李美洁， 谢征宇，秦勇，杨雪飞

（1.北京交通大学，北京 100044；2.北京铁路公安局，北京 100006）

小型无人机具有机动灵活、远程操作方便、可高空采集高清晰分辨率影像、可勘察人工难以到达区域等优点，在铁路行业的应用越来越多。近2年来日本、美国、欧洲等铁路机构的无人机应用主要集中在基础设施检测监测、事故救援调查和灾害评估，以及道路勘测设计与项目施工进度检查等领域。

1 基础设施检测监测

传统基础设施检测监测工作多基于人工作业，人工巡检会掺杂很多人为因素，导致检测结果不够准确。尤其是由于时间久远产生的铁路设施细微变形，很容易被人工忽略，进而引发严重后果。无人机在这种场景下可以发挥巨大作用，因为其三维摄影技术可机动灵活地进行数据采集，获取数据的速度快、精度高［1］。在快速获取高分辨率影像的同时，无人机可以更加灵活地处理复杂地势的情况，极大地提高了巡检工作的效率和效果，这些都是传统巡检方式无法做到的，因此，各铁路机构开始着力在变形监测领域应用无人机来帮助巡检工作更好地进行［2］。

（1）在日本新干线和其他铁路中，建设年代久远的桥梁倒塌风险隐患逐年增加。2020年初，日本铁路公司（Japan Railway，JR）为了高效地解决这类问题，订制了一款专门用于检测监测老化基础设施的无人机设备——Waver，为基础设施养护保驾护航，以避免由于监察不力而引发恶性安全事故。Waver的底部采用多光束技术，该技术可实现声纳成像功能，用来预测老化的基础设施何时需要进行更换或加固［3］。2020年2月，东日本铁路公司（JR东日本）也开始使用无人机进行铁路基础设施的巡查工作。安装有摄像头和LED灯的无人机沿着铁路轨道上方的飞行路线自动飞行，可将铁路夜间状况和偏远地区的影像资料进行采集并传输至后台［4］（见图1）。除了使用无人机直接进行巡检工作外，日本铁路部门还用其开展一些辅助工作。日本铁道综合研究所为了保障铁路沿线的运营安全，防止依靠山体建设的铁路设施由于自然灾害而被损坏，开发了“利用激光和无人机的落石危险度评价系统”，该系统通过无人机拍摄岩体的形状和裂纹信息来确定岩体是否存在风险，并提前对有问题的区域进行相关处理工作［5］。

图1 Waver无人机夜间拍摄画面及相关作业示意图

（2）美国联合太平洋铁路公司（UPRR公司）拥有现今美国最大的铁路网络之一，横跨美国中部及西部地区。UPRR公司在路网上配备无人机，对桥梁进行检测并对灾害过后的路网状况进行恢复（见图2）。无人机在检测一些基础设施，如铁路隧道、涵洞或钢架桥时，存在GPS信号覆盖不足而导致无法传输数据的问题。为了更好地完善检测工作，检查人员工作时会穿上装有特殊设备的背心，该设备可同时处理30个无人机的实时传输影像视频［6］。美国第二大铁路运营商——伯灵顿北方圣太菲铁路公司（BNSF公司）则使用无人机作为检测基础设施的助手，用于观察钢轨的裂缝、变形以及枕木的情况，帮助工作人员更好地进行检测工作［7］。BNSF公司工作人员对无人机进行测试见图3。

（3）2019年5月，英国伦敦交通局 （Transport for London，TfL）正式获得批准，开始使用无人机进行铁路基础设施的检查工作。TfL已经利用无人机对伦敦地铁的各项基础设施进行了1次排查和修复，包括桥梁、轨道以及车站建筑物等（见图4）。同时，英国Hovering公司也使用无人机对地下隧道进行精密测绘（见图5），用于快速准确地获取地下隧道的变形和异常状况，提前做好防范修复工作［8］。英国沃里克郡的橄榄球火车站也使用无人机对其铁路网络进行检测，装配有传感器的无人机可以快速定位铁路网络中的异常位置，减少人工工作量和作业风险，并且丝毫不影响列车通行与运营［9］。

图2 UPRR公司无人机用于桥梁检测及灾后路网恢复工作

图3 BNSF公司工作人员对无人机进行测试

图4 TfL使用3D Point Cloud对轨距进行测量

（4）俄罗斯铁路公司是俄罗斯国营铁路运输机构，横跨11个时区，承载全国约80%的货运量和约35%的客运量，其运输规模在世界排名第3。为了更加有效地进行铁路基础设施巡检工作，2019年初，俄罗斯铁路公司从我国引进24套“大疆”专业无人机“悟2”与31套相对小型且轻便的无人机“御2”变焦版［10］。无人机的使用极大地提高了铁路工作人员的工作效率，通过观看无人机传输至后台的视频影像能快速判断当前基础设施的运营状况，及时有效地对一些安全隐患进行排查和修复（见图6）。据统计，通过使用无人机，俄罗斯铁路公司的工作效率提高了3倍。

图5 无人机实时采集地下隧道各种参数的图像展示

图6 俄罗斯铁路公司使用“大疆”无人机进行铁道巡检

（5）2019年4月，澳大利亚铁路公司使用无人机进行铁路基础设施巡检工作，该无人机的最大特点是装配双摄像头系统，其中一个摄像头为2 400万像素的高清数码摄像头，另一个摄像头为红外热像仪，使无人机可随不同场景需要切换成像模式，更好地进行检测工作。另外，无人机还配备了可拆卸的7 in显示屏，可独立于基站进行工作。据预估，使用无人机进行巡检工作后，澳大利亚铁路公司的运营故障可减少50%［11］。

（6）2018年1月，印度铁路公司在贾巴尔普尔、博帕尔和科塔地区进行无人机巡检试验，用来检测铁路基础设施的运营状况。此外，印度铁路公司还利用无人机的摄像系统对铁路项目进行评估，节假日期间进行非联锁的评估工作并对人流量大的区域进行人员管理，以及通过低成本技术对各种基础数据进行收集等，帮助工作人员更好地开展工作［12］。

2 事故救援调查和灾害评估

随着铁路技术的不断发展，铁路运营里程也在迅速增加，同时也给铁路事故救援工作增加了困难。发生事故时，及时有效地反馈现场情况对于救援工作来说非常重要，尤其是视频图像信息能够让相关人员直观地了解事故全貌，更是影响救援指挥工作的关键。随着数字通信技术（4G/5G）和无人机技术的快速发展，使搭载有摄像头系统的无人机可及时有效地传输视频影像画面。无人机在事故救援中的应用逐渐崭露头角，并成为指挥工作中的重要助力，也使事故救援调查和灾害评估成为无人机在基础设施检测评估领域之外的又一重要应用领域［13］（见图7）。

（1）2020年4月，美国得克萨斯州铁路委员会（Texas RRC）宣布成立全州无人机检查小组。在事故灾害发生时，有很多区域人力无法到达，使用无人机进行空中拍摄检查可帮助救援人员及时有效地获取现场灾害状况，更加准确地下达救援决策，减少不必要的损失［14］。

（2）2019年，美国BNSF公司铁路货运网络的主要区域发生了洪水灾害，中断了铁路运输工作。为了尽快恢复运输网络，BNSF公司使用无人机进行空中巡航检查，帮助工作人员获取大量现场数据信息，更好地制定了救援恢复计划（见图8）。此外，BNSF公司还使用无人机对极端天气情况下的数据进行采集，协助铁路设施的日常养护工作［15］。

图7 无人机用于事故调查和评估

图8 BNSF公司无人机团队协助铁路网洪水区域制定恢复计划

（3）为了更好地观测铁路和基础设施状况，并在抢险救灾活动中发挥更大作用，俄罗斯国防部决定从2020年起为铁道兵各旅编配无人机分队，包括轻型无人机“超光束粒子”和通用型无人机“海雕-10”。这2种无人机可以实时传输图像信息，在铁路干线或公路交通难以迅速到达的西伯利亚、远东地区出现紧急事故时，它们可以发挥非常重要的作用。除了提升部队对抗灾害和救援的能力外，无人机还可帮助其判断周围形势，预估潜在风险，比传统应对自然灾害的方式更便捷、更迅速，且节约成本［16］。

（4）日本常年发生地震，2016年熊本县接连发生地震，造成道路、桥梁和铁路损坏，救援工作困难重重，于是日本地理空间信息局首次出动无人机辅助此次救援活动。无人机机动灵活，不仅可以到达很多人力无法到达的区域，还可深入到震中区域上空进行画面拍摄，并将影像信息实时传输给后台工作人员，对采集到的地理信息进行3D绘制从而得到相关地形图，使救援工作更加顺利地开展。另外，灾后由于地质坍塌，救援物资很难抵达事故现场，而无人机小巧精准，能够很好地协助完成此类任务［17］。

3 勘测设计和项目施工进度检查

测绘是铁路建设的关键技术之一，它贯穿整个铁路建设过程，是工程顺利完工的必要保证［18］。在勘测设计中，初测阶段进行的地形图测绘和定测阶段进行的断面测量工作量均较大，传统方式往往采用全野外测量，工作持续时间长，若地势地形复杂，人力难以进行。无人机的使用可在很大程度上解决传统测绘中的难题，首先无人机可快速精确地获取地面高程数据和高清影像数据，极大地提高了作业效率和精确度；其次无人机的机动灵活特性使复杂地形的测绘工作变得更加简单，节省了大量人力、物力。同时，由于无人机可实时向后台传输数据，检查项目施工进度也更加高效。

（1）2020年1月，美国联邦铁路管理局（FRA）发布1份关于使用无人机进行地理测绘的研究报告。该报告详细阐述了美国运输部国家运输系统中心“平面交叉口剖面数据准确的3D模型”的相关研究，测绘时使用具有地面控制点的摄影测量法，在保证低成本的同时，可得到与使用LiDAR模型时一样的测绘精度［19］。DJIMavic2Pro无人机在马萨诸塞州格洛斯特的驼峰路口进行测绘见图9。

（2）西班牙拥有世界第二大高速铁路网，要保证其铁路勘测设计工作高质高效完成，需要耗费很多人力、物力。2019年，西班牙东南部的阿利坎特—穆尔西亚高速铁路为了节约成本，并更好地了解现场情况，使用Sigma Rail公司的无人机辅助完成铁路勘测设计工作。通过无人机提供的铁路线路数字模型信息，工作人员可实时掌握项目的施工进度并进行检查反馈，一旦线路投入运行，该模型还可获取轨道内任何元素的准确位置［20］。

（3）土耳其国家铁路局需要对一段长140 km，宽600 m，总面积110 km2的铁路廊道进行测绘，测绘要求的精度为15 cm。出于试验的考虑，选用2家采用不同测绘方式的公司完成此项工作。采用传统测绘方式的公司花费近1年时间才完成该项目，而采用无人机进行测绘工作的公司仅用了3个月。无人机测绘具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区进行高分辨率影像快速获取方面具有明显优势［21］。

图9 DJIMavic2Pro无人机在驼峰路口进行测绘

4 借鉴与展望

无人机作为一种新型航空器，许多国家都在不断拓展其应用领域。铁路领域的应用更加看重工作效率和准确度，这要求无人机逐渐向持久力和智能化的方向发展。一方面，续航时间越长，单次飞行任务采集到的信息就会越多，获取到关键信息的机会就会越大，节约更多时间和成本；另一方面，无人机的智能化发展是大趋势，随着技术的进步和各种算法能力的提升，相信其在铁路领域的应用会越来越广泛，不仅在基础设施巡查监测领域、事故救援和灾害评估领域以及铁路勘测设计和施工进度检查领域发挥更加重要的作用，还需探索出更多的应用可能性，也是未来无人机铁路领域应用的主流方向［22］。

在我国，川藏铁路建设由于其特殊的地势条件而备受关注。川藏铁路位于青藏高原东南部，高海拔（5 000 m以上）、大落差（2 000～3 000 m）、群山耸立、气候寒冷，自然条件非常恶劣，给人工勘察作业带来极大难度与挑战，使传统测绘工作变得异常艰难。具体来说，线路穿越的区域地质复杂，有很多超长超深埋的隧道，不易进行铁路勘测设计和施工；地质板块活动频繁，且所处山地落差巨大，极易引发山体滑坡、高空落石等自然灾害，使项目勘测设计活动和铁路施工过程存在很大安全隐患；铁路运营过程中，在基础设施维护和周围环境的安全巡护等方面，也存在巨大压力和挑战。无人机机动灵活，能深入人力无法到达的特殊区域进行勘察测绘工作，可以很好地帮助川藏铁路建设工作顺利进行。同时，无人机具有工作效率高、勘测速度快、勘测精度高等优势，通过与不同技术手段相结合，可以勘测复杂地质地貌环境下的地理信息，协助更好地完成前期铁路建设的选址工作和后期线路设施的运维养护工作。对川藏铁路建设而言，无人机的加入必将起到强大的助力作用，可使因地质问题引发的铁路建设难题迎刃而解，提高作业效率，增加作业精度，为今后更多更复杂的山区铁路建设提供思路和解决办法。