靈活性更高，360°高清旋轉(zhuǎn)攝像拍照功能，視覺更自由化。無人機(jī)應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域之中，能夠?yàn)檐壍澜煌ńㄔO(shè)提供可靠、高時(shí)效性的鐵路工程信息數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)人工踏勘不足，提高工作效率[7]。具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 線路勘測(cè)與設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的線路勘測(cè)設(shè)計(jì)，僅僅依靠人工高空俯瞰，在紙質(zhì)地圖上作業(yè)，對(duì)于具體線路設(shè)計(jì)勘測(cè)方面數(shù)據(jù)不明確，數(shù)據(jù)來源單一，時(shí)效性差。各種特殊地段不能準(zhǔn)確的判定，危險(xiǎn)線路不能及時(shí)排查，例如沼澤區(qū)域、高山深谷區(qū)域和湖泊區(qū)域等。利用無人機(jī)的快速機(jī)動(dòng)、隨時(shí)懸停的特點(diǎn)，針對(duì)不同地勢(shì)地域、不同河道等線路選擇與設(shè)計(jì)問題，將無人機(jī)采集到的高清圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，可以全面了解該地域的水文、地理、地形等信息，為線路的規(guī)劃提供可靠的數(shù)據(jù)。通過無人機(jī)的影像拍攝系統(tǒng)，在考察任務(wù)區(qū)域定點(diǎn)拍攝，通過不同高度的飛行，前后對(duì)比進(jìn)行拼圖裁剪，以此提供可靠的空間地理數(shù)據(jù)，為線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)選擇制定可行方案。無人機(jī)代替人工勘察的方式，大大減少勘測(cè)的成本，以及勘測(cè)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，避免了人工數(shù)據(jù)來源的單一、時(shí)效性差等問題。美國(guó)JLP公司使用eBee RTK無人機(jī)對(duì)，用了不到1個(gè)月的時(shí)間對(duì)人口密集，交通繁忙的洛杉磯至阿納海姆市的鐵路廊道進(jìn)行勘測(cè)，采用無人機(jī)測(cè)繪，耗時(shí)是傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的1/4，費(fèi)用只有載人航空測(cè)繪的一半。尼日爾為指定鐵路線網(wǎng)規(guī)劃，首次利用無人機(jī)在500m海拔高度實(shí)施空中線路勘測(cè)地形勘測(cè)。對(duì)大面積的深山、冰田和湖泊等人工難以甚至無法到達(dá)的地區(qū)，進(jìn)行超低空、超視距、低速度自動(dòng)巡航，有效地達(dá)到線路勘測(cè)設(shè)計(jì)目的。大秦鐵路勘測(cè)過程中，使用無人機(jī)航空測(cè)繪的圖像進(jìn)行選線分析，最終選取桑干河谷方案，使得線路運(yùn)營(yíng)里程縮短，農(nóng)田占地面積減少[8]。青海省測(cè)繪勘測(cè)局使用無人機(jī)對(duì)庫(kù)(庫(kù)爾勒)格(爾木)鐵路先期開工段勘測(cè)工作，獲取30 km2*0.07m高分辨率影像2 500余張，總行程3 000 km，這是青海省首次在鐵路線路工程勘測(cè)中使用低空無人機(jī)遙感系統(tǒng)測(cè)制大比例尺地形圖，也是首次在高原沙漠、戈壁弱紋理地區(qū)成功進(jìn)行影像匹配和3D產(chǎn)品的制作。

3.2 施工與監(jiān)理

在施工監(jiān)理方面，利用無人機(jī)提前采集施工現(xiàn)場(chǎng)的地形、道路和周圍環(huán)境等情況，便于施工人員熟悉現(xiàn)場(chǎng)，保證設(shè)備順利入場(chǎng)，從而盡快開展施工。無人機(jī)也可對(duì)施工細(xì)節(jié)進(jìn)行判別，糾正工序錯(cuò)亂、區(qū)域段人工的分配不均、工程器械貨物堆積無序、施工中人員違章作業(yè)等問題，及時(shí)掌握施工進(jìn)度情況。而對(duì)于工程質(zhì)量要求更高的橋梁部分，人工排查作業(yè)面狹窄，工作量過大，無人機(jī)的高空懸停，高像素專業(yè)攝像拍照等特點(diǎn)，對(duì)高架橋在施工中因不同時(shí)間段所引起的不同問題進(jìn)行分析，也可提前判斷可施工性以及惡劣天氣帶來的風(fēng)險(xiǎn)情況。中鐵武漢電氣化局集團(tuán)公司使用無人機(jī)，在婁邵線進(jìn)行了無人機(jī)在鐵路工程中的應(yīng)用飛行測(cè)試研究，檢測(cè)鐵路工程施工、建材準(zhǔn)備情況、規(guī)劃建材運(yùn)輸和施工路線，及時(shí)調(diào)運(yùn)材料，降低公眾干擾，保證施工進(jìn)度[9]。中鐵四局瑞(昌)九(江)鐵路RJZQ-2標(biāo)項(xiàng)目(五公司)、中鐵十一局安(順)六(盤水)鐵路項(xiàng)目部、中鐵二十一局二公司干武二線、中鐵上海局五公司徐鹽鐵路站前Ⅵ標(biāo)工程項(xiàng)目、中鐵十五局集團(tuán)城軌公司鄭州軌道交通5號(hào)線1標(biāo)西沙明挖工區(qū)、中鐵一局五公司成昆鐵路永仁至廣通段擴(kuò)能工程蜻蛉河雙線特大橋均使用無人機(jī)對(duì)施工進(jìn)行監(jiān)管。此外，無人機(jī)還可以直接參與施工項(xiàng)目，以提高施工效率，減少施工成本以及對(duì)周邊環(huán)境的破壞作用。例如中鐵一局電務(wù)公司在銀西高鐵施工過程中，首度利用六旋翼無人機(jī)放線，完成鐵路電網(wǎng)的施工建設(shè)，極大地提高了工作效率。據(jù)印度報(bào)業(yè)托拉斯(PTI)新聞發(fā)布機(jī)構(gòu)報(bào)道，使用無人機(jī)進(jìn)行約170個(gè)鐵路項(xiàng)目施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等問題得到良好的應(yīng)用成效，極大地節(jié)約了人工監(jiān)理的成本。

3.3 運(yùn)營(yíng)巡檢

無人機(jī)運(yùn)營(yíng)巡檢在軌道的應(yīng)用有效地代替了傳統(tǒng)巡檢手段的不準(zhǔn)確性、不及時(shí)性。目前對(duì)鐵路線路的檢測(cè)方式是采用固定檢測(cè)和移動(dòng)檢測(cè)相結(jié)合的綜合檢測(cè)技術(shù)，在設(shè)置固定檢測(cè)裝置的同時(shí)，通過高速綜合檢測(cè)列車，對(duì)軌道、接觸網(wǎng)和通信信號(hào)等實(shí)施定期綜合檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，分析基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)高速列車運(yùn)行性能的影響，預(yù)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施損傷規(guī)律，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修。但是，使用檢測(cè)車或者固定檢測(cè)裝置，無法全面細(xì)致地檢測(cè)出鐵路周邊環(huán)境，尤其是不良地質(zhì)路段或者大跨度橋梁。使用無人機(jī)對(duì)鐵路進(jìn)行運(yùn)營(yíng)巡檢，一是可以有效排查潛在的危險(xiǎn)，例如隧道、路塹地帶的危石，被盜竊的鐵路電纜，維修作業(yè)結(jié)束后遺留在現(xiàn)場(chǎng)的物品等等，有效避免了由于傳統(tǒng)的排查手段不容易查出的死角，同時(shí)還大大減少了前期工作量。二是可以免除職工高強(qiáng)度巡查作業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，例如工務(wù)部門的攀巖作業(yè)，供電部門的接觸網(wǎng)攀登等等，有效確保廣大鐵路職工的人身勞動(dòng)安全。三是提升巡檢作業(yè)效率，又能激發(fā)職工創(chuàng)新作業(yè)意識(shí)。例如桂林高鐵工務(wù)段僅用13 d就順利完成了橋隧設(shè)備秋檢秋鑒和36座隧道進(jìn)出口邊仰坡、114座橋梁的影像資料收集工作。而傳統(tǒng)的巡檢，至少要好幾個(gè)月。

目前，國(guó)外很多鐵路公司使用無人機(jī)對(duì)鐵路進(jìn)行巡檢。美國(guó)BNSF公司使用波音子公司Insitu公司出品的ScanEagle無人機(jī)對(duì)鐵路與鐵道設(shè)施進(jìn)行安全檢測(cè)，拍攝的圖像視頻可生成生成3D畫面，并用來檢查分析鐵路存在的問題。法國(guó)鐵路近年來開始使用無人機(jī)對(duì)線路、橋隧、車站、電力設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施的一些維修人員難以進(jìn)入的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)測(cè)。日本鐵道綜研所開發(fā)了“利用激光和無人機(jī)的落石危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)系統(tǒng)”，通過無人機(jī)航拍來獲取被測(cè)巖體的形狀和裂紋信息，可以有效確定有落石危險(xiǎn)的巖體。國(guó)內(nèi)一些鐵路站段也開始使用無人機(jī)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)巡檢。據(jù)報(bào)道，沈陽(yáng)供電段使用無人機(jī)巡檢供電線路；閻良工務(wù)段、桂林高鐵工務(wù)段、貴陽(yáng)工務(wù)段、南昌西高鐵工務(wù)段等使用無人機(jī)排查鐵路沿線的危險(xiǎn)巖石。

3.4 應(yīng)急救援

傳統(tǒng)的救援不及時(shí)性、不規(guī)范性、盲目性這一直是救援人員困惑的問題。工作人員密集，普通的救援存在各種局限性，參與救援設(shè)備不能及時(shí)地到達(dá)指定場(chǎng)地，指揮人員了解事故地不及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。但是通過無人機(jī)在救援現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)空的飛行，俯瞰事故現(xiàn)場(chǎng)整體毀傷情況及周圍交通情況，方便指揮人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，指揮部通過無人機(jī)飛行將現(xiàn)場(chǎng)情況圖像傳輸?shù)街笓]中心，及時(shí)地制定其最佳的救援方案，對(duì)指揮救援決策有重要作用[10]，并了解人員以及特定區(qū)域設(shè)備毀傷情況。熊本地震發(fā)生后，日本鐵路派出無人機(jī)，在震區(qū)南阿蘇鐵路線上的白川一橋上空進(jìn)行調(diào)查，這是日本鐵路首次利用無人機(jī)對(duì)地震受災(zāi)情況進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估。印度鐵路也在事故發(fā)生后使用無人機(jī)評(píng)估地面情況。

4 結(jié)語

無人機(jī)應(yīng)用于軌道交通行業(yè)，這是一項(xiàng)成本低廉、快速有效的新型檢測(cè)設(shè)備。能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定位、定點(diǎn)判斷、定點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，并能夠快速提供空間信息及監(jiān)測(cè)部位和軌道施工建設(shè)中的一些信息。在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用，不管是線路的勘設(shè)計(jì)還是施工的監(jiān)理，不管是線路的運(yùn)營(yíng)巡檢還是參與應(yīng)用救援都有著顯著的特點(diǎn)，為快速效率化建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)，極大地提高工作質(zhì)量與效率。

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（編輯：劉楠）

Application of the UAV in the Rail Transportation Industry

Zhan Changxi,JiHaowei,Xiao Yisu,Yue Yang
(Nanjing Railway Vocational and Technical College,Jiangsu Locomotive College,Nanjing Jiangsu 210000)

Through the development of UAV,this paper puts forward the application of the UAV in the rail transportation industry, which hopes to provide some help for the developmentof UAV.

UAV;rail transit;application

F275

A

2095-0748(2016)24-0041-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.16

2016-12-01

基金來源：2016年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃(201613106011Y)

嵇昊威（1986—），男，博士，現(xiàn)就職于南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師。