無人機在公路養護中的應用研究

孫成輝、王立軍、林海成、路建強、柳偉

（中交基礎設施養護集團寧夏工程有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

近年來，公路養護里程快速增加，科學、合理、高效地進行公路養護管理成為發展的重點。現階段，通過應用先進的傳感器和物聯網等技術，實現了公路自動巡查、大數據決策、仿真化設計。隨著養護發展新需求的多元化，契合國家創新驅動發展戰略、科技驅動企業發展的理念，全景化感知、全方位巡查和快速精準養護，實現養護產業數字化已成為“十四五”公路養護發展的重要方向。

1 工程概況

寧夏固原片區有高速公路5 條，養護里程456.543km；主線總里程406.436km，匝道及連接線總里程50.107km。橋梁673 座，其中特大橋4 座、大橋192 座、中橋176 座、小橋301 座。隧道單洞累計長41.578km/14座（特長隧道單洞長18.97km/1 座，長隧道單洞長11.069km/3 座，中隧道單洞長8.94km/6 座，短隧道單洞長2.599km/4 座），屬于典型的山區高速公路。其中六盤山特長隧道單洞全長18.97km，是目前西北高海拔地區較長隧道。高速公路養護項目包含日常養護巡查巡檢，保潔保養，小修維護，路產路權維護照管，路基、路面、橋涵、隧道、交安、綠化、機電、站房等設施維護保養，大型特大型橋梁檢查保養，六盤山特長隧道土建、機電設施檢查保養，高速公路保暢保通，應急事故處理等。

2 養護特點及難點分析

2.1 養護特點

固原市位于中國黃土高原的西北邊緣，境內以六盤山為南北脊柱，片區高速公路主要為國家高速公路，交通量大、社會影響大、運營時間長，道路技術狀況較差，為片區養護的重點路段。主要存在橋隧占比高，高速公路養護受季節影響較為明顯等問題，夏季水毀搶修、冬季除雪保暢任務重。地質情況復雜：橋頭跳車、濕陷性黃土沉陷路段較多；高邊坡滑坡、隧道口泥石流等地質災害頻發；冬季冰雪等惡劣天氣時間較長；春融凍脹及冰雪對路面及防護設施損害問題突出等。

2.2 養護難點

目前的日常養護巡查巡檢、經常性檢查等工作任務，主要依靠技術人員目測及攜帶簡易測量工具作業，機動性差、巡查周期長，部分橋梁跨度大、凈空高，人工巡查難度大，技術人員數量有限且能力參差不齊。寧夏南部地區濕陷性黃土地段頗多，地質原因導致高邊坡滑坡較為常見。尤其在汛期，須加大巡查頻率，發現問題往往比病害出現滯后。

隨著高速公路養護標準不斷提高，傳統養護巡查模式難以滿足日常的養護巡查要求。對于山區高速公路日常養護，迫切需要探索一條新的途徑或方法，既能將日常養護巡查巡檢簡單化、便捷化和高效化，又能快速、準確、直觀地獲取信息。

3 無人機在公路養護中的應用價值

無人機是一種快速、自動化程度高的低空空域飛行器，通過低空空域審批后，可以在公路紅線范圍內合法飛行，可利用空域資源優勢，將無人機綜合應用到資產管理維護、公路日常巡查、技術狀況評定、災害防治等多個方面，能夠提高公路日常巡查和維護效率[1-3]。借助無人機，養護單位可以快速、便捷地觀測和檢查公路構造物及處理安全隱患，獲得準確、及時、直觀的病害信息，以便作出更準確的養護管理決策。

作為一種可靠的技術手段，無人機在高速公路養護中的應用價值體現在以下方面。

3.1 及時救援響應、保障生命財產安全

利用無人機在事故多發路段進行巡查巡檢，便于第一時間充分了解事故現場情況，快速部署、實時響應，為救援人員提供充分的準備時間，降低人民生命財產損失。三維模型的建立能夠為BIM 模型數據和路面的真實交互提供連接通道，從而為相關單位提供效果良好、成本較低的解決方案，同時能極大地提高災害救援的智慧水平，為救援工作提供最有效的技術支持。

3.2 為基建賦能，推動行業技術進步

關于無人機在公路養護中的應用項目研究跨越了多管理維度、多種業務組合、系列化發展體系和工程應用的各個階段。相關研究能夠為無人機檢測新技術的研發提供借鑒，推動行業的技術進步。利用無人機是公路養護的創新性發展標志，能夠為養護的數字化、精準化、動態化、智能化“四化”提供支撐，使公路養護由二維向三維空間衍變，是智慧養護的發展方向之一。

3.3 保障路橋安全，提高巡查效率

無人機巡查具有以下特點：不需要中斷交通，單次巡查成本低，巡查效率高。無人機能夠及時發現路橋病害，并快速高效地巡查路橋技術狀況，從而提高巡查效率和病害識別的準確性、全面性。通過數據分析判斷，可以及時制訂養護策略，省時省工，有較高的經濟效益。

例如，利用無人機進行巡查，可以第一時間了解路面、橋梁、隧道洞口的結冰情況，并根據路段積雪厚度、結冰等情況采取相應的除冰、除雪措施。無人機還能夠及時發現塌方、滑坡等邊坡隱患，實時觀察并提供預警，保障車輛行駛安全，以及預防和控制公路沿線的突發性災害。

3.4 不受地形限制，保障工作人員安全

傳統的人工巡查巡檢方式受環境地形限制，工作人員的作業強度大、安全風險大，且效率不高。相比之下，無人機能快速完成巡查任務，特別是在地勢陡峭、高填方深挖區域，無人機的優勢更加明顯，能夠避免安全風險問題。

4 無人機在高速公路養護中的應用

4.1 在高速公路養護安全管理中的應用

第一，在小修施工現場及日常養護作業現場借助無人機進行安全布控，隨時進行巡查，及時發現問題、傳達命令，便于及時整改，確保工作人員安全。

第二，在公路用地、建筑控制區內，借助無人機對設施進行實時監測，甄別違建、破壞、偷盜行為，實時報警，聯合相關部門及時進行處治。

第三，發生較大自然災害（如地震、滑坡、水毀、泥石流、冰雪災害等）時需要及時清理道路堵塞、解決塌方等問題。無人機具備準備時間短、不受地形限制、觀測范圍廣、觀測角度不受限制等特性，可對災害現場和阻塞路段進行多角度觀測。無人機還可以貼近危險區近距離觀測，能夠為應急指揮人員提供所需的現場影像資料及判斷依據，幫助應急指揮人員及時對事故現場作出準確的判斷、采取合理的應急措施，既能降低事故傷亡風險，又能節省時間、提高效率[4-5]。

第四，無人機上可以搭載紅外測量儀、熱成像儀等先進設備，可以對阻塞、塌方體進行測量，第一時間計算出體積，為應急搶通保暢提供有效的數據支持，為應急救援爭取時間；熱成像儀通過對塌方體進行掃描，可以確定是否有被困人員，便于及時營救。

4.2 在公路病害識別中的應用

將無人機技術與路面病害檢測技術相結合，可以充分發揮無人機自動化程度高、能耗低的優勢，顯著降低工作人員的勞動強度。將現有的數字圖像處理技術與無人機航拍功能相結合，設計無人機道路路面識別算法流程，通過高速公路路基、沿線設施識別，公路病害識別等步驟，可實現對公路病害的識別和監測。

第一，可以對路基邊坡坍塌、水毀、路基沉降、排水設施堵塞、高邊坡失穩等病害進行實時監測，通過影像與數字化轉換分析，判斷損壞程度，進而采取合理的處治措施。

第二，對路面沉陷、車轍、波浪擁包、坑槽等病害，通過航拍圖像進行初步分析和具體定位。

第三，對隔離柵缺損、標志缺損、標線缺損等公路沿線設施損壞，以及綠化管護不善等問題進行實時監控，以便于及時采取維修措施，消除安全隱患。

第四，實現路基技術狀況指數（SCI）、沿線設施技術狀況指數（TCI）、路面損壞狀況指數（PCI）自動評定，為公路全路況自動化評定打下基礎，為后期高速公路路面監測、養護提供大量數據支持，為路面病害處理提供理論依據。

4.3 在高速公路邊坡巡查中的應用

高速公路山區段邊坡是巡查和養護的重點，也是難點之一。在有大降雨發生時，如果排水設施出現異常，容易引發邊坡滑坡、內部破壞變形等問題，因此定期巡查和養護邊坡十分必要[6]。然而，傳統的邊坡巡查方式是人工巡查，工作人員攀爬邊坡既耗時費力，又存在安全隱患。此外，由于山區邊坡地形復雜、地勢險要，僅靠人工無法巡查到邊坡的每一處，會存在多處盲點和死角，整體工作效率較低。

無人機小巧靈活、測量精度高，且不受氣象和地理條件限制，可以根據高速公路邊坡養護巡查的內容和要求制訂自動巡查路線，能夠減少工作人員數量和工作量[7-8]。無人機能夠到達工作人員無法到達的危險位置和巡查死角，并從多個角度采集信息。同時，無人機可以將拍攝的視頻和圖片等數據信息即時上傳至指揮中心，幫助工作人員準確判別邊坡狀態，并選取病害點或病害嫌疑點作為二次巡查的采集點，進而制訂針對性的邊坡養護方案。

4.4 在公路橋梁專項病害檢測中的應用

隨著無人機技術的發展，目前可利用大疆M300型無人機掛載紅外熱像儀和大疆御2 行業進階版無人機掛載高分辨率光學相機進行公路橋梁專項病害檢測。這些無人機可以在高空任意點懸停，并通過攝像系統對特定位置的檢測對象進行攝像，實現圖像數據采集。具體來說，機載的紅外熱像儀主要采集公路橋梁主體構件的熱成像，機載攝像機則主要采集公路橋梁底面、節點板等構件的細部圖像。

目前，搭載無人機的攝像系統能夠實時傳輸模擬圖像數據，通過掃描拾取圖像信號、壓縮頻帶、信道處理形成圖像信號，這樣地面站可以實時了解攝像機、紅外熱像儀的掃描過程，并為數字圖像和熱成像攝取提供數據保障[9-10]。結合養護部門提供的相關資料及現有的智能化養護平臺，在Matlab 語言（C 語言）環境下，通過去噪、銳化、圖像增強等手段提取橋梁檢測對象的數字圖像特征，可以通過病害算法智能輸出橋梁橋面坑槽、車轍、擁包、錯臺、伸縮裝置破損、墩柱破損、支座變形、板底裂縫等病害的檢測結果及養護方法。

4.5 在公路隧道專項病害檢測中的應用

雖然目前無人機技術無法實現隧道內部病害巡查，但通過樣本數據庫提供的照片，可以對隧道洞口邊坡有無危石、積水、積雪，構造物有無開裂、傾斜、沉陷，以及洞門結構有無開裂、傾斜、沉陷、錯臺、起層、剝落、滲漏水等病害進行初步判斷。

4.6 在路產管理方面的應用

可利用無人機對高速公路紅線內的路面、沿線設施、路基等進行不同角度、方位的巡航與拍攝，并結合傾斜攝影技術，形成公路資產三維點云數據，實現數字公路平臺搭建[11]。同時，對傳統的資產管理系統進行改造升級，利用ArcGIS（地理信息系統）架構及DEM（數字高程模型）數據庫，將三維點云數據通過BIM 模型的方式疊加到原有GIS 地圖上，將公路自動化評價的檢測、養護、應急等多種數據進行疊加，最終形成高精度公路資產管理系統，為基礎數據查詢、道路橋梁檢評、病害分布分析、養護工程規劃等提供支持，為高速公路養護提供支撐，達到公路資產設施全要素數字化、公路布局節點全動態感知化、公路資產數據治理標準統一化、公路業務協同治理全壽命智能化。

5 結語

隨著無人機技術的不斷發展和工程實踐的深入，無人機已廣泛應用于公路養護的各個層面，如日常巡查、結構物檢查、應急保通、工程勘察、資產管理、數據分析等。相較于傳統的高速公路養護方式，無人機具有更高的機械化水平、更短的巡查周期、更高的巡查效率和更高的安全性。通過搭載先進的檢測設備或攝像頭，無人機可以直觀、準確地獲取高速公路養護所需的數據資料，并具有高精度、高自動化、高可信度等優點，能夠提升高速公路養護水平和管理能力，并創造更大的社會和經濟效益。