無人機在城市軌道交通智能運維中的應(yīng)用

陳 旭

（廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著城市軌道交通運營時間、運營里程和客運量的逐漸增加，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。同時因安全運營的要求不斷提高以及人員成本的不斷激增，運行可靠性和運營成本兩方面的要求，需要城市軌道交通運維模式更加智能化。與傳統(tǒng)運維線路相比，智能化線路在人工成本、維修模式、可靠性及對外服務(wù)質(zhì)量等方面都存在明顯優(yōu)勢。智能化運維是實現(xiàn)降本增效、提升運營質(zhì)量的有效途徑。城市軌道交通智能運維是行業(yè)發(fā)展的趨勢，雖然勢不可擋，但任重而道遠。要搶占先機，就需要當(dāng)前的軌道交通建設(shè)、運營企業(yè)居安思危，積極探索城市軌道交通運營維保社會化的方式，選擇科學(xué)化、標準化、規(guī)范化以及性價比最佳的運維模式。

1 城軌運維管理現(xiàn)狀

城市軌道交通行業(yè)運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都存在很多不足的地方，例如人工巡檢耗時、效率低、質(zhì)量低以及持續(xù)性低；故障監(jiān)測及處置的實時性、全面性有待提高，缺乏預(yù)測手段；人工組織搶修時故障原因難定位、故障延時長以及搶修資源難到位，使運營影響變得不確定。

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

2 無人機應(yīng)用案例分析

無人機在行業(yè)上的應(yīng)用已極為廣泛，在公共安全、石油天然氣、電力以及測繪行業(yè)都有所應(yīng)用。行業(yè)應(yīng)用級無人機主要由3 個部件構(gòu)成，分別為飛行平臺、負載設(shè)備以及軟件系統(tǒng)。其中飛行平臺為多旋翼無人機，根據(jù)用途及參數(shù)要求的不同可細分為多種規(guī)格型號；負載設(shè)備為具備某些特定功能的攝像頭，例如集變焦相機、廣角相機、熱成像相機以及激光測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 年已成功將無人機技術(shù)應(yīng)用于對110 kV 電力架空線路的檢修以及對洞口、護坡和高架橋等地鐵土建結(jié)構(gòu)的檢查。同時在山體滑坡、洪水暴發(fā)、地震災(zāi)害以及雷雨臺風(fēng)等特殊天氣情況下，無人機能夠從空中及時地對運營線路的潛在風(fēng)險進行勘測，及時發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備的風(fēng)險，保證其不受交通狀況的影響。下面重點對110 kV 架空線路無人機自動巡檢智能運維項目的應(yīng)用案例進行說明。

2.1 110 kV 電力架空線路無人機自動巡檢智能運維項目背景

某地鐵某一主所的兩路110 kV 進線電源包括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，難以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。同時由于28 座桿塔大部分處于高山密林之中，人員難以到達，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 無人機智能運維模式探索

針對上述人工運維成本高及運維效果有限的問題，該地鐵公司研究使用無人機技術(shù)搭建無人機智能運維系統(tǒng)、數(shù)據(jù)建模和智能自動巡視系統(tǒng)，實現(xiàn)以自動機巡的巡檢模式對架空輸電線路進行巡視以及對設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)控。該智能運維技術(shù)的應(yīng)用可以達到降本增效的目的，減少巡視盲區(qū)并提高巡視質(zhì)量，同時提升檢修效率并保護巡檢人員的人身安全，進一步保證設(shè)備安全穩(wěn)定的運行。

2.3 無人機智能運維建設(shè)方案

2.3.1 建模流程

通過對無人機自動巡視110 kV 電力架空線路的深入分析和設(shè)計，整個建模分為2 個部分，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 個部分：現(xiàn)場踏勘和自動飛行航線設(shè)計。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)場踏勘

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

2.3.2.2 航線設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)果設(shè)計外業(yè)數(shù)據(jù)采集航線，無人機根據(jù)航線進行飛行并采集數(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)計好的數(shù)據(jù)采集航線，用無人機對110 kV 架空線路設(shè)備（含周邊環(huán)境）進行多方位拍照，以獲取建模所需要的數(shù)據(jù)。

2.3.3.2 模型重建

利用高性能計算機對航空攝影采集的建模數(shù)據(jù)進行快速運算，搭建3D 模型并輸出質(zhì)量報告。

2.3.3.3 DLG 線劃圖采集

對現(xiàn)場的地形圖進行掃描，人機信息交互將其相關(guān)要素矢量化，也就是在DRG 背景數(shù)據(jù)上，采用人機信息互交的模式進行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??；當(dāng)有新DOM 以及專業(yè)數(shù)據(jù)資料時，應(yīng)參照預(yù)處理圖，在DRG 與DOM 疊合的基礎(chǔ)上，以DOM 為背景對更新要素進行圖形采集，同時賦屬性值；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，應(yīng)以DOM 為準，對矢量要素進行修正。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 國家坐標系），采用GNSS 接收機RTK 模式直接布設(shè)圖根控制點，使用全站儀采用極坐標方式測定明顯地物點的坐標，通過對比檢測坐標與成果圖獲取坐標來檢測地形圖的平面精度。把三維模型上量取的檢核點的坐標與實測的坐標進行比對，完成精度評定[2]。

2.3.4 自動巡視航線規(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)置自動巡視線路航點及拍照點，無人機與架空線路保持不小于5 m 的安全距離，根據(jù)無人機攝像頭的功能性可適當(dāng)增加無人機與架空線的距離。

進行現(xiàn)場飛行調(diào)試時，需要根據(jù)現(xiàn)場測試情況對航線進行調(diào)整，以更好地滿足現(xiàn)場的需求。

2.4 無人機智能運維應(yīng)用成果

通過應(yīng)用無人機、自動飛行軟件以及圖像智能識別技術(shù)等對110 kV 架空線路的巡視進行建模，經(jīng)過實際應(yīng)用，整體效果良好，達到了運營供電檢修人員的要求。110 kV 架空線路無人機自動巡檢智能運維項目所取得的主要成果如下：1）因為110 kV 架空線路無人機自動巡檢智能運維系統(tǒng)無人機機動性強、操作方便，所以便于檢修人員遠程對復(fù)雜地形的110 kV 架空線路進行快速有效檢修，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。同時檢修人員無須頻繁進入惡劣環(huán)境，有效避免自然環(huán)境對人身的傷害，規(guī)避了作業(yè)的風(fēng)險。2）110 kV 架空線路無人機自動巡檢智能運維系統(tǒng)識別靈敏度高，可以對導(dǎo)線、地線、絕緣子串以及金具等部位開展精細化巡視。還可以利用高倍率攝像頭對架空線路設(shè)備進行拍照，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，采用無人機可以實現(xiàn)對架空線路設(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)，滿足精細化巡視的運維需求。3）110 kV架空線路無人機自動巡檢智能運維系統(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設(shè)備進行熱成像掃描，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，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。4）110 kV 架空線路無人機自動巡檢智能運維系統(tǒng)能夠自動判斷設(shè)備缺陷并輸出報告。該智能運維系統(tǒng)搭載人工智能缺陷識別系統(tǒng)，其基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波矩的圖像識別方法，對人巡、機巡的圖像數(shù)據(jù)進行快速識別并分析處理，支持識別絕大部分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，利用智能識別技術(shù)，將無人機自動巡視過程中拍攝的照片與數(shù)據(jù)庫進行智能比對，自動判斷設(shè)備是否存在缺陷并輸出報告。

圖2 110 kV 架空線路無人機自動巡檢效果圖

圖3 智能缺陷識別系統(tǒng)

3 無人機其他應(yīng)用案例

無人機在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用已覆蓋到多個專業(yè)領(lǐng)域，除應(yīng)用于前文介紹的電力設(shè)備巡視外，無人機還應(yīng)用于對橋梁結(jié)構(gòu)和露天設(shè)備的日常巡視。使用傳統(tǒng)檢測手段對高架線路橋梁的定期檢查，主要依靠肉眼或者輔助工具（例如望遠鏡等）來完成，主要檢測橋梁構(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)。同時人工進入現(xiàn)場檢查的效率很低、難度很大且危險系數(shù)很高。而應(yīng)用無人機進行輔助檢查后，將在很大程度上解決這些難題。針對橋梁的橋塔、橋墩、支座以及橋腹等部位及螺栓脫落的檢測，無人機具備很多的優(yōu)勢，檢查方便快捷、省時省力、無檢查盲區(qū)且無人員安全風(fēng)險（如圖4 所示）。

圖4 無人機巡檢高架、露天設(shè)備

無人機還可以在雷雨、大風(fēng)等特殊天氣前后對設(shè)備狀態(tài)進行確認及對周邊環(huán)境風(fēng)險隱患進行排查，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進入?yún)^(qū)域檢查的困難。

圖5 無人機排查高架、洞口風(fēng)險隱患

4 結(jié)語

無人機的使用讓城市軌道交通向智能運維又邁進了一步。無人機智能運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)以及雷雨臺風(fēng)等特殊天氣中使用無人機可快速地對線路的潛在風(fēng)險進行排查，不受路面交通狀況的影響。雖然無人機加入智能運維系統(tǒng)只是城市軌道交通行業(yè)實現(xiàn)智能運維的一個小縮影，但是在城市軌道交通行業(yè)的智能運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，智能運維能為城市軌道交通的運營帶來3 個方面的提升，這也是城市軌道交通運營的目標：1）安全能力提升。提升設(shè)備可靠度、可用度，同時快速有效地對臨時故障進行應(yīng)急處置，保障運營安全。2）運維效能提升。減少維護用時，增大運營時長；降低設(shè)備故障，保證最大運能，做到維護和運營聯(lián)動，優(yōu)化運營策略。3）成本效益提升，降低維護工時和維護成本，降低設(shè)備替換和備用成本，降低人工勞動強度和風(fēng)險。