5G環境下無人機在高速鐵路軌道巡檢中的應用

趙宇杰 張增輝 張向天 校 艷 趙翔彥

（西安交通工程學院,陜西 西安 710300）

目前，我國高速鐵路與城市軌道交通發展迅速，為保證列車平穩運行，為乘客提供安全舒適的乘車體驗，線路軌道的安全性則至關重要。近年來，縱觀國內外，行車事故時有發生。例如，2020年3月5日，載有348名乘客的高速列車（斯特拉斯堡—巴黎TGV）在法國下萊茵省的安熱南市（Ingenheim）和薩埃索爾桑市（Saessolsheim）之間發生脫軌事故，包括列車司機在內共有22人受傷。

多起行車事故的調查結果顯示，事故發生原因是區間固定設備故障，軌道異物闖入，因災害導致軌道異常、信息無法及時回傳等。現常用的軌道巡檢方法為工務段巡道工進行人工巡檢，該方法耗費大量人力和工時且安全系數較低。若使用無人機巡檢，以取代人工巡檢，則將大幅提高線路軌道巡檢的作業效率。

1 無人機應用領域

在5G環境下，無人機行業發展迅猛，多個行業已將無人機納入常用設備的范疇，其中高壓輸電線路日常巡檢，機場飛行區異物探測，軍事遠程打擊、巡航，攝影航拍技術等都是在此環境中的全新應用。

1.1 我國鐵路巡檢與高壓輸電線路巡檢的異同

目前高壓輸電線路隨著國家經濟的高速發展，架設的數目日漸增多，正面領著作業強度大、巡檢周期長、部分線路檢修危險等問題[1]。為此，國家電網有限公司日常的高壓輸電線路巡檢工作中，采用人工巡檢和無人機巡檢相結合的全新模式以最大程度改善作業安全和工作量巨大等問題。我國鐵路巡檢面臨著和高壓輸電線路巡檢的同樣問題。傳統的人工巡檢模式面臨著巨額工作量、部分地區的高危工作環境和日漸低下的工作效率。在無人機巡檢過程中，通過系統終端操控無人機，利用無人機云臺所搭載的設備對被檢測線路進行巡查和檢修。依據無人機機體結構，可將無人機分為多旋翼無人機、無人直升機、固定翼無人機和復合翼無人機等多種類型。無人直升機、固定翼無人機等大型無人機常用于軍事、石油勘探等領域。多旋翼無人機具有小巧靈活、可垂直起飛降、可精準懸停等特點，適用于航拍、檢修等精密操作。

1.2 我國鐵路巡檢與機場異物探測的異同

機場異物是指出現在機場飛行區域且容易給飛機安全飛行帶來威脅甚至造成損失的異物。這些異物包括動植物、碎石塊和人工物件等，國際上通常稱為Foreign Object Debris，簡稱FOD[1-2]。這類異物在鐵路中也會對列車的運行造成嚴重威脅。針對此類隱患，我國各條線路都在當天運行前開行一輛時速高達300 km以上的特殊列車以保障線路無異物，及伴有線路巡道檢查線路，從而保障線路安全。然而，人工巡檢耗時耗力、效率低下且很難保障異物完全被清除。

1.3 無人機巡檢的優勢

通過市場調研，發現無人機巡檢有如下優勢：可以在規劃線路進行巡航；實時發出軌道異常報警信息；可以實時調用該線路的高分辨率圖像；可以極大提高巡檢效率。無人機云臺所搭載設備具有多樣性和良好的互換性，單次巡航可同時完成軌道異物探查、鐵軌無損探傷、線路周邊異常預警和線路現狀探查等一系列任務。

2 無人機巡檢所需設備

無人機在巡航中更多的是作為一種移動平臺，需云臺所搭載的設備進行配合，方能獲取各項檢測數據。

2.1 軌道異物探查

常用的遙感檢測手段包括可見光成像、紫外成像、紅外熱成像和激光雷達電能等。其中，光遙感監測儀利用相機等可見光采集設備，用來檢查肉眼可見的線路問題，如異物入侵線路、周邊設備形態異常等；紫外遙感檢測由于成本較高，暫不考慮；紅外熱成像遙感主要利用紅外熱成像儀等設備，檢測夜間道路上大型動物或人類誤闖，相較于人工檢測與光遙感檢測來說，紅外熱成像遙感在夜晚可探測距離更廣、精確度更高；激光雷達檢測主要用于鐵路的地理信息測繪和定位導航，激光測距可檢測且記錄鐵軌的微小位移量并回傳給相關設備。

2.2 軌道無損探傷

工務段常用探傷方法為磁粉檢測法和超聲波檢測法。一般人工駕駛探傷車對每條鋼軌進行檢測并查找故障。若使用無人機巡檢完成探傷工作，則無法滿足上述兩種探傷方法的高度需求，因此探傷方法應換為激光檢測法。此方法相較于磁粉檢測法和超聲波檢測法，所需高度限制較為寬泛。

2.3 無人機選型

搭載云臺的無人機是新巡檢模式的基礎。固定翼無人機機翼普遍較大，靈活度較低，不利于規避列車；無人直升機體積較大，控制難度和使用成本較高，雖其載重適當，但成本過大，故不予考慮。多旋翼無人機相較于其他機型，懸停時間長，機動性良好，可進行精細操作考慮巡檢途中的規避動作，精細操作選用多旋翼無人機。

3 無人機巡檢存在的關鍵問題

無人機在巡檢線路的過程中，會拍攝大量的列車線路和附屬周邊設備的圖片，并獲取各項數據。由于這些圖片的智能處理還處于研究階段，后期還是需要人工處理。此外，現有線路巡檢無人機還不能做到完全自主巡檢，巡檢質量在很大程度上還是取決于無人機巡檢人員的專業水平。因此，要實現無人機巡檢模式，需要解決無人機續航、無人機自主巡航、遠距離數據傳輸和大量數據處理四個核心問題。

3.1 無人機續航

在無人機巡檢所遇問題中，續航問題已嚴重制約線路無人機巡檢的效率。目前，無人機續航時間通常為30 min左右。為了解決無人機的續航問題，參考高壓輸電線路無人機巡檢所采用的兩種方法：巡檢車改裝成移動式機巢及固定于桿塔頂部的固定式機巢。解決巡航問題有以下三種方法：（1）可在各車站設立無人機機巢。由于200 km/h以下雙線鐵路的站間距通常為15 km以上，現有多旋翼無人機無法滿足站與站之間的往返，故在兩站之間設立獨立機巢，以中心機巢為起始點向兩側車站巡航以實現續航時間的延長，如圖1所示。

圖1 大功率無人機車站間往返

（2）改裝移動式機巢車，在現有檢修車、平車或敞車加裝無人機機場與無人機操作設備，由飛手駕駛移動式機巢車巡檢特定線路，當無人機需能源補充時，返回機巢，達到能源的及時補充，如圖2所示。

圖2 無人機巢模式

基于無線充電，在一定距離的接觸網立柱頂端設立無線充電點，使固定線路能及時補充能源，如圖3所示。

圖3 立柱無線充電模式

其中，移動式機巢車的人工、維護等成本較高，固定站點建設新站點的建筑成本高于接觸網改造。

3.2 無人機自主巡航

無人機飛行模式有兩種：基于飛手操控進行不定向飛行；人工預設線路基于GPS按預設線路飛行。該方法能在一定程度上節省人力，但預設線路飛行導致應變能力不足，難以靈活針對列車做出規避行為且易受環境干擾。我國鐵路系統有大量的橋隧結構，無人機巡檢易受橫風等不確定因素的影響，若要提高其應變能力，以現有條件需要大量檢測設備與煩瑣的代碼支持，這無疑會增加成本，但此種飛行模式將是未來巡檢智能化的趨勢[3]。

3.3 遠距離數據傳輸

無人機巡航進行線路異物探查，需要傳輸信息，達到實時預警的效果，這就需要數據遠距離傳輸具備高效性。在5G環境下，它的使用愈加廣泛。我國現有的鐵路無線通信系統基本以窄通信為主，但面對乘客日益增長的帶寬需求、鐵路行業自身發展的需要、交通強國發展戰略的要求，GSM-R鐵路數字移動通信系統需要向超高速、大寬帶、移動性強的方向快速發展，這已成為目前鐵路行業的主流發展思路和演進趨勢[4]。

5G網絡具有延遲極低，數據傳輸效率極高的特點。該技術在業務特性、接入網、核心網等多個方面將發生顯著變化。其中在業務特性方面，將增強型移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠通信（URLLC）、大連接物聯網（mMTC）等典型業務場景逐步引入鐵路行業；部署最新鐵路5G專網方案功能架構[4]。圖4表示無人機線路巡檢可將道路異常、異物等應急信息接入5G專網的網絡資源層，運用5G的低時延高可靠通信（URLLC）快速傳達應急信息，并及時反饋給列車司機和乘務人員，進而及時采取應對措施。

圖4 鐵路5G專網架構

3.4 大量數據處理

近年來，無人機巡檢所得數據中，具有較高自動化處理水平的只有激光雷達點云數據，其只需特定應用軟件并輔有少量人工干預即可實現。其余兩種數據尚未達到較高的自動化處理水平，須依靠專業技術人員進行人為分析。隨著智能算法的不斷發展，數據云的逐年擴大，未來或許可通過多方合作探索的方式，建立完善的軌道數據庫，進一步節省人力。

4 實施方案

4.1 無人機巢

在大疆DJI Dock中型自動飛行系統的協助下可達到半徑7 km的巡邏巡檢，該無人機重量90 kg且占地面積不足1 m2。在該無人機的應用下可結合現有板車搭載大量無人機執行巡檢任務。其內部集成內置天線、一體化氣象站、超廣角監控相機和RTK基站在保障無人機飛行安全的同時，極大地降低使用難度。該平臺可遠程制訂飛行計劃、自主作業的同時，還可實現多路無人機實時高清直播，讓管理員可遠程實時監控作業現場，提高無人機的應變能力。

綜上所述，在現有板車上安放DJI Dock作為機巢，巡檢時封閉線路，多架無人機分批次進行巡檢，當能源不足時第一批次巡檢機歸巢，第二、三批次巡檢機出動，一切控制由飛手于車站或機巢附近通過5G通信網絡進行操控，達到巡檢全自動，解放大量勞動力。

4.2 激光無損檢測法

目前軌道常用的探傷法為超聲波探傷法與磁粉探傷法，這兩種檢測法要求探傷設備密接于被檢物件，無人機巡航無法滿足該檢測法高度需求，采用激光超聲技術可最大限度地放寬高度要求。激光超聲是由脈沖激光產生的在介質中傳播的脈沖超聲[5]。

激光無損檢測法尚屬于新型無損檢測技術，具體技術仍需完善。現階段常用激光超聲波檢測法、激光全息干涉檢測法進行監測，激光全息干涉法的使用仍存在被測件與探測設備的間距限制，無法完全滿足本模式的無人機飛行需求，而激光超聲技術雖在一定程度上與傳統超聲波檢測法有相似之處，但其在距離需求上優于傳統方式。依據該檢測法原理圖改進無人機云臺搭載設備，無人機以雙機為一編組，成隊列飛行，僚機搭載激光發生裝置，長機搭載信號接收裝置，通過同一編組內兩機間距保持不變，達到激光發生—反射—接收任務，并分析表面及內部損傷狀況。

無人機擬定為大疆經緯M30機型或大疆經緯M30/T機型。該兩款機型所自帶的廣角變焦攝像頭可完成日照充足時軌道有明顯異物的探查工作；激光測距功能將實現巡檢時對鐵軌間軌距等距離信息的采集，并由后臺大數據進行信息比對，分析鋼軌位移量及是否影響列車正常行駛。該模式可將無人機群分為兩大梯隊，第一梯隊云臺搭載激光超聲波發生裝置，擔任激光探傷發生源；第二梯隊云臺搭載信號接收裝置，飛行距離遠，與第一梯隊負責接收信號發生源，并由被測件返回的各類信號通過5G網絡傳輸至無人機操控員的信息終端。

5 小結

本文通過分析既有鐵路軌道的巡檢方式和無人機在其他行業的巡檢應用，從而確定無人機巡檢運用于線路巡檢的可行性，重點討論無人機巡檢系統在軌道巡檢中滿足的基礎條件，結合我國鐵路實際情況，提出5G環境下無人機在線路軌道巡檢的方案，這可提高鐵路巡檢效率，也可為未來鐵路巡檢改革提供一定的理論依據。現階段主要問題存在于基礎設備成本較高，無法大范圍使用，可先選擇部分具有極端氣候地區進行試用，并不斷改善。該模式在探傷方法選擇上任具有較大改進范圍，可根據無損新技術的發展進行升級更換。相信在本項目廣泛運用于軌道探傷時可極大限度地改善巡道工的工作環境，提高巡檢效率，降低工作風險，為現有巡檢模式注入新鮮血液。