空-地”协同的地铁保护区智能巡查体系研究—

摘要
地铁保护区人工巡查存在视野受限、时效性差、数据碎片化等痛点。在线网范围部署21套“机巢+无人机空地一体系统,并自主研发地保应用服务平台,构建“多源数据采集—轨道沿线巡视模型—AI智能分析—闭环处置”全链路,实现了保护区隐患的自动发现、实时告警、快速复核与量化评估。实践表明,该平台使地保巡查人工投入降低50%以上,异常识别准确率达到92.4%,事件平均闭环时长由48 h缩短至7 h,为城市轨道交通外部风险防控提供了可复制的“南宁模式”。

关键词
地铁保护区;无人机巡检;图像识别;数字孪生;应急处置

1 引言
随着城市轨道交通成网运营,外部施工侵扰、违规堆载、地质突变等风险显著增加。传统“步行+望远镜”式巡查效率低、盲区多、证据链易缺失,已无法满足超大体量线网的安全需求。低空经济与AI技术的融合,为保护区巡查提供了革命性工具。本文以轨道交通2023—2024年建设成果为例,系统阐述无人机智慧巡检体系的关键技术、实施路径与成效评估。

2 需求与挑战
2.1 巡查范围大:轨道运营里程128 km,保护区面积约52 km²,人工全覆盖需180人·日/月。
2.2 风险类型多:深基坑、钻机、塔吊、堆土、管线穿越等异构风险超过60类。
2.3 时效要求高:市住建局要求重大隐患4 h内上报,24 h内核查。
2.4 数据孤岛:巡查、监测、视频、工单等数据分散在5个系统,无法联动。

3 总体设计
遵循“云-边-端”协同架构,打造“1+3+N”体系:
1个地保应用服务平台(云端大脑);
3类无人机终端(M3TD、行业多旋翼、固定翼);
N种AI算法模型(目标检测、变化检测、三维比对、地质风险推演)。

4 系统组成
4.1 空基装备
(1) 自动机巢:IP54防护,4 h电池快充,5 km图数一体链路,支持RTK厘米级起降。
(2) M3TD云台:640×512红外+2000万像素可见光+激光测距三光融合,夜间可识别0.5 m×0.5 m异常热源。
(3) 固定翼长航时无人机:续航90 min,单架次可完成20 km走廊正射与倾斜摄影。

4.2 地保应用服务平台
采用微服务+数据中台架构,核心模块包括:
(1) 航线智能规划:基于GIS缓冲区分析、数字孪生地形、限飞区自动绕障,5 min生成最优航线,相对人工绘图效率提升12倍。
(2) 实时图传与远程接管:利用5G SA+边缘UPF,端到端时延<200 ms,满足远程应急接管要求。
(3) AI智能分析
a. 施工机械识别:YOLOv8+旋转框,mAP@0.5达到0.92,可区分长螺旋钻机、成槽机、汽车吊等9大类。
b. 变化检测:采用SiamMask+多光谱归一化指数,7日内新增堆土识别准确率89.3%。
c. 三维比对:将无人机倾斜模型与BIM设计红线自动配准,误差小于5 cm,实现“模-实”一致性校验。
(4) 闭环处置引擎:自动生成“巡查报告—风险分级—工单派发—手机APP复核—结果回填”闭环,支持市住建局、运营公司、辖区城管等多部门协同。

4.3 数据治理
构建轨道沿线“数字孪生一张图”,整合BIM、GIS、管线、地质、巡查、监测六类数据,建立统一时空基准(CGCS2000+1985国家高程),实现二三维联动、多时相对比。

5 关键技术研究
5.1 复杂城市场景下的小目标检测
针对无人机高空拍摄目标像素占比<0.1%的问题,引入SPD-Conv模块与可变形注意力,构建DR-YOLO网络,在自建D-Dataset(4.2万样本)上,小目标召回率提升18.7%。

5.2 红外-可见光双模态融合
采用中间层融合策略,利用红外抗雾与可见光纹理互补,夜间施工机械识别F1-score提升至0.90,较单可见光提高14%。

5.3 边缘智能压缩
使用知识蒸馏+INT8量化,将模型从152 MB压缩至18 MB,部署在机载边缘盒(NVIDIA Jetson Orin Nano),推理速度28 FPS,功耗<15 W,满足45 min长航时需求。

5.4 航线自适应优化
提出基于风险热度的动态航线调整算法,融合历史隐患、地质雷达监测、周边施工许可数据,利用强化学习(PPO)实时更新航线,使高风险区域巡查频次提升3倍,低危区域飞行里程减少35%。

6 应用流程
Step1 月度计划:平台根据风险热度、天气空域、空勤资源自动生成月度计划,一键下发至机巢。
Step2 自动起降:机巢接收到任务后,无人机关舱门→自检→起飞,全程无需人工干预。
Step3 实时监测:视频流通过5G回传,AI实时推理,发现异常即弹出告警窗口,并截图存档。
Step4 人工复核:值班工程师使用电子沙盘量测、叠加红线,确认后触发工单。
Step5 现场处置:城管/运营人员携带APP导航至隐患点,拍照取证、录入处置结果。
Step6 数据分析:平台统计“隐患类型—区域—时间”三维分布,输出《地保风险白皮书》,供管理层决策。

7 实施成效
2023年8月至2024年7月,累计飞行2 816架次、巡查面积1 620 km²,发现异常312处,其中重大隐患45处,全部在4 h内完成闭环。同比人工巡查:
(1) 人工成本:由360万元/年降至175万元/年,节省51.4%;
(2) 巡查频次:核心区由1次/周提升至3次/周;
(3) 识别准确率:人工现场复核确认率92.4%,远高于人工巡查的63%;
(4) 证据链完整性:无人机4K视频+红外+坐标+时间戳,实现司法级取证,全年处理外部侵权赔偿案件12起,胜诉率100%。

8 创新点
(1) 行业首创“机巢+红外双光+AI+数字孪生”四位一体地保巡查体系;
(2) 构建地铁保护区专用数据集与算法仓,填补国内空白;
(3) 提出“风险热度-航线-算力”三元协同优化方法,实现巡查资源最佳配置;
(4) 打造市-局-企三端协同的闭环处置机制,形成可复制的“南宁模式”。

9 展望
下一步将引入eVTOL(电动垂直起降)载人无人机实现突发事故2 h内专家空降现场;探索“无人机+探地雷达”一体化装备,对空洞、脱空等隐伏病害进行智能识别;同时对接市级CIM平台,推动地保数据与城市规划、施工许可、气象预警等多维联动,实现从“被动巡查”到“主动防控”的范式升级。

参考文献(节选)

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