無人機在受損鐵軌檢查中的應用

李悅霖

無人機的行業應用在不斷擴展，受損鐵軌檢查成為無人機的新疆域。美國的BNSF鐵路公司在該領域積極探索。

關于商業無人機系統（UAS）的許多議論焦點都集中在計劃中的包裹交付使用上。但一家貨運鐵路公司在2015年被選為美國聯邦航空管理局（FAA）最初的“探路者”合作伙伴之一，它已經看到了將無人機用于多種用途的好處。

FAA選擇了BNSF鐵路公司來測試無人機的超視距（BVLOS）飛行，這種能力被認為是包裹遞送和其他運營在商業上取得成功的關鍵，但只能通過豁免實現。

這家鐵路公司通過與FAA的持續合作，繼續研究無人機在超視距操作時的探測和規避技術。

BNSF報告說，它的無人機飛行員已經飛行了800個超視距小時，覆蓋24000mi（38624km），并飛行了2000個視距小時。該公司已經培訓了130名員工在各種視距下模擬飛行。

BNSF總部位于沃思堡，在全美2 8個州和加拿大三個省運營32500mi（52304km）的鐵路網。20侶年，該公司運輸了1070萬車糧食、消費品、工業品和煤炭。

BNSF的超視距無人機是重110lb的混合四旋翼HQ-60無人機，BNSF使用特殊適航證書和FAA的授權證書飛行該飛機以檢查其鐵路基礎設施。

今年4月，FAA根據第44807條“特定無人機系統的特別授權”，給予BNSF公司對其第61部（飛行訓練）和第91部（一般操作和飛行規則）的多項豁免。該條款包含在FAA 2018年重新授權法案中，允許該機構使用基于風險的方法批準重量超過55lb的無人機飛行。

BNSF電信主管托德·格拉茨表示，“這些豁免允許BNSF不再使用以前授予的證書，這些操作一旦部署，就不會使用追蹤機或目視觀察員來監控飛行。”

他補充說，這些豁免“實質上簡化了我們的飛行操作和權限，同時與FAA的倡議保持一致，擴大基于安全的無人機操作在國家空域系統中的使用。”

HQ-60是一種雙吊桿固定翼飛機，四個旋翼分別嵌入兩個縱向吊桿，使其能夠垂直起飛和降落。在翼載飛行時由一個二沖程活塞發動機和主機身后部的推進螺旋槳提供動力。該飛機能攜帶12lb的有效載荷，續航時間達8h。

位于亞利桑那州圖森市的LatitudeEngineering公司開發了HQ-60的混合四旋翼技術設計。L3技術公司（現為L3Harris技術）于201 8年6月收購了Latitude Engineering。

BNSF按需部署飛機，檢查亞利桑那州、蒙大拿州和新墨西哥州的鐵路基礎設施。BNSF在加州、科羅拉多州、俄勒岡州和得克薩斯州有另外的飛行走廊。

托德·格拉茨解釋說：“通過HQ-60無人機上配備的高分辨率的晝/夜攝像機以及多頻譜和熱傳感器，再結合廣泛的無人機技術和分析軟件，我們可以檢測到隨著時間推移可能影響我們網絡的變化。”

為維護鐵路網安全和效率的“補充資產檢查”可覆蓋BNSF在農村地區擁有的100～200mi（160～320km）鐵軌段。HQ-60無人機配備了uAvionix ping200Sr模式S自動相關監視廣播（ADS-B）輸出轉發器，以信號告知其位置。

HQ-60無人機的機組人員包括機長（PIC）和副駕駛（SIC）。當公司沃斯堡無人機總部的機組人員在不同的州駕駛無人機時，BNSF會安排一個現場團隊來協助發射。外場團隊負責燃料、儲存、維修和部署援助，并有能力在需要時接管飛行。

飛行中心的機長和副駕駛通過一組貫穿于整個飛行路線的柯林斯地面控制與非有效載荷通信（CNPC）數據鏈無線電來控制HQ-60無人機。當無人機飛行時，機上無線電在基地無線電位置之間漫游，在給定的時間內使用信號最好的無線電。

無人機的位置由L3Harris ADS-B接收機跟蹤，也可以選擇使用沿飛行路徑布置的近距雷達來跟蹤。基于Web的L3Harris RangeVue態勢感知工具融合了來自當地基礎設施和FAA空中交通監視的數據，向飛行員提供操作區域的通用顯示。

同時，BNSF還培訓員工操作更小型的FireFly、AirRobot和大疆固定翼和旋翼無人機進行視距飛行。根據FAA第1 07部規定，無人機的重量低于55lb。BNSF稱其是第一家獲得豁免可在夜間和在移動地面控制站飛行無人機的公司。

托德·格拉茨說，視距操作員負責的領域是協助檢查、環境評估、安全、測量、服務中斷和天氣響應需求，

以前，當洪水破壞鐵路服務時，首先由BNSF的員工評估損失，制定恢復計劃，評估方式通常是沿著受災害影響的鐵軌步行。BNSF表示，今年夏天美國中西部幾個州發生歷史性的洪水造成了大面積的洪水泛濫，使得這種人工評估方式變得尤其困難。

無人機外場操作經理尼克·德賴爾在BNSF的“鐵路談話”博客上說：“一些地區洪水非常嚴重，除非坐船，否則無法進入鐵軌段。我們沒有采用慣常的評估方式，而是使用無人機在2mi（3.2km）的視線范圍內根據飛機的情況飛行，這使我們能夠在保證員工安全的同時獲取大量數據。”

托德·格拉茨說，在中西部洪水最嚴重的時候，有18個BNSF鐵路分區被破壞。他說：“我們的鐵路網現已全面運作，很大程度上是因為我們在當地的工作人員能看到受損情況并正確解決待援助地區的問題。由于洪水的影響，從地面接近很困難，我們的無人機視距操作團隊能利用無人機捕獲82段與洪水有關的鐵軌數據，從而獲得有價值的圖像、錄像和恢復規劃數據，為這項工作提供幫助。”

與航空公司使用無人機檢查飛機涂層或結構的損壞情況相似，BNSF鐵路公司也使用無人機對8000個火車頭進行了檢查。

無人機運營經理凱瑟琳·布拉姆萊特在“鐵路談話”博客中寫道：“當車頭從倉庫出來時，乘務人員通常會爬上機車頂部檢查以確定是否需要更換部件，每輛機車大約需要檢查一個小時。但我們現在可以用無人機飛行15～30min，評估該地區所有的車頭，只需派乘務人員去那些需要收尾的地方。”

BNSF鐵路公司還使用視距無人機來檢查“動態球體”，即安裝在桅桿上的球形穹頂，用于鐵路電子設備和建筑物的防雷保護。使用無人機后，工作人員不用爬上設備就能確定球體是否受損和是否需要更換。

托德·格拉茨說：“歸根結底，無人機是降低員工暴露于未知風險的多種手段之一。BNSF公司的工作環境雖安全但并不友好，因此任何能提升鐵路安全同時能降低員工操作風險的工具都是有價值的。”