一、前言
1.1課題內容提要
在山區的鐵路線上，無論普速還是高速鐵路，鐵路汛期安全行車是較為復雜的人機合一的環境系統,鐵路沿線復雜多變的自然環境能夠對鐵路的行車安全造成巨大的影響。由於各類原因，鐵路營運過程中，路基安全管理是一個薄弱點。這主要是因為山區鐵路由於管線範圍點多線長、交通不變、山區條件惡劣、裝置功能有限等不利因素的影響。在裝置檢查中時常出現管理人員無法同時進行、檢查結果不準確、汛期通訊中段等問題。由此可以看出鐵路汛期行車安全防洪管理非常重要，特別是在山區地段，容易發生滑坡、土石流以及坍塌等病害，對行車的安全造成了嚴重的不利影響，因此必須做好加強防洪管理水平，引入新技術、新方法、新裝置，充分結合現有檢查、檢測方式的優點，形成及時、準確、高效、安全的先進檢測手段迫在眉睫。
當前中國無人機巡檢系統發展迅速、北鬥定位系統蓬勃發展。飛行服務技術成熟穩定，利用其檢查檢測山區鐵路路基、沿線裝置設施、山體穩定狀況有廣闊的套用前景。綜合采用無人機巡檢並結合北鬥衛星定位方式，透過無人機智慧航線高畫質影像采集、電腦二維和三維成像，數據分析整理，實作無人機對鐵路重點路基、山區鐵路沿線崩塌落石情況及時探查、判讀、指導施工、對整治效果進行檢查，形成一個閉環管理，為鐵路裝置的安全執行提供條件。
1.2課題任務來源
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1.3課題依據
（1）【關於進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知】鐵建設[2010]120號
（2）【鐵路橋梁檢定規程】 TB10012-2007、J124-2007
（3）【中國鐵路總公司關於做好鐵路建設計畫危巖落石防治工作的通知】（鐵總建設[2018]160號）
（4）【鐵路工程物理勘探規範】 TB10013-2010
（5）【鐵路工程巖石試驗規程】TB10115-2014
（6）【鐵路建設工程風險管理技術規範】 Q/CR 9006-2014
（7）中國鐵路總公司關於做好鐵路建設計畫危巖落石防治工作的通知（鐵總建設[2018]160號）。
密切關註新規範的使用情況，及時使用新版規範。
二、課題研究背景
2.1課題立項背景
山區鐵路路線由於通訊不便、交通不便以及點多線長特點，多穿行於地形地貌陡峻、地質構造復雜的地帶。高橋、長隧、高路堤深路塹數量眾多，對鐵路運輸安全有重要影響。由於峰谷、河流阻隔道路，懸崖峭壁難以攀越，因此山區鐵路路基及裝置執行狀態的檢查比平原地帶更為艱難，成為工務檢查的重點，也是日常裝置檢查中的難點。
傳統的山區鐵路路基和危巖落石檢查系統很難及時發現和預報，給鐵路運輸安全埋下了隱患。
點多線長：對於防洪工作，站端專業管理人員無法同時進行，這樣對防洪工作品質產生了嚴重的不離影響。
交通不便：管理人員由於交通不便，無法第一時間趕到現場進行指導，使得險情無法及時進行控制，這一不便之處在山區段表現得尤為明顯，進而導致達不到良好的救災效果。
難以全面：山區線下裝置日常巡視檢查主要依靠人眼觀察，受地形所限和人力影響，很多隱患部位都無法到達，難以進行全面的檢查。
難以及時：地點較為偏僻，通訊方式比較單一，發生汛期險情時，容易造成通訊中斷，這樣就阻礙了應急處置工作的開展。
存在安全隱患：檢測過程或進入限界、或登高、或涉水進行觀測，人身安全風險大，特別是對高橋或高路堤深路塹檢查需要進行高空作業，安全隱患大。
對運輸安全和秩序存在幹擾。許多人工探查需要封鎖路線要點，對運輸安全、人身安全和運輸秩序有影響。
由於上述原因，山區鐵路要實作對路基和裝置進行準確、全面、及時、安全、的檢測辦法，為運輸提供安全保障，需要開發新的途徑。
2.2國內外研究現狀
一、無人機在國外鐵路領域的套用
近年來，各國鐵路運輸管理機構充分意識到無人機在遠端遙控、空中高分辨率影像采集、人工難以涉足區域勘察等方面的優點，並逐步開始將其套用到鐵路裝置管理領域並取得長足發展。
除了航拍、攝像提供實施監控等傳統領域，無人機還進入了交通工程施工管理、電網巡檢、森林消防等巡查的新興領域，套用場景日益廣泛。亞馬遜公司已經開始用無人機進行水務河道排汙監管。據不完全統計，目前無人機已經在德、法、日、英、美、澳等十幾個國家的鐵路行業得到套用，例如：
鐵路裝置安全巡邏取證
歐洲鐵路公司采用無人機的最初想法是為了防範貨物失竊、車站建築受損及相關裝置遭受胡亂塗抹等事件發生及追責、取證。例如，為了避免供電和通訊、訊號電纜、銅線被盜造成的經濟損失，法國鐵路公司使用了無人機進行路線巡邏並拍照取證；德國鐵路公司也為了防止電纜和金屬被盜、防止作業區域出現「塗鴉」，購買了無人機並安裝紅外攝影機進行跟蹤監測和夜間取證；波蘭鐵路公司為避免貨物運輸被盜采用無人機進行巡邏；以色列鑒於暴亂、襲擊活動經常會對鐵路車站和軌域路線造成頻繁破壞的情況，在耶路撒冷的輕軌鐵路網上空部署了無人機中隊進行全天候巡邏和安保工作，甚至準備安裝輕武器使之成為察打一體無人機。
2、基礎設施檢測監測
法國鐵路公司近年來開始使用無人機對公司擁有的路線、橋隧、車站、電力、通訊、道口、柵欄等一些檢查人員難以到達的基礎設施區域進行檢測監控。日本鐵道綜研所開發了「利用雷射和無人機的落石危險度評價系統」，透過無人機航拍來獲取被測巖體的形狀和裂紋資訊，可以有效確定有落石危險的巖體，為日本鐵路數十年旅客零傷亡的記錄提供更堅實的保障。2015年10月，美國伯靈頓北方聖太菲鐵路公司（BNSF）獲得聯邦航空總署（FAA）的批準，開始使用無人機進行路線基礎設施監測（如觀測鋼軌裂縫、變形以及軌枕的狀況等），還可以在極端天氣條件下進行數據采集。英國、澳洲、印度、荷蘭等國家的鐵路公司也利用無人機開展了基礎設施檢測監測的工作。
3、勘測設計和計畫施工進度檢查
印度鐵路公司利用無人機監測在建鐵路計畫的進展情況，為控制工程進度提供依據。尼日鐵路公司為了制定本國鐵路網規劃，采用法國德萊爾DT-18型無人機實施地形勘測，采集原始數據，其地面目標分辨率高達4厘米。
4、事故調查和災害評估
熊本地震發生後，日本鐵路公司迅速做出反應，即刻派出無人機，在震區南阿蘇鐵路線上的白川一橋上空進行調查、搜集資料，為應對災情評估受損狀況提供數據，這也是日本鐵路首次利用無人機對地震後鐵路受災情況進行調查和評估。印度鐵路也在事故發生後使用無人機搜集裝置受損、人員傷亡、周邊環境變化等情況，為救援提供直接的資料，使救援工作有條不紊、有的放矢。
5、用於汙染物排放監測
早在2015年，美國聯合太平洋鐵路公司（UP）就獲得了聯邦航空總署批準，使用無人機大面積國土對汙染物排放數據進行搜集，用於空氣品質監測和開展相關調查研究。
6、媒體拍攝
法國、日本等國的鐵路均使用無人機開展照片、視訊拍攝工作，以用於媒體宣傳。
二、國內無人機套用現狀
隨著中國科技興國戰略的實施以及國內經濟發展水平快速提高，無人機制造和套用以遠超於經濟增速的數值高速增長，可以說各行各業都在無人機的套用實踐中與時間賽跑。交通興國、鐵路先行。鐵路路線覆蓋的範圍也是越來越廣，無人機的使用也由最初的探索階段逐步進入蓬勃發展階段。勘察設計單位在鐵路規劃、可行性研究、初步設計、施工圖設計、施工配合各個階段都將無人機套用到現場；施工單位在進場選擇工區範圍、大臨設施規劃、加密控制樁網；各裝置管理單位購置了各類無人機，套用無人機開展專業檢查、監控、指導生產。例如某工務段就開展了無人機檢查山區客運專線橋隧檢查工作。
目前國內鐵路路線橋隧巡檢都是由人工結合無人機航拍完成的，比傳統人工巡檢效率提高數倍。
雖然無人機套用於鐵路領域還普遍面臨著空中飛行授權、立法等一些問題，但是，無人機能夠解決一些既有技術手段難以解決的事情已經得到了鐵路管理人員的首肯。經過近幾年的推廣套用，已逐漸開始在多條鐵路得到較好的發展。可以預見，無人機作為一種輔助性監測手段，在中國鐵路領域將會有更大的發展。
三、課題研究內容
北鬥衛星定位與無人機巡航結合進行山區鐵路汛期安全技術研究的課題，研究目標是尋找在鐵路汛期環境下的白天、夜晚鐵路路基和裝置的巡查，從竣工階段開始跟蹤研究。研究內容如下：
主要針對鐵路路基、鐵路山區危巖落石等線下基礎設施隱患排查效率低、特殊地理位置人工難到達、難排查的問題找出切實可行的方法和手段。
當前山區鐵路路基很多都建設在河谷、陡坡、懸崖、山澗等地段，常規采用人工巡查、巡檢車，最近又開始投入無人機巡查；但是存在以下幾點問題：
人工巡查許多地點很難進入，存在人身安全隱患，應急排查人員易發生意外。
路段巡檢車必須天窗時段進行檢查，對運輸安全和秩序有影響。雖然目前巡檢車上可以安裝高畫質相機、攝影機在走行中記錄，但是也存在盲區。比如：山區鐵路周邊巖石和路線過長檢查不及時、隧道山體等位置拍攝不到；而用列車搭載高畫質相機時又由於要兼顧運輸，容易出現拍攝模糊、數據篩檢工作量大，存在漏查。
傳統無人機存在穩定性差、操控技術要求高、鐵路營運裝置電磁幹擾強、相機解析度差、相機最多只能做到廣角、夜視功能不強、巡查路徑存在前後偏差等問題。
發現問題後，人工巡查方式無法較快給出損壞路線長度、快速測量病害影響面積、次生災害範圍，不能為應急搶險、快速恢復鐵路運輸提供準確參考資料和數據支撐；
傳統巡查方式存在效率低、成本高、時效性差；
隨著國家在科技領域宏觀政策的支持及在科學技術套用、人工智慧等巨大投入，各個行業都提高了科技創新及自主創新能力。尤其隨著近年來北鬥衛星定位系統的完善，無人機精確安全飛行、紅外掃描成像、影像穩定傳輸、數據抗幹擾儲存、電腦三維成像、人工智慧分析等方面的突破，無人機快速套用到各行各業及各個場景。無人機檢查和套用軟體數據分析管理在鐵路上的套用尤為重要。
無人機在進行山區鐵路路基巡檢過程中，所獲取的數據更加精確，同時，在電腦的協作下，可以完整地繪制出一套數位化智慧巡檢航線，與實際的施工情況相結合，可以將施工數據變得更加準確，一個精確的路線及實地數據對鐵路路線的建設規劃具有非常大的意義。鐵路施工中利用無人機進行巡檢，將大大降低鐵路施工工人的勞動強度，提升巡檢效率為鐵路建設提供了有利的安全保障。
後續內容待更新
