36-基于无人机航摄的铁路工务设备智能分析系统的应用

36-基于无人机航摄的铁路工务设备智能分析系统的应用

37-李鑫

38-中铁电气化局运管公司呼和浩特运营维管段， 内蒙古 呼和浩特 010000

摘要：随着我国铁路交通系统运营里程的不断增加，相关的安全隐患也会随着运营时间和里程的增加而增加。目前铁路沿线的工务检查方法主要以铁路工务段人员人工巡检为主，随着无人机航摄相关技术和设备的不断成熟，为铁路沿线的工务检查提供了一个新的发展思路，因此为了进一步地提高铁路工务段的检查质量与效率，就需要对基于无人机航摄的铁路工务智能分析系统的应用进行分析。

关键词：无人机航摄；铁路工务；智能分析；应用研究

当前，人们出行的主要方式，以及货物运输的形式，都需要依靠铁路交通。随着我国铁路交通系统运营里程的不断增加，相关的安全隐患也会随着运营时间和里程的增加而增加。对于铁路沿线的各类典型隐患，如果不进行定期检查和及时处理会造成铁路停运和人员伤亡等安全事故。随着无人机航摄相关技术和设备的不断成熟，为铁路沿线的工务巡检提供了一个新的发展思路，采用无人机航摄的方式进行铁路工务巡检，可以有效提高了检查的效率，并优化了巡检数据记录的手段。因此为了进一步地提高铁路工务段的检查质量与效率，就需要对基于无人机航摄的铁路工务智能分析系统的应用进行分析。

一、无人机航摄应用于铁路工务巡检中的优势

目前铁路工务巡检主要仍是以人工巡检为主，这种巡检方式普遍存在着巡检频率和效率低、工作环境差、检查区域少等问题，同时对于巡检数据也无法进行自动化的分析和处理，为铁路工务段的工作人员增加了较大的工作量。部分工务段采用了多种巡检方式交叉进行的方式，即便如此依然存在很多巡检死角，很难做到铁路工务巡检范围的完全覆盖。无人机航摄技术具有，巡检视角高、伊东速度快、航行距离远的优势，同时结合图像处理和数据分析系统可以实现巡检数据的自动化处理。尤其是以无人机航摄的方式进行工务巡检，不受铁路沿线周边地形的限制，从而可以实现100%全覆盖的工务巡检，对于当前铁路工务段巡检的方式，是一种合理的、有效的补充。现有的无人机航摄方式，运用于广泛的电力中，也可以用于地质勘探和森林的巡查中，而且效果均较理想。随着技术的发展，无人机航摄巡检已经逐渐成为各领域不可替代的巡检方式。相关的巡检路线规划、安全保障和数据处理技术也已经日趋成熟。              这也为无人机航摄技术更好地应用于铁路工务巡检打下了坚实的基础。

二、无人机航摄设备的选择

（一）飞行平台

飞行平台作为无人机航摄图像采集系统中的空中运载工具，负责挂载云台相机并通过手动操作或按规划航线自动飞行以完成巡检任务。飞行平台具有可靠稳定等特点，是保障巡检飞行安全的重中之重。按照飞行平台构型，无人机可分为三种机型，分别是固定翼、旋翼和复合翼无人机。考虑到铁路沿线环境的复杂性，无法为固定翼无人机提供足够长度的场地完成起降动作。在外出进行铁路沿线巡检任务时，需要由车辆载运飞行平台至铁路旁起飞点进行准备，而复合翼无人机因造价成本高、便携性差也不适用于铁路巡检。沿线巡检选用可垂直起降、方便携带的旋翼无人机。选择应用于铁路沿线巡检的旋翼无人机型号要考虑挂载能力、续航能力、安全保障能力、控制精度和图像实时传输能力等重要指标。

（二）云台相机

云台相机作为无人机巡检图像采集系统中的数据采集工具，负责在飞行平台按照既定航线执行巡检任务时完成目标数据的采集工作。选择适合无人机巡检时使用的云台相机有助于提升采集到的图像数据质量，在后续进行图像分类和彩钢房智能检测的过程中可以提升精度。因此云台相机要具备高分辨率、采集图像清晰、采集过程中稳定等特点。相机有两类：胶片类、数码类。胶片相机需要进行胶片冲洗才能见到影像结果，不利于图片的传输以及储存。相较而言，数码相机最好的优势就在于拍摄了之后，可以快速查看结果，可以实现图像实时传输，并且影像数据储存是数字化形式，有利于数据传输和修改。在数码相机中根据所用传感器的不同可分为光感应式电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体。在确定相机的具体型号时，要结合铁路沿线情况，根据相机重量、有效像素、焦距、防抖能力、视场角和最小拍照间隔等指标进行综合考虑：

（三）地面站

地面站作为无人机巡检图像采集系统中的后端控制部分，负责在地面进行图像采集前无人机的准备、基站架设、航线规划、无人机飞行控制、飞行平台回收、数据传输存储以及更换电池等综合作业。一般由航线规划、基站和控制器三部分组成。整个流程为，先在电脑上通过航线规划软件规划飞行平台的任务路线，设置飞行高度、速度、起降地点飞行参数，然后通过数据传输接口将规划好的飞行任务文件导入控制器，在飞行任务开始前架设基站提高无人机定位精度，最后由飞手使用控制器完成飞行任务。控制器是飞手与飞行平台的连接通信设备，在整个无人机巡检图像采集过程中应保证两者之间信号连接质量良好。航线规划一般在地图软件上进行，良好清晰的地理信息是规划高质量航线的保证，也是后续有效采集高质量目标范围内铁路沿线环境图像的基础。基站的作用是为飞行平台提供差分定位以提高定位精度。

三、无人机航摄在铁路工务中的应用

（一）无人机航摄在铁路桥梁巡检中的应用

铁路桥梁的构造是多种多样的，其对其进性巡检工作也是非常复杂的。在传统的铁路桥梁巡检中，通常是通过人力攀登或者使用脚手架、吊车等设备来完成。但是人工巡检的效率很低，同时也存在许多安全隐患，而且也存在许多巡检的盲区。使用无人机航摄进行巡检，可以根据铁路桥梁的巡检需求，来规划巡检路线。从而实现对铁路桥梁不同部位的定点拍摄，实现安全、迅速、完整地获得桥梁图像。采用无人航摄的方式进行铁路桥梁的巡检工作可以完成对于螺栓脱落、裂缝、钢索保护层以及支座滑动等方面的检查。使用无人机对桥墩部位进行航摄，结合图像处理技术，可以分析并标注桥墩部位出现裂缝尺寸，并检查基座是否发生锈蚀和滑移的现象。这种方法相对于人工识别方式来说效率大大提高，且可以实现定量分析。这些年伴随机器学习技术发展，智能识别算法运用至无人机图像处理。深入学习法运用桥梁的图像处理，可实现桥墩掉块的有效识别，还可以计算出露筋区大小，识别的精度可以达到0.1mm，基本可以实现铁路桥梁的无人化检测。

（二）无人机航摄在铁路沿线地质灾害巡检中的应用

我国地域广阔，自然灾害多发，全国各地的铁路、线路较长，且沿途环境十分复杂，路基以及沿线的地质灾害问题也不断突显。目前，对于铁路的病害的巡查，是采用人工徒步的检查法，因此测量精度不足且作业效率非常低，未能对潜在问题快速、准确的定位。铁路沿线路有很多危险的路段，如复杂的山区、高海拔地区等等，这些地区人工巡检很难实现。因此，使用无人机巡检技术，可有效提升巡检的精度和效率，让工作人员可处在安全的环境下工作。

采用航拍摄影图像，建立起立体的模型，无人机巡检可完成泥石流、滑坡等地质灾害调查工作，与岩石的结构面产状、宽度等等，开展有效的识别工作。目前，各设计院、相关单位、铁路局等，使用无人机进行铁路的沿线地质灾害的巡检工作。例如，成都局使用了无人机，收集沿线的地质灾害的影像特点，如断层、泥石流等等，结合激光雷达数字集、光谱特点，提取目标物密度、水域、断面等等数据，进行灾害的隐患与排查，构建3D模型实现坡率等数据的查询工作。

对比同个区域，对航拍资料建设起模型，快速掌握区域内地质情况的变化形势，可第一时间发现所存在的问题。通过无人机拍摄，对影像资料进行分析，同时将一些病害进行标记并做好判断，如落石、滑坡等，并对这些数据做好整理与记录，根据设备和按线别构建起无人机的影像数据，同时对重点地段开展周期性的检查，并做好对比、分析。

运用倾斜的摄影技术，将铁路沿线的三维影像数据进行收集，完善模型，结合现场实际勘查情况，做好综合类的分析工作，并进行隐患的排查工作。采用无人机的方式，对沿线全方位摄影，可更好查看周边环境以及真实的堋。并针对重点路段，查询坡度以及距离等数据，计算出滑坡的体积。

（三）无人机航摄在铁路沿线环境巡检中的应用

铁路建设里程长，沿线人员、建筑、环境等，信息是非常多的，所以工作人员身上的工作任务非常大。无人机巡检可以涵盖极大的范围，且不太受自然条件的制约，可提升更准确和高效的数据，能更好的反映实际情况。通过高清晰的影像，可以有效监测周边环境，发现排水设施不完善，或是油料泄露等问题，巡检效率、质量得到明确提升。另外排查和处理铁路沿线周边环境的安全隐患也是铁路工务工作的巡检的重要组成部分，相关的制度也给出了铁路沿线环境中的潜在安全隐患的种类和对安全隐患的管理办法。铁路沿线周边环境的安全隐患主要包括废旧钢轨、彩钢瓦、农用薄膜、塑料大棚、广告牌、树木等。基于无人机航摄得到的实景视频、DSM成果，结合智能识别算法，可以高效排查沿线周边环境风险隐患。

四、基于无人机航摄的铁路工务智能分析系统的安全保障

（一）无人机安全保障

基于无人机航摄的铁路工务智能分析系统使用的无人机机身六面都集成了双面视觉和传感器，特别是在回避阻碍问题上，有了极大提升，可以实现六个方向的回避。最突出的是如果电量不足时，或控制信号中断时，无人机会沿着原线折回，可以自动执行自返功能，同时回避障碍功能也打开。

（二）电子围栏安全空间

无人机安全巡检方面，电子围栏设置是十分重要的。在原有铁路车站、线路地利信息系统，使用数据库数据管理技术、方式等，均为无人机设置好电了围栏，同时直接融入于后台软件，防控无人机进入铁路安全红线的空间。结果电子围栏功能的无人机铁路巡查，可以把其控制在一个安全范围内进行作业，这样如果无人机不小心坠落了，也可以减少意外的发生。

 （三）标准制定

为保障列车运行安全，实现无人机安全的应用在铁路巡检中，结合现场需求和实际经验，编制铁路沿线无人机巡检分析作业标准。该标准规定了无人机铁路巡检作业要求、巡检方法、巡检前准备、巡检内容、巡检模式以及异常情况处置等。其中巡检作业要求包括人员、安全、气象和维护保养等要求。巡检前准备包括人员准备；作业准备。同时还需要对使用无人驾驶航空器系统开展铁路作业飞行时的基本要求、作业组织与实施及管理规范等做出了原则性说明。

五、结论

为了确保铁路运输和乘客生命财产的安全，我国确立并推出了一系列铁路安全管理规定，其中作为基础和重要的环节就是日常沿线工务巡检。对于铁路沿线巡检方式若为人工定期巡检，不仅费时费力、效率低下，同时也存在易漏检、视野范围小以及记录不完整或不精确等问题。随着无人机航摄技术和设备的自动化和智能化发展，无人机巡检方式的出现使解决上述问题成为可能。至今有许多行业运用无人机代替人工进行巡检，其较好的检测效率和安全性以及数据存储的精确性和完整性使得无人机逐渐应用于铁路沿线巡检。但是目前对于无人机携带高分辨率数码相机航摄产生的图像数据，还是以人工浏览图像确认是否有排查目标为主，虽然巡检方式变得自动化，但是还并没有完全实现对数据的智能分析。因此相关研究人员还应持续在该领域进行研究，进而提高基于无人机航摄的铁路工务智能分析水平，开发相关的应用系统，切实推动铁路工务巡检的自动化和智能化发展。

参考文献

[1]吕晓煜,熊丹,赵振洋.基于无人机航摄的铁路工务智能分析系统的应用[J/OL].铁道勘察:1-4[2023-03-08].

[2]李博闻,刘瑞,危凤海,梁庚,石越峰,许贵阳.基于机载LiDAR的铁路工务设备及周边环境形变分析[J].铁道建筑,2023,63(01):143-147.

[3]王鹏,段培勇.基于无人机的重载铁路线桥隧一体化巡检系统架构研究与设计[J].铁道建筑,2022,62(08):29-32.

[4]潘振,马战国,段培勇,袁磊,李尧,杜翠.基于无人机的重载铁路线桥隧巡检作业体系研究[J].铁道建筑,2022,62(08):33-36.

[5]侯海方.无人机在高铁桥隧设备检查中的应用与展望[J].铁道运营技术,2020,26(03):44-46.

[6]占昌曦,嵇昊威,萧以苏,岳洋.无人机在轨道交通行业中的应用研究[J].现代工业经济和信息化,2016,6(24):41-43.