БПЛА в транспортной сфере: инспекция дорог, мостов и железнодорожной инфраструктуры

Дороги, мосты и пути изнашиваются быстрее, чем их успевают осматривать. Автодороги, путепроводы, железнодорожные линии, причалы и терминалы тянутся на сотни километров, а осмотр до сих пор держится на выездах бригад, актах и фотографиях. Поэтому от БПЛА в транспортной сфере ждут другого ритма работы: участок облетают регулярно по одному и тому же маршруту, и служба получает перечень дефектов с привязкой к километражу по всему участку, без выборочных выездов после жалоб.

Дрон с одной камерой добавляет к процессу еще один источник фотографий, которые кто-то должен разобрать вручную. Чтобы облеты шли по графику и давали готовый результат, нужна программная платформа: автономное выполнение маршрутов, обработка данных на борту, расписание облетов и передача результата в системы, где служба уже планирует ремонты.

Почему бригады не успевают за износом дорог и мостов

Обычный осмотр устроен как цепочка выездов. Бригада едет на участок по графику или после обращения, фотографирует, составляет акт, и акт попадает в систему учета через несколько дней, а то и недель. Между выездами покрытие, откосы, пролетные строения и контактная сеть остаются без контроля, и дефект часто замечают, когда профилактикой уже не обойтись и нужен дорогой ремонт.

Для линейных объектов такая схема не масштабируется. Управляющая компания автодороги отвечает за сотни километров, дистанция пути — за рельсы, насыпь, переезды и полосу отвода на всем протяжении. Объехать все с нужной периодичностью силами бригад дорого, поэтому периодичность осмотров на деле задают число людей и машин в службе. Состояние объекта часто требует бывать на участке чаще.

Тяжелее всего с труднодоступными местами. Нижние пояса пролетных строений, опоры мостов, высокие насыпи, подпорные стены и крановые пути в порту требуют автовышки, промышленных альпинистов или перекрытия движения. Их осматривают реже остального, хотя как раз здесь развиваются самые опасные дефекты.

Есть и проблема сравнения. Два осмотра одного участка, сделанные разными людьми в разное время, трудно сопоставить: другой ракурс, другое освещение, другие формулировки в акте. Служба знает состояние участка на дату осмотра, а для решения о ремонте ей нужна динамика. На одной фотографии трещина, которая не растет, и трещина, удвоившаяся за сезон, выглядят одинаково.

Четыре направления, где дрон действительно помогает

Дрон полезен там, где объект тянется на километры, осматривать его нужно регулярно, а часть элементов не достать без вышки. Он каждый раз летит одним и тем же маршрутом, у каждого снимка есть координаты и время, а программа сама превращает снимки в список отклонений. Отраслевые сценарии собраны на странице решений Wheelies для транспорта; ниже — четыре направления, с которых обычно начинают.

Автомобильные дороги и обочины

Съемка с малой высоты дает ортофотоплан дороги, на котором видны трещины, выбоины, колея и разрушенная кромка. Нейросеть сама размечает дефекты дорожного покрытия, а координаты пересчитываются в километраж, так что в задании на ремонт сразу указаны километр с пикетом и полоса, например км 112+350, правая полоса. Тот же облет показывает обочины, ограждения, знаки и водоотводные лотки, а после паводка или снегопада — где размыло насыпь и куда направлять технику.

Мосты и путепроводы

На мостах дрон берет на себя самую трудоемкую часть осмотра, и движение при этом перекрывать не нужно. Мультикоптер снимает пролетные строения снизу, опоры и деформационные швы с близкого расстояния, а из снимков собирается 3D-модель сооружения, на которой отмечены трещины, сколы, коррозия и следы протечек. Под пролетом спутниковый сигнал отражается от конструкций или пропадает, поэтому дрону нужна навигация по визуальным данным и инерциальной одометрии, иначе самые важные элементы останутся неснятыми.

Железнодорожная инфраструктура

На железной дороге беспилотник облетает путь и балластную призму, насыпь и водоотвод, контактную сеть, переезды и полосу отвода. Модель находит размывы, растительность в полосе отвода, провисшие провода и поврежденные опоры контактной сети. Все привязывается к пикетажу, так что дистанции пути не нужно ничего пересчитывать. Маршрут прокладывают над полосой отвода, с ограничениями по высоте и расстоянию до контактной сети под напряжением.

Порты, терминалы и логистические площадки

В порту и на терминале дрон проверяет причальные стенки и крановые пути, покрытие площадок и заодно показывает, где фактически стоят контейнеры и техника. Если снимать площадку регулярно, видно, насколько загружен терминал и где покрытие пора ремонтировать. Логистический оператор получает объективную картину площадки на конкретную дату, и для этого не нужно обходить территорию пешком или останавливать погрузку.

В городе все то же самое работает на улицах и городских мостах — об этом в статье Цифровой контроль городской инфраструктуры.

Почему одного дрона с камерой мало

Пилотный проект внедрения с одним дроном и камерой часто заканчивается тем, что служба получает папку с тысячами снимков, которые инженер просматривает вручную. Время, сэкономленное в воздухе, уходит на разбор снимков. Сравнить два облета тоже нельзя, потому что маршрут каждый раз прокладывают заново.

Когда дрон работает внутри программной системы, маршрут вдоль трассы сохраняется и повторяется с той же высотой, скоростью и перекрытием снимков, поэтому облеты можно накладывать друг на друга. Дефекты ищутся автоматически, в том числе прямо на борту, и на землю передаются найденные отклонения с координатами. Результат сразу попадает в систему, где служба планирует ремонты.

Чем больше сеть, тем заметнее разница. Пока участок один и дрон один, оператор справляется вручную. Но у управляющей компании десятки участков с разными регламентами, у оператора железной дороги — дистанции пути в разных регионах, у порта — несколько терминалов. Когда облетов больше, чем один человек успевает запустить и разобрать, нужна система, которая управляет всем парком: расписание, распределение миссий между аппаратами, общая история и единые правила обработки данных.

Wheelies: как это устроено

Платформа Wheelies состоит из двух частей. AI Captain — операционная система, которая ставится на бортовой компьютер дрона и делает его автономным: автопилот ведет аппарат вдоль трассы и корректирует траекторию, а система в реальном времени распознает опоры освещения, провода и кроны деревьев и перестраивает маршрут без оператора. Если под пролетом моста или в выемке пропадает спутниковый сигнал, миссия продолжается по визуальным данным и инерциальной одометрии. Нейросетевые модели для дефектов покрытия, размывов и провисания проводов работают прямо на борту. Как устроен такой конвейер, разбираем в статье Детекция объектов с дрона.

Вторая часть — веб-платформа Командный центр. Здесь маршруты хранятся как библиотека, облеты повторяются по расписанию (покрытие — ежемесячно, мосты — по регламенту, откосы — после осадков), миссии сами распределяются между аппаратами на разных участках, а весь парк с телеметрией виден на одной карте. История миссий копится в Хранилище данных: по ней видно, как быстро разрушается покрытие на конкретном километре, где ремонт держится годами, а где его приходится повторять каждый сезон.

С инфраструктурой заказчика платформа связана через REST API. Дефект из облета появляется как задача в системе управления активами или в ГИС без ручного переноса, а статус ремонта возвращается обратно и проверяется следующим облетом. Данные о состоянии дорог и сооружений часто нельзя отправлять во внешнее облако, поэтому Командный центр ставят на серверы заказчика или используют в гибридном режиме, а на удаленном участке без связи работает полевой центр управления, который синхронизируется, когда появляется сигнал.

Аппараты могут быть разными: дрон самолетного типа с вертикальным взлетом проходит десятки километров трассы за один вылет, мультикоптер снимает деформационный шов у опоры, наземная платформа проходит тоннель там, где полет невозможен. AI Captain совместим с большинством дронов на полетных контроллерах ArduPilot, INAV и PX4, а бортовым компьютером служит Orange Pi 5 или NVIDIA Jetson, когда на борту работают нейросетевые модели и обработка видео. Поэтому парк собирают под задачи конкретных участков и под каждую подбирают подходящий тип аппарата.

Роли в системе разделены: оператор запускает и контролирует полеты по карте и телеметрии, аналитик работает с результатами детекции и историей, руководитель видит, как выполняется регламент по всей сети. Банк ИИ позволяет брать готовые модели для дефектов покрытия и загружать собственные, обученные на снимках конкретной дороги или типа сооружения.

Аппараты подешевеют, но решать по-прежнему будет программа

Аппараты будут становиться дешевле, камеры — лучше, аккумуляторы — емче. Службе эксплуатации при этом по-прежнему нужно свести состояние сотен километров инфраструктуры в упорядоченный список работ и подтвердить, что работы выполнены. С этой задачей справляется программное обеспечение, и от него зависит, войдет ли дрон в ежедневный процесс. Поэтому при выборе решения служба сначала разбирается, как данные с дрона попадут в план ремонтов, и уже потом подбирает модель аппарата.

Следующий шаг после регулярных облетов — цифровой двойник дороги или сооружения. Ортофотоплан, 3D-модели мостов, история дефектов и выполненных ремонтов собираются в одну модель участка, которая обновляется после каждого облета. С такой моделью ремонт можно планировать заранее: по скорости развития дефектов система прогнозирует, когда участок дойдет до предельного состояния, и дорогу ремонтируют до появления выбоин и обращений водителей. Как строятся такие модели по данным с дрона, разбираем в статье Картографирование с помощью дронов.

Ограничения при этом никуда не исчезают. Использование воздушного пространства регулируется законодательством, и для полетов вдоль дорог и железнодорожных путей могут потребоваться согласования. На трассе вне населенных пунктов нет устойчивой связи, погода сокращает окна для полетов, а дальность одного вылета ограничена аккумулятором. Эти ограничения закладывают в проект: ставят точки взлета вдоль трассы, настраивают работу без постоянного соединения, составляют расписание с учетом погоды. Сделать это проще, если систему с самого начала проектируют под регулярную эксплуатацию.

В такой схеме дрон собирает данные по графику, платформа обрабатывает их и передает в план ремонтов, и служба принимает решения по готовому перечню дефектов.

— Что на дороге, железной дороге или в порту можно осматривать дроном?

Автодороги с обочинами, мосты и путепроводы, железнодорожные пути вместе с полосой отвода и контактной сетью, а также порты, терминалы и логистические площадки. Длинные участки удобнее проходить дроном самолетного типа (VTOL), а опоры, пролеты и узлы — снимать вблизи мультикоптером с камерой высокого разрешения.

— Чем облет дроном лучше обычного объезда участка?

После объезда остаются фотографии и акт на конкретную дату, и сравнить их с прошлыми трудно. Дрон каждый раз летит по сохраненному маршруту, с той же высоты и над теми же точками, поэтому облеты можно сравнивать между собой: видно, растет ли трещина и как покрытие меняется от сезона к сезону. У каждого дефекта есть координаты и километраж, и он сразу попадает в перечень работ.

— Можно ли летать там, где нет связи и пропадает спутниковый сигнал?

Да. AI Captain выполняет миссию сам и не требует постоянного соединения с сервером: если спутниковый сигнал пропадает под пролетом моста или в выемке, дрон продолжает лететь по визуальным данным и инерциальной одометрии, а собранные данные уходят в Командный центр, когда появляется связь. При этом использование воздушного пространства регулируется законодательством, и для конкретных полетов могут понадобиться согласования.

— Какие дефекты дрон находит на дороге и на мосту?

На дороге — трещины, выбоины, колею, просадки, стертую разметку, состояние обочин и водоотводных лотков. На мосту — трещины и сколы бетона, коррозию металлоконструкций, состояние опорных частей, деформационных швов и пролетных строений. Нейросеть отмечает дефекты на снимках, а координаты привязывают каждый к километру и конкретному элементу сооружения.

— Можно ли сразу передавать дефекты в нашу систему учета или ГИС?

Да, через REST API Командного центра: перечень дефектов с координатами, снимками и датой уходит в ГИС или систему управления активами заказчика, и там формируется план работ. После ремонта повторный облет по тому же маршруту показывает, что работа выполнена.

— Сколько километров дрон пролетает за один вылет?

Зависит от аппарата и задачи. Мультикоптер за вылет проходит несколько километров с детальной съемкой, дрон самолетного типа (VTOL) — десятки километров трассы. Для регулярной работы трассу делят на участки с точками взлета, а облеты повторяют по расписанию.