基于3D GIS和北斗高精定位的无人机铁路智能巡检技术研究与应用

摘要：随着铁路运输在国民经济中的重要性日益凸显，铁路系统的安全运营和高效维护成为了关键问题。传统的铁路巡检方法存在效率低下和成本高昂的缺陷，迫切需要技术创新来提升监测能力和降低维护成本。该文提出了一种基于3D GIS和北斗高精定位的无人机铁路智能巡检技术，该技术借助无人机的灵活性和其搭载的高精度传感器，结合3D GIS的三维可视化和北斗系统的精确定位，可实现对铁路线路的高效、精确巡检。

关键词：无人机；智能巡检；3DGIS；北斗定位

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.056

中图分类号：TN 96；TP 391.9；V 279+.2 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）07-0-03

Research and Application of Unmanned Aerial Vehicle Intelligent Railway Inspection Technology Based on 3D GIS and Beidou High-precision Positioning

ZHAO Qiang

（Beijing Quanlu Communication and Signal Research and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract： With the increasing importance of railway transportation in the national economy， the safe operation and efficient maintenance of railway 54a63d4551d9e0f56595f8a163dc6427systems have become key issues. The traditional railway inspection methods have shortcomings of low efficiency and high cost， and there is an urgent need for technological innovation to improve monitoring capabilities and reduce maintenance costs. This article proposes an unmanned aerial vehicle （UAV） intelligent railway inspection technology based on 3D GIS and high-precision positioning of BeiDou. This technology utilizes the flexibility of UAVs and their high-precision sensors， combined with the 3D visualization of 3D GIS and the precise positioning of BeiDou system， to achieve efficient and accurate inspection of railway lines.

Keywords： drones; intelligent inspection; 3DGIS; Beidou positioning

1 无人机铁路智能巡检技术的研究意义

铁路系统作为国家重要基础设施，保障其运营安全和提高运营效率对促进国民经济发展具有重要意义。然而，当前铁路系统在安全风险监测和维护方面存在一定的技术瓶颈[1-3]，需要通过技术创新，提升铁路系统的监测能力，降低维护成本，增强铁路线网的稳定性和可靠性。智能无人机巡检不仅可充分发挥无人机的灵活性和可达性，提供从空中角度的铁路监测，同时通过搭载高精度北斗导航系统，可实现对铁路沿线精确的位置定位与实时监控，对于确保铁路运输的稳定性和连续性具有极其重要的意义。

2 3D GIS技术和北斗高精定位技术应用

于无人机铁路智能巡检的基本原理

2.1 3D GIS技术

三维地理信息系统（3D GIS）是一种集成了传统二维GIS与三维建模技术的先进信息系统[4-5]。这种技术通过创建一个接近现实的三维虚拟环境，可以用于模拟、分析和可视化地理空间数据。在铁路智能巡检中，3D GIS能够提供铁路线路及其周边环境的精确三维模型，为无人机的飞行路径规划、障碍物规避和巡检区域的三维可视化提供强有力的支持[6]。

2.2 北斗高精导航技术

北斗卫星导航系统（BDS）是中国自主研发的全球卫星导航系统，可提供全球范围内的定位、导航、授时服务[7-8]。北斗系统的高精度定位功能对于无人机航飞巡检至关重要，它能够确保无人机在执行巡检任务时的精确制导，以及对巡检数据的精确地理标记。

2.3 应用原理

在无人机航飞巡检中，3D GIS技术和北斗高精导航技术的结合为无人机提供了一个精确、安全的飞行环境。首先，3D GIS技术根据无人机的飞行性能和巡检需求，结合铁路线路及其周边环境的三维模型，为无人机生成一条最优的飞行路径。其次，北斗高精导航技术为无人机提供了实时的高精度定位信息，使无人机能够严格按照预定路径飞行，即使在GPS信号微弱或受阻的环境中也能保持精确导航。此外，北斗系统的时间戳功能能够为无人机拍摄的影像和收集的数据提供精确的时间标记，这对于后续的数据同步和分析至关重要。

3 智能无人机巡检的实现方案

3.1 前期硬件准备

在进行航飞巡检作业前，需要完成固定机场的设备部署及固定机场相关的设备布置。其操作主要包含以下6个步骤：

（1）设备部署。使用前确认固定机场内电池槽内至少有一组电池、至多3组，安装固定机场配套的无人机鞋套，并加装机载端控制盒。

（2）安装无人机遥控器。若需要更换无人机遥控器，需要将无人机遥控器固定在桅杆背部靠上位置。固定步骤如下：

①拆下遥控器放置板。

图1 桅杆上部实物图

如图1所示，桅杆内的上部位置设有一个遥控器放置板，遥控器放置板两端设有4个M4固定螺丝。

②将遥控器固定至遥控器放置板上。

将遥控器如图2所示卡入遥控器放置板上，初步固定遥控器。

图2 遥控器预安装实物图

③将遥控器拖板安装至桅杆内将装有遥控器的遥控器放置板，通过两端的4个M4螺丝固定至桅杆上，并将上图中的遥控器充电口与数据口，分别插至遥控器的充电接口与数据口上。

最后，将遥控器固定块贴紧遥控器，并紧固遥控器固定块下方的固定螺丝。至此，遥控器安装完毕，如图3所示。

图3 遥控器固定实物图

（3）设备上电。固定机场内置有不间断电源，并配有蓄电池，可保证外部供电异常时，固定机场的正常运行。

（4）打开固定机场。使用固定机场上的HMI控制面板打开机场。

（5）无人机放置。机场本体处于已打开状态下，将无人机放置于机场起降平台上。完成后，复位机场。

（6）机场复位并切换为远程控制模式。按下固定机场上方的急停按钮，观察到机场三色状态灯变为红色，机场停止所有机械运动，进入急停状态，点击开关开启远程控制模式。

3.2 远程执行巡检任务。

完成相关硬件部署及配置后，便可利用智能巡检管控平台远程下发任务，指派固定机场执行巡检任务。其主要包含以下5个步骤：

（1）登录智能巡检管控平台。执行无人机巡检任务的首要步骤是操作人员通过安全的网络连接登录到智能巡检管控平台。该平台是整个巡检任务的指挥中心，负责任务的下发、监控和数据管理。

（2）创建巡检数据。创建巡检数据这一步骤涉及输入和确认无人机巡检任务所需的所有参数，包括巡检区域的地理信息、预期的飞行高度、速度、相机参数设置以及其他巡检相关的细节。

（3）创建、下发巡检计划。操作人员需在平台上定义巡检任务的时间、路径和参数，然后生成巡检计划。该计划包括飞行航线的规划、预计的飞行时间和关键的检查点。计划制定完成后，通过平台下发至固定机场的无人机系统，无人机接收到任务指令后，将准备执行巡检任务。

（4）巡检计划执行及状况监控。操作人员可以通过平台的界面实时接收无人机传回的影像数据和传感器信息，同时监控无人机的飞行路径、速度、高度和电池状态等关键参数。

（5）巡检结果查看、下载。智能巡检管控平台将同步无人机在巡检过程中收集的所有数据，包括高清影像、传感器检测结果和飞行日志等。操作人员可以在平台上查看巡检结果，进行初步分析，并根据需要下载相关数据。

4 智能无人机巡检的关键技术

（1）北斗高精定位集成：集成北斗高精度定位系统于无人机，为机载检测设备提供精准的地理位置数据，支撑精确的飞行导航和作业定位，特别是在复杂的铁路环境中。

（2）多元传感器同步：利用北斗定位精准同步雷达、红外传感器与电磁感应等设备，提高传感数据的准确性与实用性，确保数据采集的高质量执行。

（3）智能调度算法：采用基于北斗数据的智能调度算法，实现机群的高效作业规划与任务分配，增强复杂场景下的应急响应能力。

（4）云端实时数据交流与位置同步：利用北斗系统实现无人机机群之间及与地面控制中心的云端实时数据交流和位置同步服务，保证任务执行过程中的协同与同步精准。

5 智能无人机巡检技术的应用价值和可

推广性

5.1 应用价值

智能无人机铁路航飞巡检技术可以显著提升铁路线路监测的效率和质量，同时降低人力成本和安全风险。无人机的高机动性和搭载的高精度传感器，使其能够快速覆盖广阔区域，对铁路线路进行细致的检查，及时发现并诊断潜在的结构问题和安全隐患。通过智能分析系统，无人机收集的大量数据可以转化为科学的决策支持，优化铁路线路的维护计划和提升服务水平。

5.2 可推广性

智能无人机铁路航飞巡检技术不仅适用于铁路行业，还可以扩展至其他交通基础设施的监测领域，如城市轨道交通、高速公路、桥梁和隧道等。无人机的环境适应性强，能够在各种地形和气候条件下执行任务，使其在全球范围内具有广泛的应用前景。此外，无人机技术可以根据不同的应用场景定制开发，满足城市规划、农业监测、环境保护等多样化需求。

6 结束语

本文对基于3D GIS和北斗高精定位的无人机铁路智能巡检技术进行了深入研究，展示了其在铁路系统监测和维护中的应用潜力。通过无人机航飞巡检技术，不仅提高了铁路线路的巡检效率和安全性，而且降低了人力成本和安全风险，为提升铁路系统的智能化和自动化水平提供了强有力的技术支持。未来，相关研究应致力于技术的迭代与设备升级，包括跨领域技术融合，如将人工智能与机器学习技术应用于北斗高精定位系统，以提升无人机机载检测设备的智能识别与处理能力。

参考文献

[1] 牛道安，刘金朝，杨飞，等．高速铁路基础设施检测监测大数据分析技术研究与实践[J]．中国铁路，2024（2）：1-11．

[2] 蔡军．重载铁路公专网车-地通信监测技术研究[J]．铁路通信信号工程技术，2024，21（2）：48-53．

[3] Witlox F， Zwanikken T， Jehee L， et al. Changing tracks： identifying and tackling bottlenecks in European rail passenger transport[J]. European Transport Research Review，2022， 14（1）： 7.

[4] 倪苇，许兴旺，张坤．基于开源3DGIS引擎的铁路工程BIM建造数字化平台应用研究[J]．铁路技术创新，2023（4）：79-83．

[5]李序安．工程测量中的三维GIS技术分析[J]．信息系统工程，2023（7）：39-42．

[6] Zlatanova S， Rahman A A， Pilouk M. Trends in 3D GIS development[J]. Journal of Geospatial Engineering， 2002， 4（2）： 71-80.

[7] Yang Y， Gao W， Guo S， et al. Introduction to BeiDou‐3 navigation satellite system[J]. Navigation， 2019， 66（1）： 7-18.

[8] Han C， Yang Y， Cai Z. BeiDou navigation satellite system and its time scales[J]. Metrologia， 2011， 48（4）： S213.