基于無人機(jī)的重載鐵路線橋隧一體化巡檢系統(tǒng)架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

王鵬 段培勇

1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

重載鐵路由于運(yùn)量大、軸重大、高密度、荷載作用時間長等特點(diǎn)，對線路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的沖擊力及破壞作用顯著，極易損壞基礎(chǔ)設(shè)施［1］。基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)劣化引發(fā)的安全隱患主要表現(xiàn)為鐵路橋涵開裂、支座位移超限等結(jié)構(gòu)性病害和混凝土剝落、鋼筋銹蝕等耐久性病害，以及路基邊坡開裂、外鼓、失穩(wěn)等病害，隧道洞口危巖落石、頂部山體變形、沉降等病害。目前，普遍采用人工巡查模式開展線橋隧結(jié)構(gòu)病害檢查。人工巡查模式工作效率較低，檢查頻次少，且較多的結(jié)構(gòu)部位因檢查人員無法到達(dá)而不能有效檢查。另外，鐵路檢修采用全天窗的管理模式，降低了檢查工作效率和檢查效果，作業(yè)人員安全隱患較大［2-3］。近年來，隨著多傳感器融合技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，鐵路檢測監(jiān)測技術(shù)向空天地立體化發(fā)展，無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）巡檢系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于鐵路工務(wù)設(shè)備巡檢中。無人機(jī)是由人為遠(yuǎn)程操控或由程序控制飛行的不載人飛行器，通過安裝在無人機(jī)上的高清相機(jī)、激光測距儀、雷達(dá)等傳感器獲取待測物體相關(guān)信息［4］。

為滿足朔黃鐵路使用無人機(jī)對線橋隧工務(wù)設(shè)備進(jìn)行一體化巡檢的應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)管理需求，本文從總體架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)、功能架構(gòu)等方面對基于無人機(jī)的重載鐵路線橋隧一體化巡檢系統(tǒng)開展架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)系統(tǒng)研制和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于無人機(jī)的線橋隧一體化巡檢系統(tǒng)（圖1）能夠?yàn)樗伏S鐵路無人機(jī)巡檢提供業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)管理綜合應(yīng)用，并為用戶提供航跡規(guī)劃、飛行計(jì)劃管理和巡檢數(shù)據(jù)管理服務(wù)，分別對應(yīng)無人機(jī)飛行作業(yè)設(shè)計(jì)與導(dǎo)入、基于作業(yè)票的飛行計(jì)劃審批、融合BIM+GIS的巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理。巡檢系統(tǒng)通過對無人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)流程和巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化管理，為用戶提供無人機(jī)巡檢作業(yè)全流程一站式服務(wù)，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)無縫銜接，推動業(yè)務(wù)順利開展。

圖1 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)

巡檢系統(tǒng)綜合應(yīng)用無人機(jī)巡檢技術(shù)、BIM+GIS技術(shù)和信息技術(shù)，遵循技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、操作友好、可擴(kuò)展、易維護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)線橋隧模型數(shù)據(jù)和巡檢信息的集中統(tǒng)一管理與服務(wù)，直觀地展示工務(wù)設(shè)備病害信息，為線橋隧設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)和系統(tǒng)支撐。

2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，分為前端和后端開發(fā)，技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。前端主要負(fù)責(zé)頁面搭建，后端主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理。前后端分離設(shè)計(jì)是指將前端和后端從之前相互融合的體系中徹底地分離開來，兩者不再共用一個服務(wù)器，前端作為一個獨(dú)立服務(wù)存在。這種情況下會使后端的一部分業(yè)務(wù)邏輯直接轉(zhuǎn)移到前端。通過API接口將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給前端進(jìn)行處理后，后端對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處于一種無任何邏輯可感知的狀態(tài)，不再需要接觸前端任何一個HTML文檔頁面或者模板頁面。前端獲得這一部分?jǐn)?shù)據(jù)后進(jìn)行下一業(yè)務(wù)邏輯的處理。前后端之間使用RESTful API接口實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互［5］。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

2.1 前端框架

系統(tǒng)采用Vue.js作為前端開發(fā)框架。Vue.js是一套構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架，與其他框架不同的是，Vue.js采用自底向上增量開發(fā)的設(shè)計(jì)，其核心庫只關(guān)注視圖層。Vue.js具有簡單靈活的API、響應(yīng)式的數(shù)據(jù)綁定和可組合的視圖組件，已形成了一套完整的生態(tài)系統(tǒng)，使前端開發(fā)變得更加便利，可大幅度減少代碼編寫量。

2.2 后端框架

后端開發(fā)采用SSM框架，即Spring、SpringMVC、Mybatis框架的整合，SSM框架將整個系統(tǒng)劃分為View層、Controller層、Service層和DAO層。其中Spring實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對象管理，Spring MVC負(fù)責(zé)請求的轉(zhuǎn)發(fā)和視圖管理，Mybatis作為數(shù)據(jù)對象的持久化引擎。

3 業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)分為基礎(chǔ)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，各層之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程遵循數(shù)據(jù)接口規(guī)范，同時通過權(quán)限及安全控制體系實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用安全。系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)

3.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層為系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如線橋隧設(shè)備臺賬信息、無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)、GIS圖層、BIM模型等）提供數(shù)據(jù)存儲環(huán)境。

數(shù)據(jù)存儲采取分布式架構(gòu)，可為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一、安全的存儲環(huán)境。線橋隧臺賬信息、無人機(jī)巡檢病害信息等主要以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的方式存儲，采用主備架構(gòu)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)倉庫在非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)方面將采用基于Ceph的對象存儲技術(shù)，搭建具備高性能的分布式存儲環(huán)境。以對象（Object）作為基本單位，采用扁平化存儲結(jié)構(gòu)管理所有數(shù)據(jù)［6-7］。對象存儲結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 對象存儲結(jié)構(gòu)

3.2 服務(wù)層

服務(wù)層為無人機(jī)巡檢系統(tǒng)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)與應(yīng)用提供核心支撐，使用SuperMap作為GIS平臺支撐，全面整合了GIS與數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了GIS、無人機(jī)傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云模型、BIM應(yīng)用模型等數(shù)據(jù)的融合，滿足無人機(jī)航跡可視化、病害信息定位等GIS+BIM應(yīng)用需求。

BIM涵蓋了從工務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)到運(yùn)維的全生命周期，可承載豐富的設(shè)計(jì)、施工和維修信息，能夠有效提升運(yùn)維管理水平和工作效率［8-9］。服務(wù)層使用基于WebGL技術(shù)的SuperMap i Client3D組件實(shí)現(xiàn)BIM的Web端渲染，為用戶提供三維場景可視化和地理空間信息管理等服務(wù)。

3.3 應(yīng)用層

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)所有的業(yè)務(wù)操作、人機(jī)界面均由應(yīng)用層提供，用戶可在公司內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下通過瀏覽器訪問無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，執(zhí)行無人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)操作，開展巡檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等工作。

4 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)（圖5）由綜合展示、臺賬信息管理、飛行計(jì)劃管理、巡檢作業(yè)管理和統(tǒng)計(jì)分析五個功能模塊組成。

圖5 系統(tǒng)功能模塊

4.1 綜合展示

綜合展示模塊包括GIS與傾斜攝影加載展示、BIM模型與巡檢數(shù)據(jù)總覽，用戶可在綜合展示頁面一目了然地獲取線橋隧工務(wù)設(shè)備定位、無人機(jī)巡檢信息以及病害信息。

綜合展示頁面見圖6。

圖6 綜合展示頁面

4.2 臺賬信息管理

臺賬信息管理模塊對線橋隧工務(wù)設(shè)備臺賬信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括橋梁基本資料維護(hù)、隧道基本資料維護(hù)、路基邊坡基本資料維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢、條件檢索和基本資料Excel導(dǎo)入。臺賬管理可對線橋隧設(shè)備臺賬進(jìn)行分類管理，按照不同條件進(jìn)行檢索，支持按固定Excel格式或者人工錄入的方式導(dǎo)入橋梁、隧道、路基邊坡臺賬信息。

4.3 飛行計(jì)劃管理

飛行計(jì)劃管理模塊主要提供無人機(jī)巡檢飛行計(jì)劃的審批流程管理。工隊(duì)專業(yè)人員通過操作無人機(jī)廠商提供的航跡規(guī)劃專業(yè)軟件制定飛行路線，附帶到安全生產(chǎn)作業(yè)票中，提交至上級部門進(jìn)行審批，獲得政府空管部門批準(zhǔn)后，完成作業(yè)票審批流程。系統(tǒng)支持航跡規(guī)劃KML文件的導(dǎo)入，結(jié)合GIS平臺進(jìn)行飛行軌跡的可視化展示。

4.4 巡檢作業(yè)管理

巡檢作業(yè)管理模塊提供無人機(jī)巡檢信息的導(dǎo)入、原始圖像文件與病害識別信息的關(guān)聯(lián)、病害圖片標(biāo)注與展示等功能。系統(tǒng)以列表的方式展示無人機(jī)巡檢的關(guān)鍵信息，包括巡檢時間、線路行別、里程范圍、工務(wù)設(shè)備編號、設(shè)備構(gòu)件編號等。用戶可以檢索、查看巡檢詳細(xì)信息，包括病害類型、病害屬性（長度、寬度、面積等）、病害位置等。根據(jù)圖像識別結(jié)果，系統(tǒng)對原始圖像進(jìn)行病害形態(tài)標(biāo)注，方便用戶獲取病害屬性。

4.5 統(tǒng)計(jì)分析

基于工務(wù)設(shè)備病害分級分類標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分析模塊提供病害信息時空多維度綜合分析功能。圖7展示了某一個工務(wù)設(shè)備的病害分布情況，便于工務(wù)部門在空間維度上整體掌握該設(shè)備健康狀況，制定積極穩(wěn)妥有效的養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃。

圖7 病害分布

系統(tǒng)對檢測到的某處病害，在時間維度上進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與可視化展示，揭示病害在過去某個時間范圍內(nèi)的發(fā)展、演變趨勢，為設(shè)備劣化預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。某處裂縫形態(tài)隨時間的演化趨勢見圖8。

圖8 裂縫發(fā)展趨勢

根據(jù)公司管理要求，系統(tǒng)可按照約定格式生成月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等周期性檢測報(bào)告。

5 結(jié)語

本文從無人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)需求出發(fā)，對重載鐵路線橋隧一體化巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)和系統(tǒng)功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，基于前后端分離的多層開發(fā)模式進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合BIM、GIS等技術(shù)手段，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)流程管控和巡檢數(shù)據(jù)管理，為重載鐵路工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維輔助決策提供數(shù)據(jù)支撐。