小型无人机在公路巡查中的应用前景展望

常德强 黄海峰

（徐州市贾汪区公路管理站，江苏 徐州221000）

0 引言

目前，公路巡查是公路管理的一项主要业务，分为路政巡查与养护巡查，分别由路政和养护两个部门安排汽车上路。 这样基于一类的事情，需要上路两次，发现问题后，回到单位录入计算机系统进行处理，不仅浪费人力物力，而且极大地降低了效率。

交通线路分布点多面广，所处地形复杂，传统的人工巡查方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对农村地区和大范围路网的交通线路的巡查，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间公路巡查，所花时间长、人力成本高、距离远、困难大。

以徐州市贾汪区公路管理站目前人员构成及所辖公路情况进行分析。 我单位有工作人员80 人，负责管养的全区干线公路里程71.47公里，其中国道62.365 公里、省道9.105 公里；农村公路876.77 公里，其中县道163.483 公里、乡道320.896 公里，村道392.391 公里。 全区道路里程总计948.24 公里。公路密度达到1.375 公里/平方公里。全区公路桥梁共有270 座，国省道干线公路桥梁19 座，县道桥梁66 座，乡村道桥梁185 座。近年来管养人员严重不足，加之辖区农村线路较多，日常检修、设备维护、工程建设等其它工作影响，道路巡查频率和及时性始终无法得到保证。 因此我单位不断进行调研与探索，尝试一种全新的方式途径来解决这一棘手问题。

无人机（unmanned aerial vehicle, UAV），是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。利用无人飞机进行公路巡查研究需要跨多个高技术专业，研究深度和水平要求较高，是一项刚刚起步的新技术，目前已在电力巡线、治安监控等方面进行应用。与常规人工巡查方法相比较，此项技术更为先进有效，可以成为保障线路安全运行的一种新的经济可行的手段。

1 现代无人飞机性能简介

现代无人飞机是一个复杂的集航空、电子、电力、侦察、地理信息、图像识别等一体化系统，涉及航空、飞行自动控制、通信、数据链、红外识别、地理信息、卫星导航等多个高尖技术领域。现代无人飞机由于具备高空、远距离、快速作业的能力，在测绘、航拍、运动、军事、侦察、抗灾等方面得到应用，并且由于无人机控制技术的发展，可以进行遥测数据链控制、地理匹配控制、GPS 卫星定位控制，控制操作过程简单可靠、运行稳定，经济性能高（一般无人飞机工作成本是有人飞机1/10左右），不受气候的影响，续航能力长，速度快（是人力的10 倍以上），现在已经出现现代无人飞机代替有人飞机进行各种工作的情况。

2 无人飞机公路巡查的关键技术

用无人飞机进行全天候的公路巡查，应该具备以下关键技术， 才能使无人飞机巡线进入实用化：

（1）飞行控制技术：由地面控制系统通过数据链进行操控实时传递图片或视频， 方便巡查人员使用； 并且具备GPS 自主线路导航控制、地理匹配自动控制、线路自动跟踪等飞行控制功能，使无人飞机巡线进入全自动化飞行方向发展，使一条干线线路巡线全部工作小于半天时间。

（2）机体稳定飞行技术：无人机飞行稳定，不抖动，或者具备携带稳定能力的摄像平台，可以安装可见、红外热像摄像设备，具备摄像设备自动控制摄像功能，便于进行拍摄地面线路高分辨率航空影像。

（3）线路自动跟踪识别技术、摄像快速对焦成像技术：一系列先进测绘控制技术摄像快速曝光，生成高清晰的地面标线、线路、树木、桥梁、病害状况等可见、红外影像，最好应兼容于当前江苏省公路系统采用的“江苏公路协同工作平台”，实现与“江公路协同工作平台”的无缝对接。

3 无人飞机公路巡查的应用情况

随着GPS 定位技术的发展，自主导航设备日益微型化和底廉化，以及无人机制造技术的成熟，在民用领域的应用已开逐步推广，与此同时，数字摄像技术的发展使航测告别了胶片时代，数码摄影设备的体积和重量大大缩小，目前，5000 万像素级别的专业数码相机的主机重量已低于1Kg，而普通民用小型无人机的重量也已在50Kg 以下。两者的结合，改变了以往航拍时需要由空军或专业航拍部门驾驶的有人飞机来进行，而使用单位无法实时利用的不足。 下面以零度智控公司研制的“雨燕”无人机航测系统为例来介绍一下其工作过程。

图1 “雨燕”无人机航测系统

“雨燕”无人机重5 千克，翼展1.6 米。 有效载荷900 克，巡航速度50-70 千米/小时，升限达到海拔1500 米，续航时间45 分钟。采用电池动力，维护保养方便；机体采用模块化结构，便于运输。

系统采用了先进的GPS 导航全自动规划，飞机航迹、高度和姿态高精度自动控制等第一系列先进技术，让无人机具备了良好的飞行性能，采用弹射起飞，不需要专门跑道，定点伞降回收。和有人飞机、直升机相比，阴、雨、雾等天气对“雨燕”的限制要小得多。

“雨燕”无人机航摄系统可以采用多种任务载荷。 比如民用的专业数码相机，经过一些必要的检测后（用于后期照片处理时纠正图象变形），加固安装到具备稳定能力的平台上。再配合无人机良好的自控飞行能力，自动曝光摄影等一系列先进技术就能让“雨燕”可靠地高质量地自动获取高清晰测量级别的数码航片。 再经后期处理，就能得到高精度，高比例的地形图。 2010 青海玉树地震期间，“雨燕”无人机航摄系统就深入灾区，及时准确的提供灾区1:500 的地形图和大量正射影像的高清晰度数码航片。

若采用“雨燕”无人机进行公路巡查，可由2 人进行，一人专职操纵飞机，一人监视地面屏幕。发现可疑区段可悬停或者来回飞行细查；实时监视和录像可同时进行，还可进行高清晰度的摄像，飞机飞回后进行图片分析。 如果采用GPS 自主线路导航控制、 地理匹配自动控制、线路自动跟踪等飞行控制功能，使无人飞机巡查进入可根据线路的走向、海拔高度、转角等全自动化进行线路跟踪飞行控制。无人飞机飞行稳定，具备携带稳定能力的摄像平台，同时安装可见、红外热像摄像设备，具备摄像设备自动控制摄像功能，可以进行拍摄地面线路的高分辨率航空影像。可以有效的监控路面打谷晒粮，沿线秸秆焚烧，路面病害，车辆拥堵等情况。

4 无人飞机公路巡查的优势

利用无人机巡查，无人机作为先进的生产工具和作业手段，与传统巡查方式相比较具有多方面优势：

首先，设备投入省，类似“雨燕”无人机航摄系统自身体积小，所用的技术均为比较成熟的技术，在各领域都已大规模应用，如GPS 导航技术、数码影像技术、无线电遥控等技术等。

第二，测量精度高，目前，专业民用数码相机已达到5000 千万像素的水平，分辨率已达到0.1 米，搭载在无人机上所拍摄的高清晰度数码航片经数字化处理后，可以有立体测图方法，直接推算出数字地形模型（Digital Terrain Model, DTM）。 并绘制出精确的大比例尺的地形图。

图2 无人机拍摄的道路画面

第三，与常规人工巡查相比，不受地形限制、巡查效率大大提高、可将拍摄的数据带回分析，使得巡视不留死角，降低人工劳动强度、减少作业风险。

第四，与载人飞机和飞艇遥感相比，运营成本低，免去了调机、停机的费用和时间，而且不需要进行飞行员培训、飞行申请，可快速的、随时随地进行巡视。

第五，不受气象、地理条件的影响。一般无人机巡查，无人驾驶，适应更激烈的机动和更加恶劣的飞行环境，更适于执行特殊时期危险性高的任务；不会造成人员伤亡风险；生存能力强，机动性能好，使用方便、效率高；不受其环境地质变化多样的地震、塌方、泥石流、水侵、火灾、树林生长、风刮物等影响。

第六，可实现快速巡查，短时间内快速获取影像资料，实时回传，实时决策，效率是传统人工巡查的数十倍；且比有人机、飞艇、卫星快，费用低。

第七，小巧灵活。小型无人机单人携带，大型无人机只要一辆面包车就可以运输，且不需要特别的起飞场地。配套设施简单，外业只需一台越野车、一台笔记本电脑及一台遥控装置。内业处理完全数字化，无需专用设备。

第八，使用和维护费用低、效率高，方便投运、容易掌握；一次投入后，每次巡查费用极少；由于无人飞机设备归公路管理部门所有后，何时巡查可由自己决定；而租用有人直升机、气艇，不但价格高，还处处受制于人和天气，准备时间长，不利于使用。

5 结语

传统的人工巡查方法不仅工作量大而且效率底下，特别是在雨雪冰冻，泥石流，滑坡等恶劣地质情况下存在在很大困难，有一些巡查项目靠常规方法根本就难以完成。 利用无人飞机巡查，可以减轻工人的劳动强度，降低公路巡查的运行维护成本。

无人驾驶飞机机身轻巧，并装载有先进的航测系统，和有人飞机、直升机相比，受阴、雨、雾等天气的限制要小得多。 这些优越的性能使无人飞机成为公路巡查更为有效的工具。

无人飞机巡线还可以提高巡查作业的质量和科学管理技术水平，可以增强公路管理自动化综合能力， 创造更高的经济效益和社会效益。 随着公路通行可靠性指标的要求越来越高，以及无人飞机巡查各种实践内容的不断丰富，无人飞机巡查的优越性将越来越突出。 无人飞机巡查必将成为一种快速、高效、大有发展前途的巡查方式。