1 概述

随着地铁里程不断增长，沿线基础设施巡检需求日益受到重视。传统巡检方式主要依赖人工徒步检查或借助轨道车完成定期巡检、故障反馈巡检及专项巡检。然而，这些方法存在效率低（例如沿线基础设施及其环境大范围巡查）、危险作业（例如桥梁高空巡检）、存在检测盲区等问题，难以满足轨道交通现代化运维需求。

地铁巡检作为低空经济的典型应用场景之一，为“低空+轨道”新模式的加速布局提供了场景与应用支撑。低空无人机具有作业灵活、作业范围广、效率高和成本低等优点，为地铁及周边环境高效巡检提供了新手段。然而，地铁设施往往位于城市繁华地带，一旦发生安全事故就会造成重大财产损失甚至人员伤亡。根据《民用无人驾驶航空器运行安全管理规则》^[1]第92.537条的要求，无人机在飞行前和飞行中需要进行空域风险评估，以确保飞行安全、合规和高效。在地铁巡检场景的研究和应用中，为保障低空经济健康发展，安全运行评估必不可少。

国内外的研究人员对于无人机的安全运行评估开展了一些研究。文献[2-3]通过评估无人机运行的综合风险并生成风险地图来指导路径规划。文献[4]研究了城市低空环境下无人机(UAV)运行的安全风险问题，研究表明，无人机电池故障（60%）、环境障碍物（79%）是影响无人机运行过程的主要风险因素。文献[5-6]研究了通过引入无人机智能巡航技术来提高输电线路的安全性和巡检效率的技术方案。文献[7]指出，低空任务空域中无人机与建筑物之间可能发生的碰撞风险与多种因素相关，包括飞行速度、空域范围、建筑基地使用面积、建筑物高度分布及无人机机型等。文献[8-10]研究了无人机在地面撞击时的风险评估方法，强调了风险控制的重要性。文献[11]通过分析不同型号无人机的失控模式及其对地伤亡风险，并结合地理围栏、人口密度、障碍物等因素进行风险评估，对无人机飞行路径进行合理规划，显著降低无人机的安全风险。文献[12-13]对物流无人机在运输过程中可能对地面人员造成的风险评估，构建了全面的风险评估矩阵。文献[14-15]对真实无人机碰撞事故案例进行分析总结，提炼出主要风险因素，并针对设备因素、人员因素和运营环境提出了具体的防控措施。文献[16]探讨了民用无人机在当前快速发展背景下的风险识别及相应的关键技术指标。文献[17]研究了无人机在城市空域运行时的安全风险评估模型。文献[18]探讨了低空外卖配送场景下的无人机运行风险评估流程。文献[19]研究了利用无人机技术在铁路编组站进行智能巡检的技术方案，实现编组站管理智能化。文献[20]研究了轨道交通基础设施自主无人机智能巡检技术的现状与未来发展趋势，并展示了京沪高铁基础设施无人机巡检系统等工程案例。文献[21]设计了一种协同智能感知与精密定位的低空铁路无人机巡检方案，解决了空-地巡检模式下无人机智能感知、精密定位、感知与定位协同的问题。文献[22]提出使用无人机结合 3DGIS、北斗高清定位、AI 图像识别、机载传感和数字孪生等技术，在铁路货场、编组站、施工及应急管理等场景中进行智能巡检、安全管控、应急管理和远程调度等应用的解决方案。

综上所述，当前的研究缺乏对无人机飞行过程的全流程进行评估。本文将结合无人机的地铁巡检场景，对无人机的运行安全风险评估方案开展研究和探讨。

2 地铁巡检无人机飞行面临的运行安全问题

复杂环境导致的飞行风险——地铁线路大多穿越城区腹地，飞行环境错综复杂。地铁高架区段周边高层建筑物林立，无人机飞行容易发生碰撞。地铁地下区段往往是人群车流密集区域，无人机一旦发生坠落，极易酿成重大安全事故。部分城市的地铁线路需要穿越山地等复杂自然环境，通信信号易受地形遮蔽影响导致通信终端，山区风向多变且易产生强紊流（如山谷风），使无人机状态失控，增加碰撞或坠毁的风险。此外，城市上空军事禁飞区、机场净空区较多，地铁与其余公共交通设施的立体交叉也使飞行空域更加拥挤，对航线规划约束比较多。复杂的环境使得地铁无人机巡检作业面临的飞行风险较高。

无人机飞行与地铁运营安全协调问题——无人机飞行可能对地铁运营安全产生干扰。无人机飞行时可能因误入列车运行线路，引起列车紧急制动，极易引发追尾或停运事故，若处置不当，极易危及地铁系统的安全稳定运行。如何在确保安全运营的前提下，协调好无人机巡检与地铁正常运营的关系，是无人机地铁应用必须考虑的现实课题。

设备故障引发的飞行事故风险——地铁无人机巡检大多采用民用级无人机，其性能稳定性和抗干扰能力不足，易发生故障。无人机在飞行过程中若发生动力系统故障，如电机烧毁、电调失灵等，极易造成失控坠落；若出现飞控系统故障，无人机将失去控制，撞向建筑物或列车；若发生通信系统故障，地面站无法实时监控无人机状态，无法及时处置突发情况，导致事故发生。地铁巡检环境的特殊性也是导致设备故障的重要诱因。在高架桥梁和隧道附近，无人机受到的电磁干扰较大，信号遮蔽、图传失真等通信故障更易发生；长时间在户外恶劣环境下作业，高温、雨雪天气也会加剧设备老化。

综合上述分析结果，无人机在地铁巡检中的安全风险来自人员、环境、设备和管理4个方面。为地铁巡检场景构建安全风险评估机制，是应对复杂作业环境、保障公共安全及地铁安全运营的迫切需求。

由于无人机的飞行过程可以分为飞行前、飞行中、飞行后3个阶段。本文将根据3个阶段的实际情况，考虑人员、环境和设备等方面的因素，制定不同阶段的运行安全风险评估策略，实现对无人机飞行的全流程安全管控。

3 飞行前的运行安全风险评估

无人机飞行前的运行安全评估，是确保飞行安全、合规和任务成功的关键环节。根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》^[23]的规定：1）无人机需要符合国家强制性标准，必须配备唯一产品识别码，且中型及以上无人机需取得适航证书；2）操控员信息需接入民用无人驾驶航空器综合管理平台（简称UOM平台）。符合国家标准的无人机和操控员才可具备执行地铁无人机巡检任务的资格。

3.1 对人员的评估要求

起飞前，地铁无人机巡检系统（简称巡检系统）需要对操控员是否符合执行本次任务进行评估，即对人员进行评估。

首先，巡检系统应该评估操控员是否具备同级别或更高级别的无人驾驶航空器操作资质。巡检系统需要核实操控员的执照是否具备操控执行本次任务的无人机的资质。如果不具备，巡检系统将不允许执行本次飞行任务。

巡检系统应该评估操控员的操作记录。如果该操控员有多次违规记录，则不允许执行本次飞行任务。

巡检系统应当评估操控员的疲劳状况。如果该操控员当日已多次执行飞行任务，或者当日累计飞行时间较长，则不允许执行本次飞行任务。

地铁无人机巡检系统应当评估操控员的培训记录。在执行夜间巡检、雨雪冰冻等极端天气巡检任务时，应当选择已接受过相关培训的操控员或者拥有类似任务经历的操控员。 

综上所述，巡检系统在飞行前对操控员的资质、操作记录、飞行时间和培训记录进行统计，在开展飞行安全评估的同时，也可协助操控员提高操作技能。

3.2 对设备的评估要求

巡检系统使用工业级无人机，涉及的设备包括机巢和无人机，其中，机巢是为无人机提供自动化起降、充电/换电、环境防护、飞行数据下载/上传和任务更新等功能的智能地面基础设施，其价值在规模化、高频次的巡检作业中尤为重要。因此，在飞行前，巡检系统需要对机巢进行运行安全风险评估。

机巢开机后，与巡检系统建立通信连接，发送和接收数据报文。巡检系统解析机巢发送的数据报文，对机巢和无人机的状态进行安全风险评估，其中，应当满足以下要求。

1）无人机型号应当与待执行的飞行计划任务匹配，例如，执行雨雪冰冻等极端气象条件下的巡检任务时，应当选择防护性能较好、续航时间较长的工业级无人机。

2）机巢和无人机应当处于正常状态，无故障代码。

3）无人机的飞控系统、通信设备、导航设备（如北斗/GPS/RTK高精度定位系统）、感知设备（如RemoteID设备）、任务载荷处于正常状态。

4）无人机满足续航要求且电量充足，具备返航和强制降落的能力。

5）执行夜间巡检的飞行计划时，需要确保夜视设备、照明设备处于正常状态。 

如果上述要求无法满足，则巡检系统不允许该机巢内的无人机执行飞行任务。

此外，巡检无人机应当具备自主避障能力，以提高飞行活动的安全性。无人机应当能够通过传感器（如激光雷达、摄像头等）实时监测周围环境，识别并规避动态障碍物，利用AI算法预测动态障碍物的运动轨迹，提前做出相应的飞行调整。对于不具备自主避障能力的无人机，地铁无人机巡检系统不允许该型号的无人机执行飞行任务。

3.3 对环境的评估要求

地铁巡检无人机飞行涉及的环境要素较多，既有自然环境（如空域、气象、山地），也有人工环境（如通信/导航设施、高层建筑）。在起飞前，巡检系统需要对飞行计划中的航线途经区域的环境进行运行安全评估，识别出导致安全风险的因素，然后调整飞行计划。

3.3.1 对空域的评估要求

巡检系统在空域资源调查评估的基础上，划定禁飞区、限飞区和适飞区，从源头上为无人机飞行划定安全边界，针对军事禁区、机场净空区等划定禁飞红线，划定人口密集区、地铁高架线路、动态障碍物频繁出现的空域等区域为限飞区。在无人机执行飞行计划之前，巡检系统审核航线是否与禁飞区、限飞区发生冲突；如果出现冲突，则需要修改航线，重新制定飞行计划。

3.3.2 对气象条件的评估

无人机的安全运行高度依赖于气象条件。不良气象环境直接威胁飞行稳定性、导航精度以及巡检工作的顺利完成。在众多气象要素中，风、降水、能见度、温度4个核心气象要素对无人机的安全飞行有重大影响。

当风速超过10～12 m/s(5～6级)时，巡检系统使用的多旋翼无人机将会出现安全风险，如姿态控制系统过载导致电机功耗激增；导航信号受载体晃动影响而增大定位误差；无人机无法自主降落至机巢等。

当降雨量/降雪量超出无人机的安全运行范围时，机载电子设备的电路短路风险显著上升，螺旋桨受雨滴撞击影响产生高频振动导致轴承加速磨损。此外，冰雹、雷暴等强对流天气也会严重威胁无人机的飞行安全，严重时可导致无人机失控坠地。

当环境温度超出无人机的安全运行范围时，无人机易出现锂电池放电效率衰减、机体结构疲劳、传感器零漂现象加剧等影响飞行安全的现象。

当能见度较低，出现雾、霾、浮尘、扬沙和沙尘暴等天气现象时，无人机视觉避障系统有效探测距离下降，影响飞行安全。

巡检系统应当实时监测区域气象环境的变化，接收气象预报数据报文，在无人机执行飞行计划之前审核气象条件是否满足安全飞行的要求。如果不满足条件，巡检系统可以自动化/人工修改飞行计划，具体方法包括：

1）延后执行飞行计划；

2）将恶劣气象区域划为禁飞区，修改航线；

3）取消飞行计划。

上述措施可以缓解/消除气象环境对无人机安全飞行造成的风险。

3.3.3 对通信/导航设施的评估

无人机的飞行安全高度依赖通信系统的可靠性。巡检系统使用的无人机一般使用4G/5G公网进行通信。无线信号干扰可能导致无人机控制链路中断，增加无人机失控的风险；通信延迟超时将影响实时避障与姿态调整；无人机导航信号受到干扰，进而偏离预定航线。所以，巡检系统应当在起飞前审核飞行航线是否经过通信盲区以及电磁干扰严重的区域。如果经过，则需要重新规划航线。

3.3.4 对山地和高层建筑的评估

山地和高层建筑间易出现信号遮挡、风切变等影响飞行安全的事件。此外，无人机的飞行高度一般在相对高度120 m的范围内，因此，巡检系统在起飞前应当对此因素进行审核，待执行飞行计划中的航线时应当尽量避开山地和高层建筑，避免出现撞击坠毁事件。如果需要对穿越山地的地铁线路进行巡检，需要核对巡检路线和飞行高度，避免无人机撞山坠毁。

3.4 其他评估要求

当低空中有多架无人机同时执行巡检任务时，巡检系统需要查验多项飞行计划的航线之间是否冲突，以及待执行飞行计划是否与正在执行的飞行计划冲突。如果存在冲突，则需要修改飞行计划，延后执行或者修改航线。

综上所述，巡检系统在飞行前对空域、气象、通信设施、山地和高层建筑等环境因素进行评估，通过延迟飞行计划/修改航线/取消飞行计划的措施缓解安全风险，确保无人机安全飞行。

4 飞行中和飞行后的运行安全风险评估

无人机飞行过程中，巡检系统监测无人机飞行状态，当无人机返回的数据报文出现故障时，可指挥无人机临时降落或者返航。

在环境方面，巡检系统应当监测天气状况的实时变化，收到突发气象预警或强对流天气预报时，可指挥无人机避开恶劣天气区域，或者临时降落，或者返航。特别地，当无人机执行雨雪冰冻等极端气象条件下的巡检任务时，操控员应当时刻关注无人机回传的报文数据，一旦发现剩余电量快速下降、风速持续超过10 m/s、实际飞行速度与设定飞行速度偏差过大等异常情况时，应当迅速采取临时降落或者返航的处理措施，确保无人机安全可控地降落。

当飞行任务执行完毕，无人机成功降落至机巢内之后，巡检系统应当自动统计飞行中是否存在违规记录，如进入禁飞区、实际航迹与规划航线偏差较大等。违规记录应当写入数据库，供下次飞行前的安全评估使用。如果无人机出现异常记录，如异常姿态、近地告警、定位偏离和通信链路中断等危险事件，需要查找事故原因。在故障原因未查明之前，该架无人机不能执行下一次飞行计划。

5 运行安全风险评估流程

贯穿无人机飞行全流程的运行安全风险评估项目如表 1所示。

如表 1所示，巡检系统的管理和运维人员应当重点关注飞行前和飞行后的安全风险评估工作。在无人机飞行过程中，管理和运维人员保持对无人机的监控，并做好突发情况的应对措施。在飞行前阶段，管理和运维人员应该仔细评估人员、设备和环境方面的风险项，妥善处置。在飞行后阶段，管理和运维人员应当关注飞行中的异常记录，查找威胁飞行安全的风险因素并予以解决。管理部门在总结运行经验教训的基础上，建立和完善风险管理制度，通过制度保障运行，为无人机的安全运行提供坚实基础。

6 结语

随着地铁网络不断延伸，传统人工巡检模式难以持续，引入无人机开展线路巡检已成为必然趋势，但受城市复杂环境、地铁运营安全等因素制约，无人机在地铁领域的应用仍面临诸多挑战。本文通过剖析人员、设备、环境等方面的因素，在飞行前、飞行中、飞行后3个阶段，制定不同的运行安全评估策略，探索了城市地铁无人机巡检的安全管理制度建设。在未来的巡检系统开发和应用中，地铁运营部门要与低空经济主管部门沟通协调，进一步强化制度建设，完善行业标准体系；加强行业自律，规范操控员的管理，从源头上提升从业人员安全意识和职业素养；聚焦行业需求导向，与无人机厂商合作，加大设备研制力度，突破抗干扰、防碰撞、自主控制等关键技术，为行业创新发展注入新动能。