無人機在鐵路工程輔助智能驗交中的應(yīng)用

鄧?yán)^偉

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

隨著我國鐵路建設(shè)項目規(guī)模的不斷擴大,以無人機、激光雷達(dá)為代表的一大批高新智能裝備應(yīng)用比例不斷提升,可達(dá)到降低時間成本和人力成本,提高鐵路工程管理能力的目標(biāo)。靜態(tài)驗收工作是對鐵路施工建設(shè)的全方位檢核,是投入運營的重要前提環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)靜態(tài)驗收中,主要通過各專業(yè)驗收人員到現(xiàn)場對照設(shè)計文件,相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定進(jìn)行檢查[2]。傳統(tǒng)靜態(tài)驗收主要存在以下問題:①驗收過程數(shù)據(jù)資料以紙質(zhì)資料為主,無法直觀顯示、留存鐵路工程的建設(shè)情況;②某些高危路段(涉水大橋、高危陡坡等),驗收人員難以到達(dá)現(xiàn)場;③各專業(yè)間協(xié)同不夠緊密,對于單個工點需要逐專業(yè)進(jìn)行驗收,驗收數(shù)據(jù)專業(yè)間共享較困難。

針對以上問題,已有學(xué)者開展相關(guān)研究,李西棟等對達(dá)標(biāo)驗收實施過程中的靜態(tài)驗收關(guān)鍵技術(shù)、動態(tài)測試關(guān)鍵技術(shù)、達(dá)標(biāo)驗收關(guān)鍵技術(shù)條件進(jìn)行分析,為高速鐵路營業(yè)線達(dá)標(biāo)驗收提供參考[3];徐建超等研究無人機遙感技術(shù)在鐵路竣工環(huán)保驗收中的應(yīng)用,指出無人機區(qū)域遙感可為鐵路的環(huán)保驗收提供高時效、多視角數(shù)據(jù)[4];耿小平等提出基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)輔助橋梁施工現(xiàn)場管理的方法,可減少現(xiàn)場管理盲區(qū),提高現(xiàn)場施工作業(yè)的安全性和可視性[5]。

以下在前期既有研究基礎(chǔ)上,對基于無人機綜合巡線的輔助智能驗交技術(shù)進(jìn)行研究。通過構(gòu)建三維可視化的數(shù)字鐵路工程,以期實現(xiàn)從虛擬感觀、定量化量測到智能化分析,為施工建設(shè)管理、靜態(tài)驗收、后期運營維護(hù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

2 無人機綜合巡線技術(shù)

2.1 無人機及航攝傳感器要求

(1)無人機+視頻傳感器

無人機具有云臺,并具備4K視頻的采集能力;配備GNSS和IMU,且慣導(dǎo)頻率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可獲取無人機實時位置和姿態(tài)[6]。

(2)無人機+影像傳感器

無人機具有云臺和高清影像采集能力。配備GNSS和IMU,且慣導(dǎo)頻率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可獲取無人機實時位置和姿態(tài)。

(3)無人機+傾斜攝影相機

無人機配備GNSS和IMU,且慣導(dǎo)頻率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可獲取無人機實時位置和姿態(tài);相機總像素不低于1.2億[7]。

(4)無人機+輕型激光雷達(dá)

無人機配備輔助RTK/PPK定位系統(tǒng),搭載輕型激光雷達(dá)系統(tǒng)和同步拍攝相機[8];激光雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 激光雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)

2.2 無人機數(shù)據(jù)處理

(1)高清視頻數(shù)據(jù)處理

針對無人機高清視頻數(shù)據(jù)量大、碼率高、傳輸速度慢及無空間定位信息等特點,數(shù)據(jù)采集完成后,需要進(jìn)行低損壓縮、視頻數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布及視頻地形信息數(shù)據(jù)編碼等處理,以提升無人機高清視頻的共享性,建立視頻數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)、鐵路專題數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系[9]。

(2)高清影像屬性信息提取

對無人機拍的各重要工點大量高清影像進(jìn)行預(yù)處理,提取拍攝影像的地理空間坐標(biāo)、飛行姿態(tài)、焦距、像元尺寸、像幅大小等重要基礎(chǔ)信息;通過建立影像與屬性信息的索引關(guān)系,實現(xiàn)影像的地理信息化。

(3)局部高清數(shù)字地形更新

基于無人機的低空攝影測量技術(shù),實現(xiàn)局部區(qū)域的DSM(數(shù)字表面模型)和DOM(數(shù)字正射影像)的快速更新,提升重要工點的地形展示和量測時效性[10]。

(4)實景三維模型重建

無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)處理的基本流程是通過多視影像聯(lián)合平差、影像密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、三維模型紋理映射等過程最終實現(xiàn)實景三維模型重建。

(5)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

無人機激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理包括以下內(nèi)容:點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理,包括POS和LAS數(shù)據(jù)解算等;DOM制作及激光點云賦色;點云的濾波和分類;基于分類后點云數(shù)據(jù)構(gòu)建高精度的DSM和DEM(數(shù)字高程模型)。

2.3 無人機綜合巡線技術(shù)應(yīng)用

(1)工程進(jìn)度展示

利用無人機巡檢快速掌握工程進(jìn)度情況。一方面,通過不同期次的無人機巡檢數(shù)據(jù)的對比分析,可以獲取該時間段內(nèi)的施工進(jìn)展速度和情況;另一方面,通過對無人機巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫和管理,可以對各個時間節(jié)點的建設(shè)歷史資料進(jìn)行存儲、查詢和展示[11]。

(2)施工過程監(jiān)控

在鐵路工程施工和靜態(tài)驗收階段,施工與設(shè)計的一致性關(guān)乎項目的管理、質(zhì)量乃至安全。通過定期、不定期的無人機巡檢,可以有效掌握施工和現(xiàn)場情況,達(dá)到設(shè)計一致性抽檢的作用。

(3)環(huán)水保應(yīng)用

利用“無人機+地表環(huán)境檢測(監(jiān)測)傳感器”,通過無人機定期巡檢的方式,對無人機視頻、影像及多光譜等數(shù)據(jù)源進(jìn)行分類別提取,篩選出鐵路工程沿線的環(huán)水保問題數(shù)據(jù),可以進(jìn)行施工紅線管理,施工期水環(huán)境監(jiān)測,自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)監(jiān)測,環(huán)水保專題數(shù)據(jù)庫建立等工作。

3 靜態(tài)驗交應(yīng)用與數(shù)據(jù)提交

鐵路靜態(tài)驗收的內(nèi)容主要包括外業(yè)檢查和內(nèi)業(yè)檢查。外業(yè)檢查包括觀感質(zhì)量檢查、主要功能檢查和實體質(zhì)量的抽查等;內(nèi)業(yè)檢查包括內(nèi)業(yè)資料的完整性和全面性檢查,及對有關(guān)內(nèi)業(yè)重點資料的抽查等,檢查結(jié)果應(yīng)符合相關(guān)專業(yè)要求。利用無人機輔助靜態(tài)驗交的方式,可以根據(jù)無人機航測數(shù)據(jù)成果,在內(nèi)業(yè)直接檢查觀感質(zhì)量和輔助專項問題整治,不僅可以提升作業(yè)效率,還可以形成數(shù)字化存檔資料。

3.1 全線層面數(shù)據(jù)應(yīng)用

利用全線中等分辨率精度的數(shù)據(jù)地形模型和傾斜實景模型構(gòu)建三維場景(見圖1),并加入設(shè)計數(shù)據(jù)圖層,結(jié)合無人機巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行全線宏觀驗收。具體包括:線路的運營環(huán)境,軌道、四電設(shè)施、界樁的布設(shè)情況,以及沿線臨時用地的拆遷整理和復(fù)耕復(fù)墾情況[12]。

圖1 鐵路三維可視化場景

3.2 工點層面數(shù)據(jù)觀感應(yīng)用

綜合利用無人機高清影像、視頻、DSM+DOM、傾斜實景三維模型等數(shù)據(jù)結(jié)合各個專業(yè)的檢查項目需求,開展鐵路工程工點層面的觀感輔助驗交工作。

(1)無人機高清影像

利用無人機及其可變焦光學(xué)相機逐工點、分專業(yè)、逐構(gòu)件進(jìn)行高清照片或視頻影像的拍攝,同時可以進(jìn)行多期視頻比對(見圖2),以便更加清楚、直觀地輔助完成靜態(tài)驗交。

圖2 多期視頻比對

①橋梁專業(yè):對預(yù)應(yīng)力混凝土梁、橋面及附屬設(shè)施、救援設(shè)施、橋梁排水設(shè)施等分別進(jìn)行拍攝,利用人工智能與人工目視判讀相結(jié)合的方式對發(fā)現(xiàn)的疑似點位進(jìn)行現(xiàn)場核實,確保驗交的準(zhǔn)確性[13]。

②隧道專業(yè):對端墻、擋翼墻、排水、截水設(shè)施、銘牌、檢查梯、排水溝出口、邊坡等目標(biāo)進(jìn)行高清拍攝,獲取目標(biāo)高清影像,通過影像解譯,判斷隧道整體及構(gòu)件觀感質(zhì)量情況。

③環(huán)水保專業(yè):對生態(tài)保護(hù)區(qū)、稀瀕危動植物、文物古跡等進(jìn)行檢查拍照、錄制視頻,從而判釋保護(hù)措施的完成情況。對大型臨時工程的防護(hù)措施,聲屏障的外觀通過拍攝全景照片、視頻影像的方式進(jìn)行可視化描述,對防護(hù)措施進(jìn)行核實判定。

④路基專業(yè):對路塹邊坡、擋土墻砌筑(安裝)、漿砌(干砌)護(hù)坡、植物防護(hù)及綠化等目標(biāo)進(jìn)行全景照片拍照和視頻錄制,專業(yè)人員再進(jìn)行室內(nèi)輔助核驗。

(2)高精度“DSM+DOM”

基于無人機低空攝影制作的高精度“DSM+DOM”,可以進(jìn)行如下應(yīng)用。

①線路專業(yè):對沿線設(shè)施進(jìn)行普查,檢查線外目標(biāo)是否存在侵線,以及對目標(biāo)與線路距離進(jìn)行空間量測分析,見圖3。

圖3 高精度DOM

②站場專業(yè):進(jìn)行信息標(biāo)志存在性檢查以及距離量測,對排水溝與正線的位置進(jìn)行空間量測。

③環(huán)水保專業(yè):對植被、水體、裸土等目標(biāo)進(jìn)行分類,基于分類結(jié)果進(jìn)行水土流失情況、植被的覆蓋率計算,精確掌握復(fù)墾復(fù)耕情況。

(3)無人機傾斜實景三維模型

①線路專業(yè):利用沿線實景三維模型,對線路地界樁位置及設(shè)置情況進(jìn)行觀感檢查和間距量測分析。

②路基專業(yè):利用路基段落的實景三維模型對路基面、路基邊坡排水溝槽,防護(hù)柵欄,排水設(shè)施,電纜槽等進(jìn)行觀感質(zhì)量檢查,見圖4。

圖4 高精度傾斜實景三維模型

③環(huán)水保專業(yè):利用沿線實景三維模型對生態(tài)保護(hù)警示標(biāo)識,聲屏障位置、型號,動物通道的規(guī)格、尺寸進(jìn)行虛擬驗交。

3.3 竣工驗收專項整治應(yīng)用

(1)外部環(huán)境整治應(yīng)用

綜合運用無人機實景三維、高精度正射影像數(shù)據(jù)開展沿線外部環(huán)境整治工作。提取硬質(zhì)漂浮物、輕質(zhì)漂浮物、違法堆放類等危險源,開展風(fēng)險源分析(危險源分類、與線路位置關(guān)系、距離),形成危險目標(biāo)清單,見圖5,為建設(shè)單位與地方政府聯(lián)合專項整治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 外部環(huán)境整治目標(biāo)提取

(2)危巖落石整治應(yīng)用

利用無人機進(jìn)行隧道上方、高邊坡區(qū)域的危巖落石和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查;通過無人機貼近攝影測量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與高精度三維重建;利用實景三維數(shù)據(jù)提取落石位置、幾何參數(shù)、線路距離、巖石走向、傾向等參數(shù);利用提取的參數(shù)結(jié)合高精度地形數(shù)據(jù)實現(xiàn)下落軌跡、沖擊能量估算(見圖6、圖7)。

圖6 危巖落石整治

圖7 下落軌跡和沖擊能量估算

3.4 驗交成果提交

在鐵路工程驗交中,應(yīng)用無人機可達(dá)到厘米級測量精度,有效提升驗收過程可追溯性,形成無人機數(shù)字化驗交成果數(shù)據(jù)。

(1)提交數(shù)據(jù)內(nèi)容

①全線數(shù)據(jù):包括全線巡線視頻、數(shù)字正射影像、中等分辨率的傾斜模型等,用于從宏觀角度為全線靜態(tài)驗收提供直觀數(shù)據(jù),為線路外部環(huán)境、環(huán)水保驗收等提供有力數(shù)據(jù)支持。

②工點數(shù)據(jù):以工點為單位,進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)化管理,為各工點各專業(yè)的靜態(tài)驗收提供數(shù)據(jù)支持,具體包括高精度激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、高分辨率影像和高精度傾斜實景三維模型。

③應(yīng)用報表:針對無人機多源數(shù)據(jù)觀感與專項整治應(yīng)用形成各專業(yè)A、B問題和專項整治目標(biāo)清單。

(2)數(shù)據(jù)提交方式

①系統(tǒng)化提交:通過構(gòu)建鐵路靜態(tài)驗收私有云,在云端實現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的存儲、管理與應(yīng)用,采用以現(xiàn)場驗收為主,云端虛擬驗收為輔的技術(shù)思路,開展無人機數(shù)據(jù)虛擬化驗交工作。

②歸檔數(shù)據(jù)提交:在靜態(tài)驗收結(jié)束后,將驗交過程中使用的無人機照片、視頻、模型和點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式,歸檔數(shù)據(jù)及報表清單按照規(guī)范進(jìn)行分專業(yè)、分工點歸類,隨紙質(zhì)材料同步進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔。

4 “BIM+GIS”融合技術(shù)應(yīng)用展望

鐵路竣工驗交工作周期長、任務(wù)復(fù)雜,亟需采用先進(jìn)技術(shù)手段,優(yōu)化竣工驗交工作方式,提高竣工驗交的質(zhì)量和效率;另外,為運營維護(hù)提供初始工程狀態(tài)也非常重要。因此,統(tǒng)籌考慮驗收、交付、運維,以“BIM+GIS”融合技術(shù)為基礎(chǔ),建立統(tǒng)一的鐵路工程竣工驗交管理平臺,集成和管理竣工驗交資料,打造數(shù)字孿生鐵路,輔助鐵路運營維護(hù)[14]。

4.1 智能分析技術(shù)

基于影像和點云大數(shù)據(jù),利用人工智能、云計算等智能分析技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)價值是未來應(yīng)用發(fā)展趨勢。綜合發(fā)掘點云、影像等數(shù)據(jù)資料,利用大數(shù)據(jù)和智能分析技術(shù),最終實現(xiàn)鐵路周邊環(huán)境因素的自動分類,識別鐵路周邊安全隱患,并自動統(tǒng)計、分析。

4.2 驗交平臺建設(shè)

綜合應(yīng)用“BIM+GIS”融合技術(shù),集成基礎(chǔ)地形、設(shè)計資料、施工過程資料、靜態(tài)驗收資料,采用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)獲取處理與發(fā)布技術(shù)、鐵路信息模型建模技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合集成與管理技術(shù)等,建立三維驗交管理平臺,構(gòu)建數(shù)字化、可視化場景,實現(xiàn)設(shè)施設(shè)備瀏覽、定位和查詢。

4.3 拓展運維應(yīng)用

快速建立資產(chǎn)臺賬,在高精度三維場景中實現(xiàn)工務(wù)、電務(wù)、供電、房建以及其他專業(yè)鐵路設(shè)施設(shè)備模型的瀏覽定位,將設(shè)計和施工過程中的資料進(jìn)行整理編碼建庫,建立與相關(guān)設(shè)施設(shè)備模型的關(guān)聯(lián);綜合利用已有監(jiān)測檢測設(shè)備,集成多種傳感器的數(shù)據(jù)和監(jiān)測檢測成果[15],建立運維數(shù)據(jù)與BIM模型關(guān)聯(lián),實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線查看、分析及評估。

4.4 模型和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合竣工驗交和運維管理需求,梳理現(xiàn)有的各專業(yè)數(shù)據(jù)和模型表達(dá)內(nèi)容、表現(xiàn)方式、模型精度以及深度等;在數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)入庫和數(shù)據(jù)接口方面進(jìn)行總結(jié)提煉,形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),如設(shè)計資料數(shù)據(jù)分類編碼及入庫規(guī)則;施工過程資料數(shù)據(jù)庫的接入規(guī)則及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn);驗交資料數(shù)據(jù)的入庫規(guī)則和應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn);業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的接入規(guī)則及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)等。

5 結(jié)論

無人機具有機動靈活、采集精度高及視場廣等特性,深入研究無人機搭載輕量化傳感器輔助開展輔助智能驗交工作可行性,得出以下結(jié)論。

(1)綜合利用無人機巡檢視頻、高清影像、激光雷達(dá)和傾斜攝影等多種作業(yè)方式,實現(xiàn)對鐵路工程的三維可視化現(xiàn)實重構(gòu)。以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),可在一定程度上實現(xiàn)鐵路工程的直觀感知、定量分析、專業(yè)間高效數(shù)據(jù)共享等,輔助各專業(yè)解決重要或復(fù)雜工點的靜態(tài)驗交工作。

(2)基于無人機多源數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助驗交,其應(yīng)用范圍主要集中在觀感驗交和實體質(zhì)量的定量量測等方面,但無法對鐵路工程的功能性進(jìn)行檢驗。

(3)基于無人機技術(shù)、BIM+GIS、多傳感器等高新技術(shù)構(gòu)建起基于三維真實數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生鐵路工程,可用于鐵路工程的靜態(tài)驗收,后期運營維護(hù),實現(xiàn)由數(shù)字鐵路到智慧鐵路的轉(zhuǎn)換。