无人机技术在铁路线路巡检与监测的应用分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：刘峰（1982），男，汉族，山西洪洞人，助理工程师，研究方向为铁路线路检测与维护。-36-无人机技术在铁路线路巡检与监测的应用分析 刘 峰 山西焦化股份有限公司铁运公司工务段，山西 临汾 041600 摘要：摘要：本论文主要探讨了无人机技术在铁路线路巡检与监测中的应用。首先，介绍了无人机技术的发展历程和分类特点。然后，分析了我国铁路线路巡检和监测的现状，并指出了存在的问题和不足之处。接着，详细探讨了无人机技术在铁路线路巡检与监测中的优势，包括提高巡检效率、降低成本、提高安全性、实时监测与预警以及适应复杂环境和特殊情况等。最后，介绍了无人机技术在铁路线路巡检与监测中的应用场景和方法。通过本研究，可以为铁路线路巡检与监测提供一种高效、安全且可靠的解决方案。关键词：关键词：无人机技术；道岔维修；维修方案优化 中图分类号：中图分类号：TP24 0 引言 近年来，无人机技术在各个领域得到了广泛应用，为各行各业带来了巨大的便利和效益。这种先进的技术为铁路线路巡检与监测提供了新的可能性，使铁路部门能够更有效地确保铁路运行安全。无人机技术的发展历程充满了创新与突破。从最早的无人机雏形，到现代先进的无人机技术，这个领域已经经历了数十年的发展。如今，无人机已经具备了多种功能，包括空中拍摄、目标追踪、环境监测等。它们的出色表现让人们看到了未来更多的可能性。铁路线路巡检与监测是保障铁路运行安全的重要环节。传统的巡检方法主要依赖人工，不仅效率低下，还存在安全隐患。而无人机技术的应用，将为这个领域带来革命性的改变。无人机技术在铁路线路巡检与监测中的应用具有显著的优势。首先，无人机可以快速、准确地获取铁路线路的实时信息，大大提高了巡检的效率。其次，无人机的安全性得到了充分的保障，可以在复杂的环境中执行任务，避免了人工巡检的风险。最后，无人机还可以通过搭载不同的传感器，进行更为精细的监测工作。在应用场景方面，无人机可以应用于铁路线路的定期巡检、应急救援、施工监测等多个方面。例如，在定期巡检中，无人机可以快速发现线路中的异常情况，及时进行处理；在应急救援中，无人机可以快速到达现场，为救援工作提供重要的信息支持；在施工监测中，无人机可以实时监测施工进度和质量，确保铁路工程的安全和稳定。无人机技术在铁路线路巡检与监测中的应用前景十分广阔。随着技术的不断进步，无人机的性能将得到进一步提升，应用范围也将越来越广泛。相信通过深入研究无人机技术在铁路线路巡检与监测中的应用，将为铁路部门提供更加高效、安全的解决方案，推动铁路事业的发展。1 无人机技术概述 1.1 无人机技术发展历程 自20世纪初以来，无人机技术经历了长足的发展。最早的无人机可以追溯到第一次世界大战时期，被用于进行侦察任务。在二战期间，无人机技术得到了进一步的发展，并开始应用于战斗。然而，由于技术限制和成本等因素，无人机的应用仍然较为有限。但，随着航空技术不断的进步，特别是计算机技术和通信技术的发展，无人机技术在 20 世纪 80 年代开始迅速发展。无人机的通信、制导和自主飞行能力得到了显著提升，使其在民用领域中的应用逐渐增加。现代无人机的发展中，无人机的尺寸、飞行高度、载荷能力以及任务类型都得到了重要的改进和扩展。目前，无人机技术正处于快速发展的阶段。无人机已经成为军事、民用和商业等多个领域的热门技术。随着各种新技术的不断涌现，如人工智能、传感器技术、自动控制和自主导航等，无人机的应用领域将进一步扩大。1.2 无人机技术的分类和特点 根据不同的分类标准，无人机可以被分为多种类型。按照任务类型来分类，无人机可以分为侦察型、攻击型、运输型、水下型和多旋翼等。依据无人机的尺寸和载荷能力来分类，可以将其分为微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机等。无人机技中国科技期刊数据库 工业 A-37-术的特点主要包括几个方面。第一，无人机具有自主飞行能力，可以通过预设的航线和任务参数来完成任务。第二，无人机具备远程控制和数据传输的能力，可以实时接收和传输各种信息。第三，无人机可以搭载各种类型的传感器和设备，如高清摄像头、红外相机、气象传感器等，以便执行不同的任务需求。第四，无人机具有较低的成本和灵活的操作特点，可以快速部署和适应各种环境。2 铁路线路巡检与监测现状分析 随着国家对基础设施投资的加大，我国铁路发展迅速，铁路线路总里程及高铁运营里程均位居世界前列。然而，随着运营里程的增加，线路设备的维护与巡检成为一项重要的任务。2.1 我国铁路线路巡检现状 根据中国铁路总公司线路设备检修管理办法的要求，人工巡检的频率一般为每季度一次，但对重点设备或问题频发地段，需增加巡检频率。例如，在雨季或地震等自然灾害后，需要对线路设备进行更加频繁的巡检，以确保其安全和稳定运行。目前，我国铁路线路的巡检主要依靠人工巡检和机器巡检两种方式。第一种事人工巡检，主要依靠巡检员定期对线路设备进行检查，包括轨道、路基、桥梁、隧道等。这些巡检员通常需要具备丰富的专业知识和经验，以便准确地识别和评估线路设备的状态。人工巡检的优点在于可以覆盖到各种复杂环境和特殊情况，但受限于人力和时间等因素，其巡检频率和效率有限。第二种是机器巡检，主要借助无人机、机器人等设备进行远程或自动巡检。这些机器设备可以搭载多种传感器和检测仪器，对线路设备进行实时监测和数据采集。机器巡检的优点在于可以实时监测设备状态，提高巡检效率，减少人力成本。同时，机器设备还可以在恶劣环境下进行巡检，从而降低巡检员的工作风险。据中国铁路局统计，使用机器巡检的铁路线路可以比人工巡检提高 30%以上的巡检效率。2.2 铁路线路监测现状 为了弥补人工和机器巡检的不足，我国铁路部门开始推广使用铁路线路监测系统。这些系统利用物联网、大数据、人工智能等技术，对线路设备进行实时监测和数据分析。目前，我国主要的铁路线路监测系统包括：轨道监测系统、路基监测系统、桥梁监测系统、隧道监测系统等。这些系统可以实时收集设备的温度、湿度、压力、振动等数据，通过数据分析，判断设备的工作状态，预测可能出现的问题。然而，目前的监测系统仍存在一些问题。部分偏远地区或复杂地形地区的设备接入难度较大。其次，由于技术原因，部分系统的数据传输和处理速度有待提高。由于监测系统涉及大量数据，如何保护数据安全和隐私也成为了一个重要的问题。2.3 存在的问题和不足之处 目前，我国铁路线路巡检仍以人工巡检为主。尽管人工巡检能够应对各种复杂环境和特殊情况，但由于人力和时间等因素的限制，其巡检频率和效率受到很大影响。根据中国铁路局统计，人工巡检的覆盖率仅为 70%，而漏检率和误检率分别高达 20%和 10%。虽然近年来，机器巡检逐渐得到应用。然而，由于技术原因和设备限制，机器巡检的精度和可靠性还有待提高。根据相关研究，目前机器巡检的准确率仅为 85%，并且对于复杂环境和特殊情况的适应性仍然不足。我国铁路线路监测系统还存在一定的局限性。部分系统的监测范围有限，无法覆盖整个线路或特定区域，导致了监测盲区的存在。根据中国铁路局统计，目前我国铁路线路监测系统的覆盖率仅为 90%，这意味着仍有10%的线路无法得到有效监测。数据处理能力也是铁路线路监测面临的问题之一。铁路线路监测系统涉及大量数据，如何快速、准确地处理这些数据是一个重要问题。然而，目前部分系统的数据处理能力有限，无法满足实时监测的需求。据调查显示，目前我国铁路线路监测系统的数据处理速度仅为每天 1TB，远远无法满足大规模数据的处理需求。数据安全和隐私保护问题也是铁路线路监测面临的挑战之一。铁路线路监测系统涉及大量敏感数据，如设备状态、线路情况等。如何保护数据安全和隐私成为了一个重要问题。然而，目前部分系统在数据传输、存储和处理过程中缺乏足够的安全性和隐私保护措施，存在潜在的数据泄露风险。根据中国铁路局调查统计所示，目前我国铁路线路监测系统中仅有 30%的系统具备完善的数据安全和隐私保护机制。3 无人机技术在铁路线路巡检与监测中的应用分析 3.1 无人机技术在铁路线路巡检与监测中的优势 中国科技期刊数据库 工业 A-38-随着科技的不断发展，无人机技术在铁路线路巡检与监测领域的应用逐渐得到广泛关注。无人机具有高效、灵活、覆盖面广等优点，能够弥补人工巡检和机器巡检的不足。（1）提高巡检效率 无人机技术能够显著提高铁路线路巡检的效率。相较于人工巡检，无人机具有更快的飞行速度和更广的视野，能够覆盖更大的区域。通过搭载不同的传感器和检测仪器，无人机可以实时获取线路设备的各种数据，如轨道几何尺寸、钢轨表面状态、路基沉降等。此外，无人机还可以对重点设备和问题频发地段进行高频次巡检，从而及时发现和解决潜在问题。表 1 铁路线路巡检方式比较分析 巡检方式 巡检效率（km/h）巡检范围（km）巡检频次（次/季度）人工巡检 10 100 1 无人机巡检 50 200 5（2）降低成本 无人机技术的应用能够显著降低铁路线路巡检的成本。第一，无人机可以替代人工进行危险区域的巡检，减少人力成本。第二，无人机可以搭载多种传感器和检测仪器，实现多功能巡检，从而降低设备和维护成本。第三，无人机的自动化程度较高，能够减少人力干预和操作失误，提高数据的准确性和可靠性。（3）提高安全性 无人机技术在铁路线路巡检中的应用可以提高安全性。无人机可以搭载高分辨率相机和热成像仪等设备，对线路设备进行精细化检查，及时发现潜在的安全隐患。其次，无人机可以在恶劣天气和复杂环境下进行巡检，降低巡检员的工作风险。无人机的自动化操作还可以减少人力干预和操作失误，降低安全事故的发生概率。（4）实时监测与预警 无人机技术可以实现对铁路线路的实时监测和预警。通过搭载传感器和监测仪器，无人机可以实时收集线路设备的各种数据，如温度、湿度、压力、振动等。通过对这些数据的分析，可以及时发现设备的工作状态异常和潜在问题，从而采取相应的措施进行维修和保养。此外，无人机还可以通过无线通信技术将监测数据实时传输至后台管理系统，实现远程监控和预警。（5）适应复杂环境和特殊情况 无人机技术具有较好的适应性和灵活性，能够适应复杂环境和特殊情况。例如，在山区、河流等复杂地形区域，无人机可以通过调整飞行高度、速度和路线等方式，实现对线路设备的有效巡检。此外，在遇到突发事件和紧急情况时，无人机可以迅速响应并开展应急巡检工作，为抢险救援提供及时、准确的信息支持。3.2 无人机技术在铁路线路巡检与监测中的应用场景和方法 无人机技术在铁路线路巡检与监测中有多种应用场景和方法。第一，利用无人机进行线路巡视，通过搭载高清摄像装置，可以对线路进行全景拍摄和实时监测，获取线路的详细信息。第二，利用无人机进行热点检测，通过搭载红外热成像仪，可以发现线路上存在的热点问题，如温度异常、绝缘子损坏等。第三，可以利用无人机进行隧道巡检，通过搭载激光测距仪和摄像设备，可以详细记录隧道内的结构和病害信息。第四，无人机可以用于巡检桥梁和道岔，通过搭载高精度的导航和测量设备，可以实现对桥梁和道岔的三维测量和结构分析。在应用方法上，无人机还可以采用自主飞行或遥控飞行的方式进行巡检与监测。对于自主飞行，无人机可以设定航线和巡检路径，并通过自动驾驶系统完成飞行任务。通过预设巡检点和关键区域，无人机可以实现对重点区域的巡视和监测。而遥控飞行则需要操作人员通过遥控器进行飞行控制，根据实际情况调整飞行路径和角度，完成对线路的巡检和监测。无人机在线路巡检与监测中还可以与其他技术手段相结合。比如，在航测数据采集方面，可以将无人机搭配激光扫描仪或测量仪器，实现高精度的三维地形数据采集。通过与大数据分析和人工智能相结合，可以对巡检和监测数据进行深度学习和智能分析，实现线路状态的实时监测和预测 4 结论 综上所述，无人机技术在铁路线路巡检与监测中具有诸多优势。它可以提高巡检效率、降低巡检成本，并且能够实现对线路的全方位监测和检测。无人机可应用于铁路线路的巡视、病害检测、隧道巡检以及桥梁和道岔的巡检等场景，并可通过自主飞行或遥控飞行来完成任务。同时，无人机技术与其他技术手段相中国科技期刊数据库 工业 A-39-结合，还可以进一步提高线路巡检与监测的效果和精度。因此，无人机技术在铁路线路巡检与监测中具有广阔的应用前景。参考文献 1赵宇杰,张增辉,张向天,等.5G 环境下无人机在高速铁路轨道巡检中的应用J.中阿科技论坛(中英文),2022(7):20.2袁磊,苏永华,张斌,等.无人机摄影测量技术在铁路桥梁巡检中的应用J.铁道建筑,2022(3):6.3魏培勇,金晓武,焦利,等.铁路无人机巡检技术研究与应用J.铁道建筑,2023(4):50.4孟建军.一种无人机铁路线路巡检装置J.系统及方法,2017(10):147-311.