高速公路边坡无人机巡查问题分析与探讨

高昆　谢亮　吕梦

【摘 要】采用无人机技术，能够提高高速公路外场作业的能力和效率，对应急处置快速反应、日常巡查管理都有十分重要的意义。但是无人机在执行巡检任务时，需要明确边坡养护巡查的内容和要求，了解边坡所处的周边环境，清楚其用于边坡巡查时受到的约束条件。根据上述三点内容，本文进行详细的分析，希望对无人机在高速公路巡检有所助益。

【关键字】高速公路；无人机；高边坡；巡检

中图分类号： TM752 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0122-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.054

1 边坡日常养护巡查要求及内容分类

一般来说，边坡主要是指因为人类工程活动需要对地形、地势进行改造而形成的坡地或坡面，分为自然斜坡和人工边坡。高速公路边坡的基本要素包括坡顶、坡面、坡脚、坡高、坡长、坡角等[1]。

边坡病害是道路的主要病害之一，病害种类繁多且突发性强。为保证高速公路有良好的路况以保障过往交通安全，高速公路养护管理公司将边坡养护巡查分为日常养护巡查、定期检查和专项检查，以加强边坡养护巡查及时发现问题。

1.1 边坡日常养护巡查要求

1.1.1 巡查周期

目前我国一般是根据边坡的稳定情况，先对其进行分类；然后根据边坡的类别制定不同的日常养护巡查周期。一般情况下，根据边坡的稳定性将其分成四类，各类相对应的巡查周期。当出现暴雨或者进入雨季时，需要增加巡查的频率；边坡治理期间对其巡查次数每天不少于1次。由此可见，高速公路边坡日常养护巡查周期短、频率高。

1.1.2 巡查范围

边坡日常养护巡查一般要求下起路堑的排水沟、上不少于坡顶外侧2边沟宽，需根据情况不少于20m。主要是通过巡查人员目测的方式对边坡的坡体及防护构造物进行一般性的检查。

1.2 边坡日常养护巡查内容

目前高速公路边坡日常养护巡查内容主要包括防护工程、排水设施以及对边坡安全稳定构成威胁的其他情况的巡视。

1.2.1 边坡防护类型及巡查内容

边坡作为道路工程中最常见的工程之一，为了防止其失稳而影响到道路的稳定和车辆的行车安全。同时，尽量与周围的环境相协调、维持生态环境的相对平衡，施工过程中会根据地形、地质等具体情况选择相应的防护工程措施。边坡防护一般主要分为支挡结构防护和坡面防护。

（1）支挡结构防护

一般对于稳定性较差或不稳定的边坡，会采用增加边坡率的方法或者利用支挡结构对其进行加固以确保边坡的稳定性。支挡结构主要包括抗滑桩、锚杆式、悬臂式、重力式等多种结构。

（2）坡面防护

坡面防护主要针对稳定性好的边坡，一般用来防护开挖的边坡坡面岩体风化脱落、掉块等浅表层或可能出现局部变形破坏的情况，主要分为砌石、喷锚和柔性三类防护。

1.2.2 排水设施巡查内容

由于大气降雨引起的坡面径流会冲刷道路边坡，雨水的入渗会引起地下水位的变化会影响边坡的稳定性，因此在边坡设计时会要求在边坡的坡顶、坡面、坡脚和边坡中部平台设置排水系统，多雨地区应采取坡面防护和截排水综合措施。坡面排水主要采用排水沟和截水沟，一般情况下，排水沟设置在截水沟的两头或者相对较低的一端，用来排除超出截水沟容纳能力的地表径流。

排水设施巡查主要包括：截水沟、排水沟、边沟等是否淤塞、有无冲毁破损、涵沟是否相互连接以及排水是否通畅，保证地表及地下排水设施的有效性。

2 边坡巡查问题分析

目前无人機技术已经被广泛的应用于多个领域，并且取得了不错的成果，但受限于无人机飞行控制技术、GPS定位精度等因素，无人机的安全作业与其作业环境有很大的关联。为了保证无人机在边坡巡检中的实用性，进行了现场环境分析。

2.1 高公路边坡环境分析

边坡所处的环境具有以下特点。

（1）GPS信号难以保证。许多边坡位于山区地带，由于山的遮挡，GPS信号通常情况下比较弱甚至没有，或出现信号不稳定的情况。

（2）边坡上空环境复杂。不少边坡周围设有供电设施，输电导线横跨于边坡上空。输电导线会根据不同的用电需求被分成不同的等级，而架设不同等级电线的对地高度是不同的，部分边坡上空甚至有不同等级的电线相互交错。

（3）为实现网络、通信信号全覆盖，架设了大量的通讯基站，部分边坡附近也存在通信基站。通讯基站发射的无线电会干扰无人机与地面之间的遥控信号，使得遥控距离大幅度缩短而影响无人机的飞行控制，导致无人机出现失衡等情况。

（4）高速公路边坡位于高速公路的两侧，且边坡的坡脚一般距离道路较近。高速公路上会不定时地经过高速行驶的车辆，而在日常的养护巡查中是不会对道路进行管控的。由《道路交通安全法》第五节高速公路特别规定可知，除了行人、非机动车拖拉机、轮式专用机械车、铰接式客车、全挂拖斗车以及其他设计最高时速低于70公里的机动车不得进入高速以外，其他机动车辆若满足相关要求，均可以进入高速公路。由此可知，高速公路上的车辆类型多、尺寸大小不一。

2.2 日常巡查重、难点分析

（1）巡查重点

边坡一般是在坡体内部存在的潜在变形、滑动面（带）和外部触发因素的共同作用下发生变形破坏。诱发路堑边坡变形破坏的因素主要为大气降雨等。降雨期间的地表径流冲刷会导致水毁；同时，地表水会深入转化为地下水并对岩土介质产生软化作用大大降低岩土的强度，加上其对土体的润滑作用容易导致边坡最终发生变形破坏。因此地下水不仅是路堑边坡发生滑坡等灾害的主要诱发因素，而且在坡体变形破坏的潜在条件形成的过程中发挥着很大的作用，所以边坡的排水设施应是日常养护巡查的重点[1]。

（2）巡查难点

在边坡的日常养护巡查中主要是采用徒步（必要时借助绳索等防护用具）辅以简单的工具，通过眼看、耳听、敲打等简便的手段了解边坡的大体情况；对于无法攀爬的边坡主要是通过望远镜进行观察。

3 无人机约束条件分析

无人机在飞行过程中，需要不断地与外界环境进行交互，而且无人机的作业受到各方面因素的影响。为保证无人机安全、顺利地完成日常养护巡查任务，需要综合考虑多个约束条件和任务要求，实现效益最大化。本文主要从无人机自身性能约束、外界环境约束以及任务要求三个方面进行考虑。

3.1 无人机自身性能约束

3.1.1 续航时长

将无人机满荷载情况下的最长续航时间，记作Tmax。本文选用的无人机为四旋翼无人机，采用的是高性能锂电池作为驱动力来源。由于锂电池的容量有限，加上无人机荷载能力有限，难以实现多块电池同时供电，故旋翼无人机的续航时长较短，一般满荷载情况下约为10～40分钟。根据任务要求及环境的差异，无人机在执行任务的过程中，可能需要更换电池。故无人机单次飞行时长Ti应满足：

Ti

3.1.2 与障碍物的安全距离（水平方向）

将无人机在飞行过程中需要与障碍物之间保持的最小距离称作安全距离Lsafe。无人机在飞行过程中，难免会有障碍物存在于无人机的航迹周围或航迹内，受限于无人机飞行控制技术及GPS定位精度等因素，需要确保无人机与障碍区之间的距离Lfact大于安全距离Lfact，避免无人机和障碍物发生碰撞，即满足：

Lfact>Lsafe（2）

3.2 外界环境约束

无人机受限于目前的科学技术水平，作业时受外界环境影响较大，主要包括障碍物（通讯基站、高压线等）、风力（风向、风场）、禁飞区等的威胁和干扰。通常这些威胁和干扰会作用于一定的范围，故无人机在作业时必须尽可能的绕过这些区域。

3.2.1 高压电线、电线

考虑到边坡附近可能存在的高压线产生的强大的电磁场的影响，设无人机与高压线之间的安全距离为Lline。通过专利《无人机电力巡线安全距离检测方法》和其在电力巡检中的实际应用可知，无人机与220KV的输电线路之间的距离Lfact≥Lline=8米。

3.2.2 风力

风力不仅会影响无人机的稳定，而且对无人机有效飞行时长有重要的影响。在有风的情况下，无人机需要消耗大量的电量来抵抗风力飞行；风力过大时，甚至会将无人机直接卷走。目前市场上无人机能承受的最大风力多在5级（9m/s）左右。

3.2.3 禁飞区、限飞区

近年来，未经报批的无人机飞行导致航班延误的事件频频发生；存在不法分子利用无人机多次侵入军事地域、干扰军用飞行器的正常飞行，甚至有航拍窥探国防设施、泄露国防机密的情况。为保障国家以及公民的安全，国务院相关部门带头开展无人驾驶航空器专项整治，相关法律法规指定了無人机的禁飞区和限飞区，禁飞区则禁止无人机在其区域的上空飞行；限飞区则是该范围内，无人机飞行高度不得超过120米[2]。

3.2.4 行驶的车辆

考虑到无人机和道路上车辆的安全运行，无人机应尽量远离道路上空的，但由于任务需求需要飞行于道路上空时，需考虑道路上行驶车辆的高度。根据中华人民共和国交通运输部公布的《超限运输车辆行驶公路管理规定》可知，一般情况下，要求货车运输的车货总高度从地面算起不得超过4米；根据在大件运输许可管理中，存在少数的车货总高度超过4.5米的情况[3]。

3.3 任务要求

在高公路边坡日常养护巡查过程中，通过无人机携带的摄像机对其进行照片或视频的拍摄，当无人机的速度大于一定值时，拍摄的照片、视频就会模糊，所以在无人机到达目标位置的时候减速或者悬停，需要根据地面采样间隔GSD和实际情况进行调整。

4 结束语

本文对边坡日常养护巡查的内容和要求进行了总结归纳并分析其分布情况；对边坡周围的环境特征、目前养护巡查工作中存在的问题进行了总结、分析。同时，从无人机自身性能、外部环境及任务要求三个方面对其在边坡巡查应用的约束条件进行了分析。

【参考文献】

[1]廖小平，朱本珍，王建松.路堑边坡工程理论与实践[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[2]MD-TM-2016-004，民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法[S].北京：中国民用航空局空管行业管理办公室，2016.

[3]2016-00757，超限运输车辆行驶公路管理规定（中华人民共和国交通运输部令2016年第62号）[S].北京：交通运输部科学研究院，2016.