无人机在公路养护中的应用研究

孙成辉、王立军、林海成、路建强、柳伟

（中交基础设施养护集团宁夏工程有限公司，宁夏银川 750001）

0 引言

近年来，公路养护里程快速增加，科学、合理、高效地进行公路养护管理成为发展的重点。现阶段，通过应用先进的传感器和物联网等技术，实现了公路自动巡查、大数据决策、仿真化设计。随着养护发展新需求的多元化，契合国家创新驱动发展战略、科技驱动企业发展的理念，全景化感知、全方位巡查和快速精准养护，实现养护产业数字化已成为“十四五”公路养护发展的重要方向。

1 工程概况

宁夏固原片区有高速公路5 条，养护里程456.543km；主线总里程406.436km，匝道及连接线总里程50.107km。桥梁673 座，其中特大桥4 座、大桥192 座、中桥176 座、小桥301 座。隧道单洞累计长41.578km/14座（特长隧道单洞长18.97km/1 座，长隧道单洞长11.069km/3 座，中隧道单洞长8.94km/6 座，短隧道单洞长2.599km/4 座），属于典型的山区高速公路。其中六盘山特长隧道单洞全长18.97km，是目前西北高海拔地区较长隧道。高速公路养护项目包含日常养护巡查巡检，保洁保养，小修维护，路产路权维护照管，路基、路面、桥涵、隧道、交安、绿化、机电、站房等设施维护保养，大型特大型桥梁检查保养，六盘山特长隧道土建、机电设施检查保养，高速公路保畅保通，应急事故处理等。

2 养护特点及难点分析

2.1 养护特点

固原市位于中国黄土高原的西北边缘，境内以六盘山为南北脊柱，片区高速公路主要为国家高速公路，交通量大、社会影响大、运营时间长，道路技术状况较差，为片区养护的重点路段。主要存在桥隧占比高，高速公路养护受季节影响较为明显等问题，夏季水毁抢修、冬季除雪保畅任务重。地质情况复杂：桥头跳车、湿陷性黄土沉陷路段较多；高边坡滑坡、隧道口泥石流等地质灾害频发；冬季冰雪等恶劣天气时间较长；春融冻胀及冰雪对路面及防护设施损害问题突出等。

2.2 养护难点

目前的日常养护巡查巡检、经常性检查等工作任务，主要依靠技术人员目测及携带简易测量工具作业，机动性差、巡查周期长，部分桥梁跨度大、净空高，人工巡查难度大，技术人员数量有限且能力参差不齐。宁夏南部地区湿陷性黄土地段颇多，地质原因导致高边坡滑坡较为常见。尤其在汛期，须加大巡查频率，发现问题往往比病害出现滞后。

随着高速公路养护标准不断提高，传统养护巡查模式难以满足日常的养护巡查要求。对于山区高速公路日常养护，迫切需要探索一条新的途径或方法，既能将日常养护巡查巡检简单化、便捷化和高效化，又能快速、准确、直观地获取信息。

3 无人机在公路养护中的应用价值

无人机是一种快速、自动化程度高的低空空域飞行器，通过低空空域审批后，可以在公路红线范围内合法飞行，可利用空域资源优势，将无人机综合应用到资产管理维护、公路日常巡查、技术状况评定、灾害防治等多个方面，能够提高公路日常巡查和维护效率[1-3]。借助无人机，养护单位可以快速、便捷地观测和检查公路构造物及处理安全隐患，获得准确、及时、直观的病害信息，以便作出更准确的养护管理决策。

作为一种可靠的技术手段，无人机在高速公路养护中的应用价值体现在以下方面。

3.1 及时救援响应、保障生命财产安全

利用无人机在事故多发路段进行巡查巡检，便于第一时间充分了解事故现场情况，快速部署、实时响应，为救援人员提供充分的准备时间，降低人民生命财产损失。三维模型的建立能够为BIM 模型数据和路面的真实交互提供连接通道，从而为相关单位提供效果良好、成本较低的解决方案，同时能极大地提高灾害救援的智慧水平，为救援工作提供最有效的技术支持。

3.2 为基建赋能，推动行业技术进步

关于无人机在公路养护中的应用项目研究跨越了多管理维度、多种业务组合、系列化发展体系和工程应用的各个阶段。相关研究能够为无人机检测新技术的研发提供借鉴，推动行业的技术进步。利用无人机是公路养护的创新性发展标志，能够为养护的数字化、精准化、动态化、智能化“四化”提供支撑，使公路养护由二维向三维空间衍变，是智慧养护的发展方向之一。

3.3 保障路桥安全，提高巡查效率

无人机巡查具有以下特点：不需要中断交通，单次巡查成本低，巡查效率高。无人机能够及时发现路桥病害，并快速高效地巡查路桥技术状况，从而提高巡查效率和病害识别的准确性、全面性。通过数据分析判断，可以及时制订养护策略，省时省工，有较高的经济效益。

例如，利用无人机进行巡查，可以第一时间了解路面、桥梁、隧道洞口的结冰情况，并根据路段积雪厚度、结冰等情况采取相应的除冰、除雪措施。无人机还能够及时发现塌方、滑坡等边坡隐患，实时观察并提供预警，保障车辆行驶安全，以及预防和控制公路沿线的突发性灾害。

3.4 不受地形限制，保障工作人员安全

传统的人工巡查巡检方式受环境地形限制，工作人员的作业强度大、安全风险大，且效率不高。相比之下，无人机能快速完成巡查任务，特别是在地势陡峭、高填方深挖区域，无人机的优势更加明显，能够避免安全风险问题。

4 无人机在高速公路养护中的应用

4.1 在高速公路养护安全管理中的应用

第一，在小修施工现场及日常养护作业现场借助无人机进行安全布控，随时进行巡查，及时发现问题、传达命令，便于及时整改，确保工作人员安全。

第二，在公路用地、建筑控制区内，借助无人机对设施进行实时监测，甄别违建、破坏、偷盗行为，实时报警，联合相关部门及时进行处治。

第三，发生较大自然灾害（如地震、滑坡、水毁、泥石流、冰雪灾害等）时需要及时清理道路堵塞、解决塌方等问题。无人机具备准备时间短、不受地形限制、观测范围广、观测角度不受限制等特性，可对灾害现场和阻塞路段进行多角度观测。无人机还可以贴近危险区近距离观测，能够为应急指挥人员提供所需的现场影像资料及判断依据，帮助应急指挥人员及时对事故现场作出准确的判断、采取合理的应急措施，既能降低事故伤亡风险，又能节省时间、提高效率[4-5]。

第四，无人机上可以搭载红外测量仪、热成像仪等先进设备，可以对阻塞、塌方体进行测量，第一时间计算出体积，为应急抢通保畅提供有效的数据支持，为应急救援争取时间；热成像仪通过对塌方体进行扫描，可以确定是否有被困人员，便于及时营救。

4.2 在公路病害识别中的应用

将无人机技术与路面病害检测技术相结合，可以充分发挥无人机自动化程度高、能耗低的优势，显著降低工作人员的劳动强度。将现有的数字图像处理技术与无人机航拍功能相结合，设计无人机道路路面识别算法流程，通过高速公路路基、沿线设施识别，公路病害识别等步骤，可实现对公路病害的识别和监测。

第一，可以对路基边坡坍塌、水毁、路基沉降、排水设施堵塞、高边坡失稳等病害进行实时监测，通过影像与数字化转换分析，判断损坏程度，进而采取合理的处治措施。

第二，对路面沉陷、车辙、波浪拥包、坑槽等病害，通过航拍图像进行初步分析和具体定位。

第三，对隔离栅缺损、标志缺损、标线缺损等公路沿线设施损坏，以及绿化管护不善等问题进行实时监控，以便于及时采取维修措施，消除安全隐患。

第四，实现路基技术状况指数（SCI）、沿线设施技术状况指数（TCI）、路面损坏状况指数（PCI）自动评定，为公路全路况自动化评定打下基础，为后期高速公路路面监测、养护提供大量数据支持，为路面病害处理提供理论依据。

4.3 在高速公路边坡巡查中的应用

高速公路山区段边坡是巡查和养护的重点，也是难点之一。在有大降雨发生时，如果排水设施出现异常，容易引发边坡滑坡、内部破坏变形等问题，因此定期巡查和养护边坡十分必要[6]。然而，传统的边坡巡查方式是人工巡查，工作人员攀爬边坡既耗时费力，又存在安全隐患。此外，由于山区边坡地形复杂、地势险要，仅靠人工无法巡查到边坡的每一处，会存在多处盲点和死角，整体工作效率较低。

无人机小巧灵活、测量精度高，且不受气象和地理条件限制，可以根据高速公路边坡养护巡查的内容和要求制订自动巡查路线，能够减少工作人员数量和工作量[7-8]。无人机能够到达工作人员无法到达的危险位置和巡查死角，并从多个角度采集信息。同时，无人机可以将拍摄的视频和图片等数据信息即时上传至指挥中心，帮助工作人员准确判别边坡状态，并选取病害点或病害嫌疑点作为二次巡查的采集点，进而制订针对性的边坡养护方案。

4.4 在公路桥梁专项病害检测中的应用

随着无人机技术的发展，目前可利用大疆M300型无人机挂载红外热像仪和大疆御2 行业进阶版无人机挂载高分辨率光学相机进行公路桥梁专项病害检测。这些无人机可以在高空任意点悬停，并通过摄像系统对特定位置的检测对象进行摄像，实现图像数据采集。具体来说，机载的红外热像仪主要采集公路桥梁主体构件的热成像，机载摄像机则主要采集公路桥梁底面、节点板等构件的细部图像。

目前，搭载无人机的摄像系统能够实时传输模拟图像数据，通过扫描拾取图像信号、压缩频带、信道处理形成图像信号，这样地面站可以实时了解摄像机、红外热像仪的扫描过程，并为数字图像和热成像摄取提供数据保障[9-10]。结合养护部门提供的相关资料及现有的智能化养护平台，在Matlab 语言（C 语言）环境下，通过去噪、锐化、图像增强等手段提取桥梁检测对象的数字图像特征，可以通过病害算法智能输出桥梁桥面坑槽、车辙、拥包、错台、伸缩装置破损、墩柱破损、支座变形、板底裂缝等病害的检测结果及养护方法。

4.5 在公路隧道专项病害检测中的应用

虽然目前无人机技术无法实现隧道内部病害巡查，但通过样本数据库提供的照片，可以对隧道洞口边坡有无危石、积水、积雪，构造物有无开裂、倾斜、沉陷，以及洞门结构有无开裂、倾斜、沉陷、错台、起层、剥落、渗漏水等病害进行初步判断。

4.6 在路产管理方面的应用

可利用无人机对高速公路红线内的路面、沿线设施、路基等进行不同角度、方位的巡航与拍摄，并结合倾斜摄影技术，形成公路资产三维点云数据，实现数字公路平台搭建[11]。同时，对传统的资产管理系统进行改造升级，利用ArcGIS（地理信息系统）架构及DEM（数字高程模型）数据库，将三维点云数据通过BIM 模型的方式叠加到原有GIS 地图上，将公路自动化评价的检测、养护、应急等多种数据进行叠加，最终形成高精度公路资产管理系统，为基础数据查询、道路桥梁检评、病害分布分析、养护工程规划等提供支持，为高速公路养护提供支撑，达到公路资产设施全要素数字化、公路布局节点全动态感知化、公路资产数据治理标准统一化、公路业务协同治理全寿命智能化。

5 结语

随着无人机技术的不断发展和工程实践的深入，无人机已广泛应用于公路养护的各个层面，如日常巡查、结构物检查、应急保通、工程勘察、资产管理、数据分析等。相较于传统的高速公路养护方式，无人机具有更高的机械化水平、更短的巡查周期、更高的巡查效率和更高的安全性。通过搭载先进的检测设备或摄像头，无人机可以直观、准确地获取高速公路养护所需的数据资料，并具有高精度、高自动化、高可信度等优点，能够提升高速公路养护水平和管理能力，并创造更大的社会和经济效益。