无人机在城市轨道交通智能运维中的应用

陈 旭

（广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着城市轨道交通运营时间、运营里程和客运量的逐渐增加，各城市轨道交通都逐渐出现了设备老化的现象，设备可靠性不断降低，故障率持续上升。同时因安全运营的要求不断提高以及人员成本的不断激增，运行可靠性和运营成本两方面的要求，需要城市轨道交通运维模式更加智能化。与传统运维线路相比，智能化线路在人工成本、维修模式、可靠性及对外服务质量等方面都存在明显优势。智能化运维是实现降本增效、提升运营质量的有效途径。城市轨道交通智能运维是行业发展的趋势，虽然势不可挡，但任重而道远。要抢占先机，就需要当前的轨道交通建设、运营企业居安思危，积极探索城市轨道交通运营维保社会化的方式，选择科学化、标准化、规范化以及性价比最佳的运维模式。

1 城轨运维管理现状

城市轨道交通行业运维管理以人为中心开展的人力管理、人工巡检、人工组织抢修和维护都存在很多不足的地方，例如人工巡检耗时、效率低、质量低以及持续性低；故障监测及处置的实时性、全面性有待提高，缺乏预测手段；人工组织抢修时故障原因难定位、故障延时长以及抢修资源难到位，使运营影响变得不确定。

在《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》等一系列政策“提高运营管理智能水平，加快完善现代综合交通运输体系”的思想指导下，城市轨道交通行业在智能化运维上有了对新发展方向的新要求，深入推动各类智能运维技术应用，并取得了显著的成效[1]。

2 无人机应用案例分析

无人机在行业上的应用已极为广泛，在公共安全、石油天然气、电力以及测绘行业都有所应用。行业应用级无人机主要由3 个部件构成，分别为飞行平台、负载设备以及软件系统。其中飞行平台为多旋翼无人机，根据用途及参数要求的不同可细分为多种规格型号；负载设备为具备某些特定功能的摄像头，例如集变焦相机、广角相机、热成像相机以及激光测距仪于一身的摄像头；软件系统可提供从航线规划、数据获取和模型重建到数据分析的一站式内外业解决方案。

城市轨道交通行业中某地铁公司在2020 年已成功将无人机技术应用于对110 kV 电力架空线路的检修以及对洞口、护坡和高架桥等地铁土建结构的检查。同时在山体滑坡、洪水暴发、地震灾害以及雷雨台风等特殊天气情况下，无人机能够从空中及时地对运营线路的潜在风险进行勘测，及时发现并处理设备的风险，保证其不受交通状况的影响。下面重点对110 kV 架空线路无人机自动巡检智能运维项目的应用案例进行说明。

2.1 110 kV 电力架空线路无人机自动巡检智能运维项目背景

某地铁某一主所的两路110 kV 进线电源包括7.6 km 架空线路，其中架空线路共有28 座架空杆塔。架空线路设备设施分布于高山密林之中，沿途共跨越10 座山，是一条翻山越岭且周边环境极为复杂的架空线路。该架空线路以往主要依靠人工利用望远镜等设备辅助观察和巡视，只能从下往上观察，存在巡视盲区。架空线及附件距离地面约30 m，人工使用望远镜的巡视模式过于原始，巡视质量受较多客观条件的限制，难以及时发现设备隐患。同时由于28 座杆塔大部分处于高山密林之中，人员难以到达，在这样恶劣的环境中开展作业，效率低下并存在安全隐患。

2.2 无人机智能运维模式探索

针对上述人工运维成本高及运维效果有限的问题，该地铁公司研究使用无人机技术搭建无人机智能运维系统、数据建模和智能自动巡视系统，实现以自动机巡的巡检模式对架空输电线路进行巡视以及对设备的状态进行监控。该智能运维技术的应用可以达到降本增效的目的，减少巡视盲区并提高巡视质量，同时提升检修效率并保护巡检人员的人身安全，进一步保证设备安全稳定的运行。

2.3 无人机智能运维建设方案

2.3.1 建模流程

通过对无人机自动巡视110 kV 电力架空线路的深入分析和设计，整个建模分为2 个部分，即外部数据采集和内部数据处理。外部数据采集主要分为2 个部分：现场踏勘和自动飞行航线设计。内部数据处理分为照片拍摄、软件系统内模型构建及DLG 线画图采集。整个建模流程如图1 所示。

图1 建模流程图

2.3.2 外业采集数据

2.3.2.1 现场踏勘

对110 kV 架空线路设备、沿线地理位置、自然环境及路径走向进行现场勘查

2.3.2.2 航线设计

根据现场踏勘结果设计外业数据采集航线，无人机根据航线进行飞行并采集数据。

2.3.3 内业处理数据

2.3.3.1 航空摄影

根据设计好的数据采集航线，用无人机对110 kV 架空线路设备（含周边环境）进行多方位拍照，以获取建模所需要的数据。

2.3.3.2 模型重建

利用高性能计算机对航空摄影采集的建模数据进行快速运算，搭建3D 模型并输出质量报告。

2.3.3.3 DLG 线划图采集

对现场的地形图进行扫描，人机信息交互将其相关要素矢量化，也就是在DRG 背景数据上，采用人机信息互交的模式进行DLG 数据的采集及属性录入，属性数据主要由DRG 来获取；当有新DOM 以及专业数据资料时，应参照预处理图，在DRG 与DOM 叠合的基础上，以DOM 为背景对更新要素进行图形采集，同时赋属性值；当发现矢量要素与其DOM 同名影像位置的套合误差在某些部位超限时，应以DOM 为准，对矢量要素进行修正。目前常用的国内外矢量化软件或GIS 和CAD 软件都是利用矢量化功能将扫描影像矢量化后转入相应的系统中。

利用省CORS 系统（CGCS2000 国家坐标系），采用GNSS 接收机RTK 模式直接布设图根控制点，使用全站仪采用极坐标方式测定明显地物点的坐标，通过对比检测坐标与成果图获取坐标来检测地形图的平面精度。把三维模型上量取的检核点的坐标与实测的坐标进行比对，完成精度评定[2]。

2.3.4 自动巡视航线规划

根据110 kV 架空线路的巡视要求，在大疆智图软件上设置自动巡视线路航点及拍照点，无人机与架空线路保持不小于5 m 的安全距离，根据无人机摄像头的功能性可适当增加无人机与架空线的距离。

进行现场飞行调试时，需要根据现场测试情况对航线进行调整，以更好地满足现场的需求。

2.4 无人机智能运维应用成果

通过应用无人机、自动飞行软件以及图像智能识别技术等对110 kV 架空线路的巡视进行建模，经过实际应用，整体效果良好，达到了运营供电检修人员的要求。110 kV 架空线路无人机自动巡检智能运维项目所取得的主要成果如下：1）因为110 kV 架空线路无人机自动巡检智能运维系统无人机机动性强、操作方便，所以便于检修人员远程对复杂地形的110 kV 架空线路进行快速有效检修，改变了传统人员爬山涉水的检修模式，极大地提高了检修效率。同时检修人员无须频繁进入恶劣环境，有效避免自然环境对人身的伤害，规避了作业的风险。2）110 kV 架空线路无人机自动巡检智能运维系统识别灵敏度高，可以对导线、地线、绝缘子串以及金具等部位开展精细化巡视。还可以利用高倍率摄像头对架空线路设备进行拍照，通过照片可以清晰观察设备的外观状态，从而清晰分辨销钉级缺陷（如图2 所示），得到的数据质量高于人工巡视的质量；同时，采用无人机可以实现对架空线路设备的360°巡视，解决了纯人工巡视模式中不可避免的巡视盲区，满足精细化巡视的运维需求。3）110 kV架空线路无人机自动巡检智能运维系统具有较大的兼容性，通过更换不同功能的摄像头，可根据用户需求实现其他功能。例如使用具有红外热成像功能的摄像头可以对设备进行热成像扫描，分析设备温度分布情况，快速发现设备异常发热的位置，及时发现设备隐患。4）110 kV 架空线路无人机自动巡检智能运维系统能够自动判断设备缺陷并输出报告。该智能运维系统搭载人工智能缺陷识别系统，其基于深度学习卷积神经网络和小波矩的图像识别方法，对人巡、机巡的图像数据进行快速识别并分析处理，支持识别绝大部分110 kV 架空线路隐患类别和绝缘子、端子、防震锤以及销钉级的架空杆塔本体部件缺陷类别（如图3 所示）。通过建立设备缺陷数据库，利用智能识别技术，将无人机自动巡视过程中拍摄的照片与数据库进行智能比对，自动判断设备是否存在缺陷并输出报告。

图2 110 kV 架空线路无人机自动巡检效果图

图3 智能缺陷识别系统

3 无人机其他应用案例

无人机在城市轨道交通行业的应用已覆盖到多个专业领域，除应用于前文介绍的电力设备巡视外，无人机还应用于对桥梁结构和露天设备的日常巡视。使用传统检测手段对高架线路桥梁的定期检查，主要依靠肉眼或者辅助工具（例如望远镜等）来完成，主要检测桥梁构件是否出现开裂、支座脱空、露筋锈蚀以及裂缝破损等病害。传统检测方法和手段存在很大的局限性，操作难度大，存在检查盲区。同时人工进入现场检查的效率很低、难度很大且危险系数很高。而应用无人机进行辅助检查后，将在很大程度上解决这些难题。针对桥梁的桥塔、桥墩、支座以及桥腹等部位及螺栓脱落的检测，无人机具备很多的优势，检查方便快捷、省时省力、无检查盲区且无人员安全风险（如图4 所示）。

图4 无人机巡检高架、露天设备

无人机还可以在雷雨、大风等特殊天气前后对设备状态进行确认及对周边环境风险隐患进行排查，根据图片判断是否存在异物侵入轨行区或者山体滑坡等隐患（如图5 所示），不仅大大提高了检查效率，而且解决了人员难以及时进入区域检查的困难。

图5 无人机排查高架、洞口风险隐患

4 结语

无人机的使用让城市轨道交通向智能运维又迈进了一步。无人机智能运维不仅在城市轨道交通行业电力专业架空线路等室外电力设备巡视中应用，也可以在洞口、护坡以及高架桥等地铁土建结构巡视中应用，在山体滑坡、地震灾害、洪水暴发以及雷雨台风等特殊天气中使用无人机可快速地对线路的潜在风险进行排查，不受路面交通状况的影响。虽然无人机加入智能运维系统只是城市轨道交通行业实现智能运维的一个小缩影，但是在城市轨道交通行业的智能运维上属于大胆的尝试和重大突破，其带来的效益也是巨大的。

综上所述，智能运维能为城市轨道交通的运营带来3 个方面的提升，这也是城市轨道交通运营的目标：1）安全能力提升。提升设备可靠度、可用度，同时快速有效地对临时故障进行应急处置，保障运营安全。2）运维效能提升。减少维护用时，增大运营时长；降低设备故障，保证最大运能，做到维护和运营联动，优化运营策略。3）成本效益提升，降低维护工时和维护成本，降低设备替换和备用成本，降低人工劳动强度和风险。