无人机在受损铁轨检查中的应用

李悦霖

无人机的行业应用在不断扩展，受损铁轨检查成为无人机的新疆域。美国的BNSF铁路公司在该领域积极探索。

关于商业无人机系统（UAS）的许多议论焦点都集中在计划中的包裹交付使用上。但一家货运铁路公司在2015年被选为美国联邦航空管理局（FAA）最初的“探路者”合作伙伴之一，它已经看到了将无人机用于多种用途的好处。

FAA选择了BNSF铁路公司来测试无人机的超视距（BVLOS）飞行，这种能力被认为是包裹递送和其他运营在商业上取得成功的关键，但只能通过豁免实现。

这家铁路公司通过与FAA的持续合作，继续研究无人机在超视距操作时的探测和规避技术。

BNSF报告说，它的无人机飞行员已经飞行了800个超视距小时，覆盖24000mi（38624km），并飞行了2000个视距小时。该公司已经培训了130名员工在各种视距下模拟飞行。

BNSF总部位于沃思堡，在全美2 8个州和加拿大三个省运营32500mi（52304km）的铁路网。20侣年，该公司运输了1070万车粮食、消费品、工业品和煤炭。

BNSF的超视距无人机是重110lb的混合四旋翼HQ-60无人机，BNSF使用特殊适航证书和FAA的授权证书飞行该飞机以检查其铁路基础设施。

今年4月，FAA根据第44807条“特定无人机系统的特别授权”，给予BNSF公司对其第61部（飞行训练）和第91部（一般操作和飞行规则）的多项豁免。该条款包含在FAA 2018年重新授权法案中，允许该机构使用基于风险的方法批准重量超过55lb的无人机飞行。

BNSF电信主管托德·格拉茨表示，“这些豁免允许BNSF不再使用以前授予的证书，这些操作一旦部署，就不会使用追踪机或目视观察员来监控飞行。”

他补充说，这些豁免“实质上简化了我们的飞行操作和权限，同时与FAA的倡议保持一致，扩大基于安全的无人机操作在国家空域系统中的使用。”

HQ-60是一种双吊杆固定翼飞机，四个旋翼分别嵌入两个纵向吊杆，使其能够垂直起飞和降落。在翼载飞行时由一个二冲程活塞发动机和主机身后部的推进螺旋桨提供动力。该飞机能携带12lb的有效载荷，续航时间达8h。

位于亚利桑那州图森市的LatitudeEngineering公司开发了HQ-60的混合四旋翼技术设计。L3技术公司（现为L3Harris技术）于201 8年6月收购了Latitude Engineering。

BNSF按需部署飛机，检查亚利桑那州、蒙大拿州和新墨西哥州的铁路基础设施。BNSF在加州、科罗拉多州、俄勒冈州和得克萨斯州有另外的飞行走廊。

托德·格拉茨解释说：“通过HQ-60无人机上配备的高分辨率的昼/夜摄像机以及多频谱和热传感器，再结合广泛的无人机技术和分析软件，我们可以检测到随着时间推移可能影响我们网络的变化。”

为维护铁路网安全和效率的“补充资产检查”可覆盖BNSF在农村地区拥有的100～200mi（160～320km）铁轨段。HQ-60无人机配备了uAvionix ping200Sr模式S自动相关监视广播（ADS-B）输出转发器，以信号告知其位置。

HQ-60无人机的机组人员包括机长（PIC）和副驾驶（SIC）。当公司沃斯堡无人机总部的机组人员在不同的州驾驶无人机时，BNSF会安排一个现场团队来协助发射。外场团队负责燃料、储存、维修和部署援助，并有能力在需要时接管飞行。

飞行中心的机长和副驾驶通过一组贯穿于整个飞行路线的柯林斯地面控制与非有效载荷通信（CNPC）数据链无线电来控制HQ-60无人机。当无人机飞行时，机上无线电在基地无线电位置之间漫游，在给定的时间内使用信号最好的无线电。

无人机的位置由L3Harris ADS-B接收机跟踪，也可以选择使用沿飞行路径布置的近距雷达来跟踪。基于Web的L3Harris RangeVue态势感知工具融合了来自当地基础设施和FAA空中交通监视的数据，向飞行员提供操作区域的通用显示。

同时，BNSF还培训员工操作更小型的FireFly、AirRobot和大疆固定翼和旋翼无人机进行视距飞行。根据FAA第1 07部规定，无人机的重量低于55lb。BNSF称其是第一家获得豁免可在夜间和在移动地面控制站飞行无人机的公司。

托德·格拉茨说，视距操作员负责的领域是协助检查、环境评估、安全、测量、服务中断和天气响应需求，

以前，当洪水破坏铁路服务时，首先由BNSF的员工评估损失，制定恢复计划，评估方式通常是沿着受灾害影响的铁轨步行。BNSF表示，今年夏天美国中西部几个州发生历史性的洪水造成了大面积的洪水泛滥，使得这种人工评估方式变得尤其困难。

无人机外场操作经理尼克·德赖尔在BNSF的“铁路谈话”博客上说：“一些地区洪水非常严重，除非坐船，否则无法进入铁轨段。我们没有采用惯常的评估方式，而是使用无人机在2mi（3.2km）的视线范围内根据飞机的情况飞行，这使我们能够在保证员工安全的同时获取大量数据。”

托德·格拉茨说，在中西部洪水最严重的时候，有18个BNSF铁路分区被破坏。他说：“我们的铁路网现已全面运作，很大程度上是因为我们在当地的工作人员能看到受损情况并正确解决待援助地区的问题。由于洪水的影响，从地面接近很困难，我们的无人机视距操作团队能利用无人机捕获82段与洪水有关的铁轨数据，从而获得有价值的图像、录像和恢复规划数据，为这项工作提供帮助。”

与航空公司使用无人机检查飞机涂层或结构的损坏情况相似，BNSF铁路公司也使用无人机对8000个火车头进行了检查。

无人机运营经理凯瑟琳·布拉姆莱特在“铁路谈话”博客中写道：“当车头从仓库出来时，乘务人员通常会爬上机车顶部检查以确定是否需要更换部件，每辆机车大约需要检查一个小时。但我们现在可以用无人机飞行15～30min，评估该地区所有的车头，只需派乘务人员去那些需要收尾的地方。”

BNSF铁路公司还使用视距无人机来检查“动态球体”，即安装在桅杆上的球形穹顶，用于铁路电子设备和建筑物的防雷保护。使用无人机后，工作人员不用爬上设备就能确定球体是否受损和是否需要更换。

托德·格拉茨说：“归根结底，无人机是降低员工暴露于未知风险的多种手段之一。BNSF公司的工作环境虽安全但并不友好，因此任何能提升铁路安全同时能降低员工操作风险的工具都是有价值的。”