作为现代综合运输体系的核心枢纽,高速公路的安全运行水平对经济社会发展会产生深远影响。传统巡检模式以人力巡视为主要形式,实际作业中会出现巡查效率低下、安全隐患突出、数据更新滞后等问题。随着飞行器技术的迭代升级,空中机器人逐渐成为路网巡检的关键技术手段。现行无人机巡检方案仍面临传输时延较大、远程操控可靠性不足等现实挑战。第五代移动通信网络的商用部署为空中巡检装备提供了强健的通信保障,从数据吞吐量到网络可靠性都实现了代际提升,这种技术耦合效应正持续推动新一代智能巡检体系在道路基础设施管理领域落地生根。
1.“5G+无人机”技术概述
1.1 5G技术特点
建设“5G+智慧公路”,以智慧公路服务于“安全、管理、服务”为总体目标,定位为解决实际问题及引领未来智慧公路发展作为移动通信领域核心力量。5G技术展现出三大核心特征:(1)高带宽:5G网络峰值速率达到数十Gbps级别,海量数据传输需求得到充分满足,基于该特性的实时视频监控系统正重构高速公路巡检模式,路面异常状态识别时效性提升。(2)低时延:网络延迟压缩至毫秒级维度,即时响应系统构建获得技术支撑,应急指令传输与设备操控形成双向闭环,当桥梁裂缝检测系统触发报警时,操控中心响应速度较4G时代提升。(3)大连接:单平方公里区域支持百万设备接入,使得路侧单元部署密度突破传统限制,路基沉降监测仪与气象传感器组成的物联矩阵,可与空域作业的多架无人机实现毫秒级数据交互。
1.2 无人机技术特点
无人驾驶飞机简称无人机,英文简称“UAV”(unmanned aerial vehicle),是一种利用无线电遥控技术和自备程序控制装置的不载人飞行器。航空器演进史掀开新篇章,旋翼飞行器呈现多项技术突破:(1)灵活性强:无人机配置垂直升降模块,复杂地形巡检作业具备突出适应性,山区公路连续弯道监测场景中,机动性能指数较车载设备提升,海拔落差300米路段可实施连续性数据采集。(2)监测范围广:集成多光谱感知模块的无人机系统,高速公路全路段扫描效率提升显著,雷达成像单元与红外相机协同运作时,单架次有效巡检里程从12公里拓展至35公里,沥青路面微裂缝检出率超过90%。(3)成本低:无人系统全生命周期成本显著低于传统飞行器,周期性巡检任务的经济性优势持续凸显。
2.“5G+无人机”技术在高速公路巡检中的实践应用价值
2.1 巡检效率提升
空中设备巡航速率显著超越传统方式。基于人工的巡查需要长时间分段步检,耗时久且受制于地形与路况。山区高速路况复杂时,地面交通受阻导致人工巡检停滞,搭载智能视觉系统的飞行器可以轻松跨越障碍,单次任务覆盖数公里路段;精准捕捉路基裂纹、桥梁位移、涵洞渗漏等结构异常,建立全路域动态监测网络。结合5G网络大带宽特性,巡检素材秒级回传控制中心,在作业周期压缩的同时,数据采样密度提升三倍。
2.2 安全性增强
机械自动化方案消除传统模式下的多重隐患。分段步检的养护人员在车流中穿行、攀爬高架桥的作业方式隐含多重风险,遇到雨雪极端天气更会加剧操作难度。遥控设备的介入使勘察人员退至指挥台,物理接触路面的频率降低。深度学习算法持续优化避障路径规划,失误率控制在0.3%以内;云端数字孪生系统同步构建三维路网模型,在潜在塌方区域提前标注,风险处置响应时间缩短。
2.3 数据实时性提高
5G通信体系构成技术方案的关键支撑。每平方公里巡检数据流的传输时长从传统4G网络的3分钟压缩为700毫秒,实现了实时回传;路侧边缘计算节点自动提取裂缝宽度、沉降幅度等18项核心参数。突发性路面坑槽在形成12秒内触发预警信号,车流量调控预案随即启动。道路养护部门依据毫米级精度的点云数据,可精准核算施工材料用量,维修窗口期由平均6小时缩减至90分钟。
2.4 决策支持优化
巡检数据动态采集触发业务系统多维度运算解析,为决策规划提供实时数据支撑,云端部署的大数据架构持续分析道路状态变化,动态识别安全隐患自动生成养护方案,提升维保措施执行效率。检测到道路裂缝或沉降现象时,平台毫秒级生成处置预案,基于行为数据建模预判周期性养护节点,科学调配施工资源,维持路网通行效能。
3.“5G+无人机”技术在高速公路巡检中的应用设计
3.1 系统架构
基于5G网络与无人机技术的高速公路巡检体系包括四部分核心组件:飞行设备载体、第五代通信系统、中央控制平台、应用模块。每个构成单元都存在独特价值,并形成功能闭环。
3.1.1 飞行设备载体
作为系统物质基础,配备高性能传感器设备的飞行单元承载着数据获取功能。典型配置方案包含4K摄像装置、红外热成像设备、激光距离测量仪,覆盖不同维度的路面信息采集需求。数字成像器件可以捕捉沥青表层可见损伤,裂纹、凹陷等缺陷清晰显现。热信号监测仪器能够识别温度异常区域,暗示潜在结构缺陷或积水隐患。非接触式激光器可以构建道路三维模型,辅助测算交通标识物尺寸参数。
3.1.2 第五代通信系统
实现每秒吉比特级传输速率的蜂窝网络,构成关键信息链路,相较于前代通信协议,传输时延缩减至毫秒量级、频谱效率提升十余倍,高清视频流与热力分布数据实现无卡顿回传。覆盖范围延展使得长距离跨区域巡检成为可能,连续飞行30分钟无须更换基站节点。
3.1.3 中央控制平台
具备多维度管理能力的云端处理中枢部署多种功能模块,可进行实时飞行轨迹监控、任务序列生成、原始数据清洗等。操作者能同步查看六旋翼飞行器的高度坐标、电池余量、传感器工作参数。设备集群调度系统支持多架无人机协作执行任务,动态调整优先级队列,分析引擎对原始图片进行边缘计算,标注异常坐标并生成初步诊断结论。
3.1.4 应用模块
数据价值转化层对接具体养护业务场景,根据异常坐标分布自动生成工单派发至维修班组。系统内置道路健康评估模型,结合历年检测报告预测结构性能衰减曲线。依据裂缝宽度、坑洞深度等量化指标触发不同响应等级,决策周期由传统72小时缩短至6小时以内。
3.2 关键技术
3.2.1 飞行器自主作业
预设航路规划技术支撑无人值守巡检模式,三维轨迹算法融合道路线形参数与气象监测数据。避障雷达实时扫描障碍物空间坐标,飞控计算机以每秒50次频率修正航向角与高度值,多模态环境感知系统消除恶劣天气干扰。电池管理系统动态计算剩余航时并触发自动返航指令。同时,异常特征捕捉算法自动标定桥梁伸缩缝位移、隧道衬砌脱落等结构缺陷。当横向裂缝宽度超过设定阈值时,GIS地图标记告警坐标并通过短信网关触发三级应急响应流程。
3.2.2 低时延数据传输
物理层正交频分复用技术将信道传输延迟压缩至10ms以内。1.8GHz频段专网保障多路4K视频同步回传,信道编码方案有效对抗多普勒效应造成的信号衰减。视频流分辨率达3840×2160像素,单日巡检数据量突破3TB,全帧率解码工作站支持十六画面同屏显示,关键帧截取耗时控制在200毫秒内。
3.2.3 远距操控系统
基于TCP/IP协议的分布式控制系统支持跨省域设备操控。操作台配备六自由度摇杆与触控面板,飞行参数变更指令可在800毫秒内完成闭环。在遭遇突发强风或电磁干扰时,应急切换模块立即将控制权移交人工操作模式,双冗余链路设计确保信号失联概率低于0.03%。
3.2.4 智能数据处理
卷积神经网络对巡检图像进行语义分割,将道路表面像素归类为正常、龟裂、沉陷等7种状态。点云数据经过配准拼接形成厘米级精度三维模型,机器学习模块每月迭代缺陷识别模型,误报率从初始15%逐步降至4.7%。预测性维护方案依据路面疲劳损伤模型推算最佳养护时间窗口,材料用量预算误差缩小至±5%区间。
4.“5G+无人机”技术在高速公路巡检中的实践应用案例分析
4.1 桥梁巡检
高速公路桥梁承载着交通运输的重要功能,结构是否稳定直接影响道路安全,常规检测依赖技术人员攀爬观察,效率低且存在视觉盲区。传统光纤专网的建设成本高,业务开通时间长,在桥梁高架等特殊地形场景下有较大局限性,无法满足广域的泛在接入需求。而搭载高清摄像头与红外热像仪的巡检无人机可打破传统作业模式,实现多维度立体化检测。同时,空中设备持续捕捉桥体表面细节,高分辨率传感器精准识别0.2毫米级裂缝,金属构件的氧化痕迹、混凝土剥落现象一览无余,热成像系统同步监测应力集中区域温度场异常,深层结构隐患被提前预警。此外,5G网络构建即时数据传输通道,每秒1GB的传输速率保障毫米波雷达扫描数据即时回传,边缘计算服务器同步生成三维点云模型,维护团队可随时调取动态监测图谱,养护方案依托精准参数调整维护优先级。
例如,湖北交投智能检测股份有限公司的京港澳高速改扩建汉江特大桥颇具代表性,公司通过“互联网+智能监测”的创新模式,运用北斗卫星导航技术、5G移动通信技术,采用GNSS、电阻式压力环等自动化监测设备,对塔偏、索力等参数进行实时在线监测,确保桥梁建设全过程关键参数得到准确及时的“诊断”,极大地提高了监测效率和准确性。
4.2 路况监测
随着无人机技术日趋成熟与5G网络的全面展开,“5G+无人机”方案在高速公路巡检工作中日渐体现出其便利性和应用价值。在“5G+无人机”的支持下,旋翼飞行器与固定翼机型形成高低空协同观测网。
浙江省交通投资集团主导的高速公路巡检工作培训中,共15名无人机爱好者参加,培训包括理论知识素养和操控技能两大部分,内容涵盖了无人机系统组成、飞行原理和性能、无人机的发射和回收等。学员对这门新兴技术具有浓厚兴趣,在教员的带领下,大家主动学习了《无人机相关管理办法及民航相关规定》、无人机拆装注意事项、日常维护与保养维修等相关规定要求,并进行了无人机现场试飞操作。下一步,该单位将选拔一批业务骨干参加无人机驾驶资质考试。科技“利器”的运用将大大提高高速公路管理的工作效率及对突发事件、自然灾害的处置能力。突发性交通事件触发自动巡航机制,事故现场150米范围内3分钟内必有无人机抵达。同时,云计算平台整合浮动车数据与航拍影像,暴雨天气时仍能准确识别积水路段,拥堵成因分析精确到具体事故车辆,应急车道占用监测误差不超过0.5米,动态限速指令通过可变情报板15秒内完成更新。
4.3 应急响应
目前,利用无人机实现高速公路日常巡检和应急处置作业,已成为改变传统人工巡查作业方式、提升高速公路巡查养护和应急处置效率的创新模式。尤其是地质灾害导致道路中断时,垂直起降无人机穿透雨幕执行勘察任务,合成孔径雷达测绘滑坡体方量,倾斜摄影技术再现损毁桥梁三维形态。
例如,危化品运输车辆侧翻事故中,西安市交通运输综合执法支队利用智能5G布控球系统与无人机的积极配合,在西安北站地区进行了非法营运车辆信息的实时采集、预警、反馈,确保对长期盘踞在西安北站、曲江景区等重点区域的非法营运车辆的精准打击[13]。南京市大型商场火灾应急处置演练案例中,无人机被操控升空,对火场进行全方位俯瞰,实时监测火情动态。通过无人机传输的高清热成像画面,高喷车得以精准定位并迅速灭火,确保了救援工作的高效与及时[14]。
结语
“5G+无人机”技术的应用重构了传统作业模式,效率得到优化,人力投入有效削减,桥梁巡检、路况监测、应急响应精度显著提升。基于5G通信网络的集中管控平台支撑起系统性革新,实时数据得以同步传输,远程指令精准操控,智能管理模块逐步完善,巡检体系的数字化迭代已然展开。5G与无人机的深度融合将深入参与高速公路系统运作,交通流态智能调控机制逐步成型,路网通行潜力持续释放。