小型無人機在公路巡查中的應用前景展望

常德強 黃海峰

（徐州市賈汪區公路管理站，江蘇 徐州221000）

0 引言

目前，公路巡查是公路管理的一項主要業務，分為路政巡查與養護巡查，分別由路政和養護兩個部門安排汽車上路。 這樣基于一類的事情，需要上路兩次，發現問題后，回到單位錄入計算機系統進行處理，不僅浪費人力物力，而且極大地降低了效率。

交通線路分布點多面廣，所處地形復雜，傳統的人工巡查方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對農村地區和大范圍路網的交通線路的巡查，以及在冰災、水災、地震、滑坡、夜晚期間公路巡查，所花時間長、人力成本高、距離遠、困難大。

以徐州市賈汪區公路管理站目前人員構成及所轄公路情況進行分析。 我單位有工作人員80 人，負責管養的全區干線公路里程71.47公里，其中國道62.365 公里、省道9.105 公里；農村公路876.77 公里，其中縣道163.483 公里、鄉道320.896 公里，村道392.391 公里。 全區道路里程總計948.24 公里。公路密度達到1.375 公里/平方公里。全區公路橋梁共有270 座，國省道干線公路橋梁19 座，縣道橋梁66 座，鄉村道橋梁185 座。近年來管養人員嚴重不足，加之轄區農村線路較多，日常檢修、設備維護、工程建設等其它工作影響，道路巡查頻率和及時性始終無法得到保證。 因此我單位不斷進行調研與探索，嘗試一種全新的方式途徑來解決這一棘手問題。

無人機（unmanned aerial vehicle, UAV），是一種由無線電遙控設備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。利用無人飛機進行公路巡查研究需要跨多個高技術專業，研究深度和水平要求較高，是一項剛剛起步的新技術，目前已在電力巡線、治安監控等方面進行應用。與常規人工巡查方法相比較，此項技術更為先進有效，可以成為保障線路安全運行的一種新的經濟可行的手段。

1 現代無人飛機性能簡介

現代無人飛機是一個復雜的集航空、電子、電力、偵察、地理信息、圖像識別等一體化系統，涉及航空、飛行自動控制、通信、數據鏈、紅外識別、地理信息、衛星導航等多個高尖技術領域。現代無人飛機由于具備高空、遠距離、快速作業的能力，在測繪、航拍、運動、軍事、偵察、抗災等方面得到應用，并且由于無人機控制技術的發展，可以進行遙測數據鏈控制、地理匹配控制、GPS 衛星定位控制，控制操作過程簡單可靠、運行穩定，經濟性能高（一般無人飛機工作成本是有人飛機1/10左右），不受氣候的影響，續航能力長，速度快（是人力的10 倍以上），現在已經出現現代無人飛機代替有人飛機進行各種工作的情況。

2 無人飛機公路巡查的關鍵技術

用無人飛機進行全天候的公路巡查，應該具備以下關鍵技術， 才能使無人飛機巡線進入實用化：

（1）飛行控制技術：由地面控制系統通過數據鏈進行操控實時傳遞圖片或視頻， 方便巡查人員使用； 并且具備GPS 自主線路導航控制、地理匹配自動控制、線路自動跟蹤等飛行控制功能，使無人飛機巡線進入全自動化飛行方向發展，使一條干線線路巡線全部工作小于半天時間。

（2）機體穩定飛行技術：無人機飛行穩定，不抖動，或者具備攜帶穩定能力的攝像平臺，可以安裝可見、紅外熱像攝像設備，具備攝像設備自動控制攝像功能，便于進行拍攝地面線路高分辨率航空影像。

（3）線路自動跟蹤識別技術、攝像快速對焦成像技術：一系列先進測繪控制技術攝像快速曝光，生成高清晰的地面標線、線路、樹木、橋梁、病害狀況等可見、紅外影像，最好應兼容于當前江蘇省公路系統采用的“江蘇公路協同工作平臺”，實現與“江公路協同工作平臺”的無縫對接。

3 無人飛機公路巡查的應用情況

隨著GPS 定位技術的發展，自主導航設備日益微型化和底廉化，以及無人機制造技術的成熟，在民用領域的應用已開逐步推廣，與此同時，數字攝像技術的發展使航測告別了膠片時代，數碼攝影設備的體積和重量大大縮小，目前，5000 萬像素級別的專業數碼相機的主機重量已低于1Kg，而普通民用小型無人機的重量也已在50Kg 以下。兩者的結合，改變了以往航拍時需要由空軍或專業航拍部門駕駛的有人飛機來進行，而使用單位無法實時利用的不足。 下面以零度智控公司研制的“雨燕”無人機航測系統為例來介紹一下其工作過程。

圖1 “雨燕”無人機航測系統

“雨燕”無人機重5 千克，翼展1.6 米。 有效載荷900 克，巡航速度50-70 千米/小時，升限達到海拔1500 米，續航時間45 分鐘。采用電池動力，維護保養方便；機體采用模塊化結構，便于運輸。

系統采用了先進的GPS 導航全自動規劃，飛機航跡、高度和姿態高精度自動控制等第一系列先進技術，讓無人機具備了良好的飛行性能，采用彈射起飛，不需要專門跑道，定點傘降回收。和有人飛機、直升機相比，陰、雨、霧等天氣對“雨燕”的限制要小得多。

“雨燕”無人機航攝系統可以采用多種任務載荷。 比如民用的專業數碼相機，經過一些必要的檢測后（用于后期照片處理時糾正圖象變形），加固安裝到具備穩定能力的平臺上。再配合無人機良好的自控飛行能力，自動曝光攝影等一系列先進技術就能讓“雨燕”可靠地高質量地自動獲取高清晰測量級別的數碼航片。 再經后期處理，就能得到高精度，高比例的地形圖。 2010 青海玉樹地震期間，“雨燕”無人機航攝系統就深入災區，及時準確的提供災區1:500 的地形圖和大量正射影像的高清晰度數碼航片。

若采用“雨燕”無人機進行公路巡查，可由2 人進行，一人專職操縱飛機，一人監視地面屏幕。發現可疑區段可懸停或者來回飛行細查；實時監視和錄像可同時進行，還可進行高清晰度的攝像，飛機飛回后進行圖片分析。 如果采用GPS 自主線路導航控制、 地理匹配自動控制、線路自動跟蹤等飛行控制功能，使無人飛機巡查進入可根據線路的走向、海拔高度、轉角等全自動化進行線路跟蹤飛行控制。無人飛機飛行穩定，具備攜帶穩定能力的攝像平臺，同時安裝可見、紅外熱像攝像設備，具備攝像設備自動控制攝像功能，可以進行拍攝地面線路的高分辨率航空影像。可以有效的監控路面打谷曬糧，沿線秸稈焚燒，路面病害，車輛擁堵等情況。

4 無人飛機公路巡查的優勢

利用無人機巡查，無人機作為先進的生產工具和作業手段，與傳統巡查方式相比較具有多方面優勢：

首先，設備投入省，類似“雨燕”無人機航攝系統自身體積小，所用的技術均為比較成熟的技術，在各領域都已大規模應用，如GPS 導航技術、數碼影像技術、無線電遙控等技術等。

第二，測量精度高，目前，專業民用數碼相機已達到5000 千萬像素的水平，分辨率已達到0.1 米，搭載在無人機上所拍攝的高清晰度數碼航片經數字化處理后，可以有立體測圖方法，直接推算出數字地形模型（Digital Terrain Model, DTM）。 并繪制出精確的大比例尺的地形圖。

圖2 無人機拍攝的道路畫面

第三，與常規人工巡查相比，不受地形限制、巡查效率大大提高、可將拍攝的數據帶回分析，使得巡視不留死角，降低人工勞動強度、減少作業風險。

第四，與載人飛機和飛艇遙感相比，運營成本低，免去了調機、停機的費用和時間，而且不需要進行飛行員培訓、飛行申請，可快速的、隨時隨地進行巡視。

第五，不受氣象、地理條件的影響。一般無人機巡查，無人駕駛，適應更激烈的機動和更加惡劣的飛行環境，更適于執行特殊時期危險性高的任務；不會造成人員傷亡風險；生存能力強，機動性能好，使用方便、效率高；不受其環境地質變化多樣的地震、塌方、泥石流、水侵、火災、樹林生長、風刮物等影響。

第六，可實現快速巡查，短時間內快速獲取影像資料，實時回傳，實時決策，效率是傳統人工巡查的數十倍；且比有人機、飛艇、衛星快，費用低。

第七，小巧靈活。小型無人機單人攜帶，大型無人機只要一輛面包車就可以運輸，且不需要特別的起飛場地。配套設施簡單，外業只需一臺越野車、一臺筆記本電腦及一臺遙控裝置。內業處理完全數字化，無需專用設備。

第八，使用和維護費用低、效率高，方便投運、容易掌握；一次投入后，每次巡查費用極少；由于無人飛機設備歸公路管理部門所有后，何時巡查可由自己決定；而租用有人直升機、氣艇，不但價格高，還處處受制于人和天氣，準備時間長，不利于使用。

5 結語

傳統的人工巡查方法不僅工作量大而且效率底下，特別是在雨雪冰凍，泥石流，滑坡等惡劣地質情況下存在在很大困難，有一些巡查項目靠常規方法根本就難以完成。 利用無人飛機巡查，可以減輕工人的勞動強度，降低公路巡查的運行維護成本。

無人駕駛飛機機身輕巧，并裝載有先進的航測系統，和有人飛機、直升機相比，受陰、雨、霧等天氣的限制要小得多。 這些優越的性能使無人飛機成為公路巡查更為有效的工具。

無人飛機巡線還可以提高巡查作業的質量和科學管理技術水平，可以增強公路管理自動化綜合能力， 創造更高的經濟效益和社會效益。 隨著公路通行可靠性指標的要求越來越高，以及無人飛機巡查各種實踐內容的不斷豐富，無人飛機巡查的優越性將越來越突出。 無人飛機巡查必將成為一種快速、高效、大有發展前途的巡查方式。