基于無人機(jī)的仁新高速養(yǎng)護(hù)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘭建雄，蘇義坤，譚 勇，潘 勇,歐鎮(zhèn)團(tuán)

(1.廣東省南粵交通仁博高速公路管理中心仁新管理處，廣東 韶關(guān) 512600；2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.廣州譽(yù)宸信息科技有限公司，廣州 廣東 510627)

0 引 言

隨著我國山區(qū)高速公路的建設(shè)發(fā)展，建設(shè)遇到的地形、環(huán)境也越來越復(fù)雜多樣化，不可避免的會(huì)遇到大量的高邊坡、橋梁等工程。而隨著外界環(huán)境的不斷變化影響，高速公路中的橋梁、高邊坡等關(guān)鍵位置參量發(fā)生改變，對這些變化進(jìn)行巡查監(jiān)測，制定相應(yīng)維護(hù)和養(yǎng)護(hù)措施方案，對高速公路運(yùn)營安全具有重大意義。目前，我國高速公路巡檢主要采用人工巡檢的方式。傳統(tǒng)的人工巡檢主要采用目測方式，巡檢結(jié)果的記錄一般采用手工記錄。但傳統(tǒng)的人工巡檢存在著危險(xiǎn)系數(shù)高、巡檢不全面存在盲區(qū)、巡檢結(jié)果存在較大主觀因素，缺乏客觀科學(xué)性、巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存和系統(tǒng)管理不完善等弊端。傳統(tǒng)的巡檢方法和思維已不能適應(yīng)新的項(xiàng)目形式、環(huán)境等情況的要求，因此迫切需要新的管理模式來適應(yīng)這一要求。

近年來，隨著科技經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步發(fā)展，對高速公路項(xiàng)目建設(shè)提出了更高的要求，交通運(yùn)輸部提出“四個(gè)交通”建設(shè)，并把“智慧交通”作為四個(gè)交通發(fā)展的關(guān)鍵。探索設(shè)計(jì)智能化高速公路養(yǎng)護(hù)巡檢系統(tǒng)，是落實(shí)交通運(yùn)輸部智能化高速公路建設(shè)科學(xué)高效的重要舉措。無人機(jī)作為智能化、信息化的重要載體，具有靈活輕便、快捷高效等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但目前在高速公路養(yǎng)護(hù)巡檢管理領(lǐng)域，仍處于初步探索階段，存在管理體制及技術(shù)手段不完善；智能化信息化程度不高；高速公路設(shè)施信息描述不規(guī)范；高速公路巡檢評估結(jié)果可信度較低等問題?，F(xiàn)有學(xué)者利用GIS、激光點(diǎn)云、AR等技術(shù)對高速公路巡查系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為高速公路的巡檢養(yǎng)護(hù)管理提供了統(tǒng)一的平臺(tái)，相較于傳統(tǒng)人工巡檢更加的快捷高效，科學(xué)可靠。但很少有研究利用無人機(jī)技術(shù)對高速公路養(yǎng)護(hù)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。本研究以仁新高速為研究對象，基于無人機(jī)攝影技術(shù)具有視角靈活、不收地形限制等優(yōu)勢，以無人機(jī)攝影為主要技術(shù)手段，設(shè)計(jì)出一套完整的養(yǎng)護(hù)智能巡檢系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常/病害，提升高速公路管養(yǎng)智能化水平。

1 概況與需求

1.1 項(xiàng)目概況

廣東省仁化(湘粵界)至博羅公路仁化至新豐段是國家高速公路網(wǎng)“武漢至深圳高速公路”的重要組成部分，路線整體呈南北走向，路線全長163.933 km，共有特大橋、大橋31 503 m/85座，隧道27 705 m/14座，互通式立體交叉11處，分離式立體交叉3處，主線收費(fèi)站1處，服務(wù)區(qū)3處，停車區(qū)3處，治超站1處。項(xiàng)目地處粵北山區(qū)，地形和地質(zhì)條件極其復(fù)雜，橋隧比較高，土石方量大，高邊坡點(diǎn)多，運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)大，養(yǎng)護(hù)巡查任務(wù)量大。

1.2 系統(tǒng)功能需求

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了更高效、更安全、更便捷地對高速公路橋梁邊坡進(jìn)行養(yǎng)護(hù)巡檢，實(shí)現(xiàn)對仁新高速公路巡檢工作的常態(tài)化智能管理。系統(tǒng)功能需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)系統(tǒng)用戶管理

對系統(tǒng)使用人員的用戶賬號與密碼、權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一管理。

(2)無人機(jī)航拍管理

本高速公路巡檢系統(tǒng)借助無人機(jī)航拍進(jìn)行路況圖像采集，利用無人機(jī)視角靈活、可懸停拍攝等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)自主飛行、巡檢作業(yè)等功能。本系統(tǒng)需具備無人機(jī)機(jī)型選擇、無人機(jī)飛行航線規(guī)劃、無人機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

(3)無人機(jī)圖像處理分析

系統(tǒng)可對無人機(jī)巡檢過程中拍攝到的圖像進(jìn)行處理、分析。確保每張圖像都具備有效的屬性信息。

(4)巡檢任務(wù)管理

巡檢任務(wù)管理主要包括任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)保存、任務(wù)上傳、任務(wù)下載、任務(wù)執(zhí)行五個(gè)方面。

(5)巡檢數(shù)據(jù)管理

利用無人機(jī)獲取采集到的數(shù)據(jù)是零碎、多樣、體積巨大的。系統(tǒng)應(yīng)具備對大量數(shù)據(jù)可以處理分析、任務(wù)文件分類和存儲(chǔ)的功能。并可以運(yùn)用曲線圖、柱狀圖等表示不同管理技術(shù)人員對問題異常的處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

(6)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)置

系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)置包括用戶管理、系統(tǒng)維護(hù)兩個(gè)方面。用戶管理是對用戶賬號、密碼進(jìn)行管理，包括新增、刪除、修改等操作，對用戶權(quán)限進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)維護(hù)是對系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)，并進(jìn)行記錄。以滿足用戶的多樣化需求。

2 巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能巡檢系統(tǒng)由Web端后臺(tái)管理平臺(tái)和巡檢APP兩個(gè)模塊組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以網(wǎng)絡(luò)化可靠安全、穩(wěn)定靈活、經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新為原則，系統(tǒng)總體框架分為四層：系統(tǒng)數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、表現(xiàn)層、用戶層。智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在明確本巡檢系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出高速公路巡檢系統(tǒng)功能主要分為用戶登錄管理、無人機(jī)航拍管理、無人機(jī)航拍圖像分析處理、巡檢任務(wù)管理、數(shù)據(jù)智能管理、系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)置六個(gè)功能模塊。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

2.3 基于Faster R-CNN的圖像智能分析算法

Faster R-CNN進(jìn)一步在Fast中加入了RPN網(wǎng)絡(luò)，為模型賦予了自動(dòng)提取候選區(qū)域的能力。同時(shí)Faster R-CNN將RPN獲取得到的候選區(qū)域直接鏈接到ROI pooling層得到一個(gè)可端到端訓(xùn)練的目標(biāo)檢測框架。Faster R-CNN已經(jīng)將特征抽取feature extraction，提取proposal，bounding box regression，classification都整合在了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，使得綜合性能有較大提高，在檢測速度方面尤為明顯。

圖3 Faster R-CNN算法結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 語

本文提出了基于無人機(jī)攝影技術(shù)獲取多源圖像數(shù)據(jù)，對仁新高速養(yǎng)護(hù)巡檢的系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)，對智能巡檢系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)模塊和系統(tǒng)主要功能。該系統(tǒng)重點(diǎn)解決日常巡查中人員難以到達(dá)、有效檢測等問題，提升運(yùn)營管養(yǎng)的能力，有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工外業(yè)巡檢評估信息數(shù)據(jù)質(zhì)量工作方式，加快了巡檢速度、確保了巡檢質(zhì)量，使養(yǎng)護(hù)巡檢工作更加高效，獲取的檢測數(shù)據(jù)不受檢查人員責(zé)任心和經(jīng)驗(yàn)影響，更加客觀。促進(jìn)了高速公路巡檢養(yǎng)護(hù)管理作業(yè)智能化、管理的科學(xué)化。系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，為高速公路巡檢養(yǎng)護(hù)決策提供了科學(xué)、有效的依據(jù)。