探讨无人机在房建设备巡检中的应用局限性及其应对策略

中图分类号：TU17

引言

我国在进入 21 世纪后，迎来了属于自己的铁路技术革命，并在十几年的时间里使我们有世界第一的高铁运营里程，世界第一的高铁实验时速，世界第一的单线运营里程的高速铁路线。但是任何一项从出现到实用，都不是靠着单一技术飞跃完成的，背后的调度、新型材料、人员素质等环节均在支撑着这一飞跃，发挥着不容忽视的作用。但铁路运输设备的巡视检查绝大多数目前仍处于劳动密集的运作模式中，同时设备质量引发的铁路事故也是极有可能造成无法挽回的后果的。如今，铁路设备事故依然时有发生，这不禁让铁路设备管理者重新审视目前铁路运输设备管理中存在的问题，重新从目前铁路运输设备管控模式中抽丝剥茧，发现隐藏在各类事故背后深层原因。

1 目前铁路设备巡检现状

1.1 铁路房建设备管理风险

在铁路列车行驶路径中的轨旁房建设备，存在着一定的潜在危险，其中包含轻质设备风揭、涂装层脱落、固定设备侵限以设备本身质量问题等 影响了列车正常安全行驶；同时在站房等旅客密集区域依然存在设备坠落、塌陷、供水设施爆裂、 等 响旅客人身安全的不安因素。这就要求我国铁路设备维保人员在工作中，必须提高行车设备及站房设备质量管理的警觉性，完善设备管理手段，全线管控铁路线路及周边附属设施、构架安全状态，严格执行铁路线路施工、维修作业管理及施工验收相关要求，有效地将铁路房建设备的危险性降低到最小值。

1.2 铁路房建设备管理条件

目前，我国铁路房建设备管理被限制在了非常低效的劳动密集型粗狂式管理模式下，其原因主要由以下几点决定：

首先，铁路房建设备体量庞大，动辄上万建筑面积，远程监控系统很难发现微小的设备变化。已新建成的郑州航空港站为例，我国的铁路交通远程监控系统建设的还不够完善，及时发现设备出现疑似形变，仍然需要人员进行现场确认，导致不少部位，如设备夹层内、屋面上、管廊内仍然使用落后的人员排查，同时即便有了远程监控系统，也难以发现设备微小的病害，同时无法立即进行病害排除，仅仅能作为预警方式，虽可避免不少严重铁路设备恶性事故，但避免不了由于配合隐患排查造成的社会影响。

其次，铁路工作人员不足，尤其是设备巡检工作强度较大，人员素质要求高，长时间工作细致程度会受到影响。不少环节仍然存在铁路工作人员不足的情况， 进而导致人员会出现单独巡检或作业的情况，虽然目前铁路部门明文禁止了此类情况，但实际工作中很难兑现。此类单独作业造成的负面影响先不论工作能不能顺利开展，其作业人员本身的人身安全就有可能是风险项。从而出现了因考虑人身安全而牺牲设备安全的情况。

最后，高速发展的铁路系统，让适应传统工作模式的老员工感到力不从心，新员工又经验不足。新旧管理模式的交替与新老员工的交接之间出现了严重的冲突，一股能够承载中国速度的铁路设备管理基础力量，是目前最为缺失的。一些铁路房建部门，基层岗位职工平均年龄偏大，劳动强度过大和高危的岗位已难以高效应对，而目前此类岗位有很多还处在仅能由人工进行完成的阶段，如风雨棚顶巡检、屋面检查、设备夹层巡检等，目前自动化设备仅仅为辅助，同时新技术的应用与配套知识体系的革新均导致工作方式在原有的基础上不断创新。

至于其他如极端自然状况，违法犯罪份子蓄意破坏，铁路设备建设期间存在人为导致的质量问题等不属于设备管理范畴的因素，也能导致铁路运输出现重大安全事故，但此类情况，远远超出了铁路部门所能够预计与控制的范围，因此不在本文重点讨论之列。

2 无人机在户外大型房建设备巡检中的应用与局限性

2.1 设备巡检无人机类型选择

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。按飞行平台构型分类，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。

人工巡检的常规方式，可以总结为：按照行进路线对设备进行观察，发现疑似病害部位，停止行进，进行详细查看并采集影像资料，提报有能力进 病害研判的部门， 继续行 这就要求我们选择的无人机必须速度不能太快，至少是在必要情况下可以慢速行进，并且具备悬停功能以便采集详细资料。同时满足这两个基本条件的只有旋翼无人机、无人飞艇、扑翼无人机三家，其中技术最为成熟的为旋翼无人机。

2.2 无人在设备巡检中的应用

既然是巡检中的应用，当然是代替人工前往人员不易靠近或高危的区域发现病害，而这一功能是依靠机载设备实现的。

2.2.1 常规摄像装置

这类设备完全就模仿了人工巡检，仅对镜头内的实体状态进行记录，既肉眼观察到的状况进行采集。同时能够从人员难以涉足的角度去观察特定部位的情况。其采集效果和摄像镜头分辨率与是否安装防抖云台有关，从安全管理方面降低了人身安全风险的同时，增加了病害在研判的角度。

2.2.2 红外检测仪

红外线的探测器焦距在 穷 外成像检 设备检测 , 且观测面积大 ; 探测器只响 进行工作 , 而且在黑夜中也可以正 损伤的发展性缺陷的检测和监测 ; 摄像速 与超声、渗透、磁粉检测相比 , 红外检测是 大面积检测 , 同时又具有安全、 X 射线、涡流检测及声发射等技 探测温度变化的精确度很高; 红外热像仪测量温度的范围在-50—2000

通过以上对红外检测技术优点的描述，不难发现这似乎可以为站房屋面及雨棚此类大型户外设备的病害发现提供相当大的助力。

2.2.3 倾斜摄影机

倾斜摄影也就是我们所说的3D 成像技术，采集的内容为设备的数据，可以通过一些3D 处理软件生成模型，继而与 BIM 技术相结合，是数字房建未来发展可期的一项技术。但是目前其一般精度误差在 5-10cm，在处理后只能发现形变较大的病害，且后期操作复杂，使用难度大。

2.3 无人机在铁路设备巡检中的局限性

根据国家规定，铁路沿线 500 米范围内为禁飞区，这是因为铁路行进路线中存在大量的重要设备，如接触网、信号灯等，同时高速行驶的列车一旦与飞行器相撞，后果不堪设想。这也就要求驾驶员在使用无人机期间在取得公安部门许可的同时，一定要提高思想认识。

2.3.1 GPS 定位与导航辅助

在户外进行无人机飞行时，如没有GPS 的辅助，一阵风就需要熟练的驾驶员一套合理的操作才能稳定机身，更不用说还要进行巡检。于是干脆将 GPS 信号不良、空气循环系统常开、没有合理起降地点的室内作为无人机巡检的禁区吧。

同时，在没有一个开阔的区域，视线收到遮挡的部位，无人机只能借助导航系统制订的飞行路线进行数据采集。例如郑州航空港站，如果想要驾驶员在视距内进行操作的话，在不考虑视觉误差的影响下，无人机距离雨棚最高弧顶的距离将达到 45 米，这样的距离去检查设备病害并不科学，况且，还有飞行器撞上重要设备的风险。

另外一种极端情况就是，具备 GPS 系统的正规作业无人机可能会受到电子围栏的影响而无法启动或启动后自动回航。比较突出的站区就是郑州航空港站，该站区位于民航机场“糖果”形禁飞区域内。

2.3.2 无人机驾驶员个人素质

对于巡检来说不能一味的往前走，完成路线任务，在发现病害时需要及时停下来进行深入观察。这样全部的压力将作用于驾驶员身上，他必须具备在巡检过程中发现病害的技术能力，并能通过地面站切换操作模式，手动操作无人机对病害部位进行检查，然后切换成 GPS 导航，继续开展自动巡检。跟据飞行员手册，在自动巡航期间，驾驶员应全神贯注关注飞行器各项指标机通讯链路状态，所以发现房建设备病害是在规则上不被允许的。

另一方面，一般小型的雨棚巡检线路比较简单，病害定位也比较容易。像是郑州航空港站雨棚那种巡检线路，极有可能发现了病害却因为没有参照物导致不知道病害位置，最后不得不中断飞行任务寻找参照点。

2.3.3 无人机续航能力

目前常见的电动无人机电池续航时间通常在 20-30 分钟，一般情况下搭载设备后续航能力为 20 分钟左右，冬天则时间更短。

依然以郑州航空港站雨棚为例，根据巡检线路单侧风雨棚的巡检路径已达到 2060 米，按照人的行进速度，至少需要 25 分钟，这还是不考虑环境因素和无人机飞行范围增大的影响。同时，无人机在电量报警的情况下就会返航，所以难免会出现中断巡航的情况。

2.3.4 自然环境因素

无人机在一些天气状况下不建议执行飞行任务，比如下雨、大风等天气。下雨有可能导致电气设备进水，从而损坏设备，地面上损坏影响也就是无人机无法使用，但在空中损坏就是不可估计的危险因素。4 级以上大风，无人机的 GPS 定位已经无法稳定机身，也就是说在这种天气情况下，无人机可能随风飘离航线，在铁路区域，这是非常危险的。

在铁路设备的防洪工作及防风揭工作中，恰恰是要在这种天气下进行设备巡检，称为恶劣天气出巡。正需要无人机对高危区域进行观测的时候，偏偏又用不上它们。

3 应对策略

之前已经分析出影响无人机在铁路设备巡检中应用的因素集中于人员素质、驾驶模式、续航能力、自然环境这几个方面。下面我们从动力系统、人员能力、恶劣天气应对几个角度来研讨一下具体应对方法。

3.1 从动力系统着手的应对方法

无人机续航能力因动力系统不同有着较大的差别。常规情况下利用电力这一清洁能源作为近程飞行任务的首选本是无可厚非的。但仅从郑州航空港站的例子中就能够发现，这种系统续航能力的短板，更不要说部分铁路房建设施位于沿线，电池的充电本身就要大大降低巡检效率。但如果不充电，按照一天 8 小时工作，一半时间在飞行巡检，则需要12 块电池。

细心的读者明显就能发现，不是还有燃油动力无人机吗？油动无人机的确有载重和续航都比电动无人机大，技术含量更高的优点。但缺点也是很明显的，结构复杂，维护保养难度大，操作起来对飞行员要求高；购买价格昂贵；发动机震动大，寿命不长等，所以一般有较高或者特殊的需求才会使用油动无人机。

由此可见，目前情况下，进行电池技术、电机系统的革新对于铁路房建设备巡检才是均衡处理各种要求更为合理的解决方式。在这里有一个想法，就是利用太阳能作为电力系统能量来源，及时无法完全代替充电器充能效率，也可以大大提高续航能力。

3.2 从人员能力着手的改善方法

前文中已经说明目前铁路大型户外房建设备巡检需要借助甚至大量依赖无人机的自主驾驶模式。这就需要对相关飞行人员进行超视距无人机飞行培训，其学习重点比起手动操作无人机更加侧重于通信链路与任务规划，实际操作中包括地面站训练。

同时具备第一时间发现设备病害的能力，并能够准确对病害部位进行定位。这对飞行员要求比较高，较为合理的方式是飞行期间两人为一组，“飞行员不做与飞行无关的事”，另一个人专注设备巡检情况。即便如此，巡检人员也要时刻关注飞行状况，以便在诸多重复设备之中确认病害部位。

因此，无人机驾驶员不仅需要飞行技术，也需要房建技术，而且不能单独作业，这在实际工作中又对工作组织与人员培养提出了较高的要求。

3.3 从恶劣天气应对技术着手的应对方法

对于无人机作业来说，恶劣天气无非是降水与大风。那有没有技术手段可以使无人机防水并提高抗风能力？

目前已知的技术有：大疆 M300 和 M30 的 IPx5 等级防水，可以任意方向直接受到水的喷射无有害的影响。大疆机场核心部件甚至做到 IP67 等级，浸入水中也无影响。如此高级别防水的无人机已经可以做到大雨天照常飞行，便于雨天应用。

至于抗风的消息，在网上找到了腾讯网2022 年05 月27 日的一篇名为《超强抗风无人机可在龙卷风中飞行》的报道：“为了让无人机在风中飞行 工学院的一组工程师开发了一种深度神经网络 Neural-Fly，即一种人工智 无人机在有风的情况下保持敏捷，只需更新一些关键参数，即可帮助无人机实时应对新的和未知的风况。”相信不久的将来，无人机御风飞行也不再是一种概念。

4 结语

铁路大型房建设备作为铁路 以说每 块砖都是不容忽视的。在科技洪流席卷铁路系统各个领域的时候，房 摆在了我们面前，信息化无人机的运用，降低人员登高巡 途绕行带来的不适。另一方面，不断的科技创新， 与人们对科技促进企业发展的认可，让铁路房建设 的尝试性使用，同样会出现一些预料不到的问题，合格的技术人 慧，赋予无人机前所未有的活力。

参考文献：

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[2] 余飞 . 新概念无人机的开拓者 [J]. 无人机 ,2009,000(005):8-11.

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[4] 戴大伟 , 龙海英 . 无人机的发展与应用 [J]. 指挥信息系统与技术 ,2013,000(004):1-4.

作者简介：张海亮（1984—），男，汉族，湖北襄阳人，本科学历，研究方向为房屋建筑技术。