無人機在城市軌道交通智能運維中的應用

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了設備老化的現象，設備可靠性不斷降低，故障率持續上升。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、可靠性及對外服務質量等方面都存在明顯優勢。智能化運維是實現降本增效、提升運營質量的有效途徑。城市軌道交通智能運維是行業發展的趨勢，雖然勢不可擋，但任重而道遠。要搶占先機，就需要當前的軌道交通建設、運營企業居安思危，積極探索城市軌道交通運營維保社會化的方式，選擇科學化、標準化、規范化以及性價比最佳的運維模式。

1 城軌運維管理現狀

城市軌道交通行業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、質量低以及持續性低；故障監測及處置的實時性、全面性有待提高，缺乏預測手段；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”現代綜合交通運輸體系發展規劃》等一系列政策“提高運營管理智能水平，加快完善現代綜合交通運輸體系”的思想指導下，城市軌道交通行業在智能化運維上有了對新發展方向的新要求，深入推動各類智能運維技術應用，并取得了顯著的成效[1]。

2 無人機應用案例分析

無人機在行業上的應用已極為廣泛，在公共安全、石油天然氣、電力以及測繪行業都有所應用。行業應用級無人機主要由3 個部件構成，分別為飛行平臺、負載設備以及軟件系統。其中飛行平臺為多旋翼無人機，根據用途及參數要求的不同可細分為多種規格型號；負載設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；軟件系統可提供從航線規劃、數據獲取和模型重建到數據分析的一站式內外業解決方案。

城市軌道交通行業中某地鐵公司在2020 年已成功將無人機技術應用于對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構的檢查。同時在山體滑坡、洪水暴發、地震災害以及雷雨臺風等特殊天氣情況下，無人機能夠從空中及時地對運營線路的潛在風險進行勘測，及時發現并處理設備的風險，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。架空線路設備設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境極為復雜的架空線路。該架空線路以往主要依靠人工利用望遠鏡等設備輔助觀察和巡視，只能從下往上觀察，存在巡視盲區。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，巡視質量受較多客觀條件的限制，難以及時發現設備隱患。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，在這樣惡劣的環境中開展作業，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搭建無人機智能運維系統、數據建模和智能自動巡視系統，實現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備的狀態進行監控。該智能運維技術的應用可以達到降本增效的目的，減少巡視盲區并提高巡視質量，同時提升檢修效率并保護巡檢人員的人身安全，進一步保證設備安全穩定的運行。

2.3 無人機智能運維建設方案

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計，整個建模分為2 個部分，即外部數據采集和內部數據處理。外部數據采集主要分為2 個部分：現場踏勘和自動飛行航線設計。內部數據處理分為照片拍攝、軟件系統內模型構建及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 外業采集數據

2.3.2.1 現場踏勘

對110 kV 架空線路設備、沿線地理位置、自然環境及路徑走向進行現場勘查

2.3.2.2 航線設計

根據現場踏勘結果設計外業數據采集航線，無人機根據航線進行飛行并采集數據。

2.3.3 內業處理數據

2.3.3.1 航空攝影

根據設計好的數據采集航線，用無人機對110 kV 架空線路設備（含周邊環境）進行多方位拍照，以獲取建模所需要的數據。

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據進行快速運算，搭建3D 模型并輸出質量報告。

2.3.3.3 DLG 線劃圖采集

對現場的地形圖進行掃描，人機信息交互將其相關要素矢量化，也就是在DRG 背景數據上，采用人機信息互交的模式進行DLG 數據的采集及屬性錄入，屬性數據主要由DRG 來獲取；當有新DOM 以及專業數據資料時，應參照預處理圖，在DRG 與DOM 疊合的基礎上，以DOM 為背景對更新要素進行圖形采集，同時賦屬性值；當發現矢量要素與其DOM 同名影像位置的套合誤差在某些部位超限時，應以DOM 為準，對矢量要素進行修正。目前常用的國內外矢量化軟件或GIS 和CAD 軟件都是利用矢量化功能將掃描影像矢量化后轉入相應的系統中。

利用省CORS 系統（CGCS2000 國家坐標系），采用GNSS 接收機RTK 模式直接布設圖根控制點，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 自動巡視航線規劃

根據110 kV 架空線路的巡視要求，在大疆智圖軟件上設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，根據無人機攝像頭的功能性可適當增加無人機與架空線的距離。

進行現場飛行調試時，需要根據現場測試情況對航線進行調整，以更好地滿足現場的需求。

2.4 無人機智能運維應用成果

通過應用無人機、自動飛行軟件以及圖像智能識別技術等對110 kV 架空線路的巡視進行建模，經過實際應用，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無人機機動性強、操作方便，所以便于檢修人員遠程對復雜地形的110 kV 架空線路進行快速有效檢修，改變了傳統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境，有效避免自然環境對人身的傷害，規避了作業的風險。2）110 kV 架空線路無人機自動巡檢智能運維系統識別靈敏度高，可以對導線、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備進行拍照，通過照片可以清晰觀察設備的外觀狀態，從而清晰分辨銷釘級缺陷（如圖2 所示），得到的數據質量高于人工巡視的質量；同時，采用無人機可以實現對架空線路設備的360°巡視，解決了純人工巡視模式中不可避免的巡視盲區，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具有較大的兼容性，通過更換不同功能的攝像頭，可根據用戶需求實現其他功能。例如使用具有紅外熱成像功能的攝像頭可以對設備進行熱成像掃描，分析設備溫度分布情況，快速發現設備異常發熱的位置，及時發現設備隱患。4）110 kV 架空線路無人機自動巡檢智能運維系統能夠自動判斷設備缺陷并輸出報告。該智能運維系統搭載人工智能缺陷識別系統，其基于深度學習卷積神經網絡和小波矩的圖像識別方法，對人巡、機巡的圖像數據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）。通過建立設備缺陷數據庫，利用智能識別技術，將無人機自動巡視過程中拍攝的照片與數據庫進行智能比對，自動判斷設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

3 無人機其他應用案例

無人機在城市軌道交通行業的應用已覆蓋到多個專業領域，除應用于前文介紹的電力設備巡視外，無人機還應用于對橋梁結構和露天設備的日常巡視。使用傳統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，主要檢測橋梁構件是否出現開裂、支座脫空、露筋銹蝕以及裂縫破損等病害。傳統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。同時人工進入現場檢查的效率很低、難度很大且危險系數很高。而應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勢，檢查方便快捷、省時省力、無檢查盲區且無人員安全風險（如圖4 所示）。

圖4 無人機巡檢高架、露天設備

無人機還可以在雷雨、大風等特殊天氣前后對設備狀態進行確認及對周邊環境風險隱患進行排查，根據圖片判斷是否存在異物侵入軌行區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區域檢查的困難。

圖5 無人機排查高架、洞口風險隱患

4 結語

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電力專業架空線路等室外電力設備巡視中應用，也可以在洞口、護坡以及高架橋等地鐵土建結構巡視中應用，在山體滑坡、地震災害、洪水暴發以及雷雨臺風等特殊天氣中使用無人機可快速地對線路的潛在風險進行排查，不受路面交通狀況的影響。雖然無人機加入智能運維系統只是城市軌道交通行業實現智能運維的一個小縮影，但是在城市軌道交通行業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。提升設備可靠度、可用度，同時快速有效地對臨時故障進行應急處置，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；降低設備故障，保證最大運能，做到維護和運營聯動，優化運營策略。3）成本效益提升，降低維護工時和維護成本，降低設備替換和備用成本，降低人工勞動強度和風險。