智能檢測(cè)長(zhǎng)大橋梁

文/圖 浙江省寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司 王金權(quán) 肖龍

在特殊結(jié)構(gòu)橋梁（如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等）或者大跨高墩橋梁的檢測(cè)過程中，常規(guī)檢測(cè)手段存在局限性，存在檢查盲區(qū)，而盲區(qū)檢測(cè)效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，而且檢測(cè)精細(xì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，采用先進(jìn)的無人智能檢測(cè)技術(shù)開展養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作變得越來越有必要。文章介紹了四種在長(zhǎng)大橋梁檢測(cè)中的無人智能檢測(cè)技術(shù)，包括無人機(jī)、高清攝像、纜索機(jī)器人、水下機(jī)器人。

橋梁檢測(cè)主要是對(duì)橋梁外觀和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢查評(píng)定，通常對(duì)結(jié)構(gòu)性能的檢查是通過一系列的力學(xué)試驗(yàn)完成，而對(duì)其外觀的檢查主要依靠肉眼或者輔助工具（如橋檢車、望遠(yuǎn)鏡等）來檢測(cè)橋梁主要構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。

隨著我國(guó)公路建設(shè)里程的不斷增加，大型橋梁數(shù)量增多，養(yǎng)護(hù)維護(hù)和檢測(cè)工作的難度也不斷提高。截至2016年年底，全國(guó)公路橋梁共有80.53萬座，長(zhǎng)度4916.97萬米。特大橋梁4257座，大橋86178座，兩者長(zhǎng)度約占橋梁總長(zhǎng)的61.1%。

對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)橋梁（如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等）或者大跨高墩橋梁來說，常規(guī)檢測(cè)手段存在局限性，存在檢查盲區(qū)，而盲區(qū)檢測(cè)效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高。如對(duì)斜拉橋拉索的檢測(cè)，人工爬上拉索向下進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，不僅效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，而且檢測(cè)精細(xì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而采用纜索機(jī)器人檢測(cè)拉索能很好地解決這個(gè)問題。為了保證橋梁的使用安全和有效消除質(zhì)量問題隱患，采用先進(jìn)的智能檢測(cè)技術(shù)開展養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作變得越來越有必要。以下主要介紹無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)、高清攝像檢測(cè)技術(shù)、纜索機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)、水下機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)四種無人智能檢測(cè)技術(shù)。

常用于橋梁檢測(cè)的八旋翼無人機(jī)

無人機(jī)“看病”

無人機(jī)橋梁快速檢測(cè)系統(tǒng)主要由無人機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、其他設(shè)備等組成。無人機(jī)一般采用起降平穩(wěn)的多旋翼無人機(jī)，利于數(shù)據(jù)采集和觀測(cè)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于系統(tǒng)控制信號(hào)、檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。地面站系統(tǒng)則用于實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行、檢查拍攝情況，利于及時(shí)糾正飛行軌跡、發(fā)現(xiàn)橋梁明顯病害。其他設(shè)備除了常規(guī)的維修保養(yǎng)工具外，還包含檢測(cè)結(jié)果分析處理系統(tǒng)。用于橋梁檢測(cè)的無人機(jī)與常規(guī)航拍無人機(jī)的任務(wù)荷載系統(tǒng)略有不同，前者的三軸增穩(wěn)云臺(tái)、高清攝像機(jī)置于飛行器上方，航拍用云臺(tái)一般布置在下方。

無人機(jī)檢測(cè)方法

無人機(jī)檢測(cè)鋼桁梁和橋塔

無人機(jī)檢測(cè)一般由2名專業(yè)技術(shù)人員分別控制機(jī)身運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)攝像2部分進(jìn)行飛行和數(shù)據(jù)采集。起飛前，無人機(jī)需放置平穩(wěn)，調(diào)試各系統(tǒng)確保開機(jī)運(yùn)行正常后，統(tǒng)一指令調(diào)度起飛。在飛行過程中，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的差異控制不同的安全距離。橋墩和塔柱一般控制在5米左右，纜索和鋼構(gòu)件等地形復(fù)雜部位一般控制在10米左右，具體安全距離需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況確定。無人機(jī)空間位置信息、攝錄畫面實(shí)時(shí)顯示在地面站系統(tǒng)的監(jiān)控屏幕上，檢測(cè)人員根據(jù)監(jiān)控初步判斷檢測(cè)對(duì)象是否存在病害。若存在，檢測(cè)人員根據(jù)病害程度，選擇無人機(jī)懸停進(jìn)行局部高清拍照或繼續(xù)前進(jìn)。無人機(jī)飛行控制、攝像系統(tǒng)采用無線傳輸信號(hào)進(jìn)行控制，檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無人機(jī)機(jī)身，有效避免長(zhǎng)距離無線傳輸引起的數(shù)據(jù)衰減或干擾。

無人機(jī)特點(diǎn)

相比傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)技術(shù)，無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)具有直接到達(dá)檢測(cè)部位，無需其他輔助措施，節(jié)省費(fèi)用；檢測(cè)橋墩、橋座、橋腹等危險(xiǎn)場(chǎng)所，無需搭架或者吊籃配合人員檢測(cè)，極大地提高了安全性；對(duì)于部分無法企及的橋腹、拉索等部位，無人機(jī)可以抵近觀察了解更多細(xì)節(jié)；定點(diǎn)懸停觀測(cè)、實(shí)時(shí)傳輸畫面、效率高、基本不影響正常交通；在天氣情況允許的前提下，實(shí)施檢測(cè)橋梁具備較高的及時(shí)性。

目前，無人機(jī)檢測(cè)也存在不足，比如梁體狹小空間處無法檢測(cè)，需傳統(tǒng)檢測(cè)方式；續(xù)航能力一般；工作環(huán)境受天氣環(huán)境影響大。

高清攝像“把脈”

高清攝像綜合使用了攝影測(cè)量與圖像識(shí)別技術(shù)，從影像中提取待病害位置、尺寸等信息。高清攝像系統(tǒng)主要由攝像部分、成像放大部分、轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分及圖像處理分析部分等四部分組成。

攝像部分，主要用于現(xiàn)場(chǎng)拍照，將病害以圖像的形式記錄下來；成像放大部分，使用高倍率的望遠(yuǎn)鏡頭，對(duì)拍攝的病害進(jìn)行放大處理，使圖像滿足檢測(cè)精度要求；轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分，將拍攝區(qū)域網(wǎng)格化處理，轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分可自動(dòng)將鏡頭對(duì)準(zhǔn)待拍攝區(qū)域，大幅度提高拍攝速率；圖像處理分析部分，首先將斜視圖像轉(zhuǎn)換為正視圖像，而后使用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，識(shí)別出病害長(zhǎng)度、寬度等尺寸信息。

高清攝像技術(shù)主要應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)物的表觀檢測(cè)，如橋梁、火電站冷卻塔、水壩、核電站反應(yīng)殼等。在長(zhǎng)大橋梁檢測(cè)中，高清攝像技術(shù)多用于斜拉橋、懸索橋的索塔外觀檢查和不易檢測(cè)到的橋梁側(cè)面底面等。

高清攝像機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

操作簡(jiǎn)單快捷

高清攝像的攝像部分

高清攝像機(jī)整體

索塔高清攝像檢測(cè)

主梁底面和側(cè)面高清攝像檢測(cè)

設(shè)備總重不超過15公斤，現(xiàn)場(chǎng)2人即可順利操作。從開箱到組裝完畢，總共不超過10分鐘。

檢測(cè)精度高

50米距離范圍內(nèi)，高清攝像有效精度可達(dá)到0.1毫米。

安全可靠

操作人員在陸地空曠區(qū)域拍攝，避免在支架或掛籃上登高作業(yè)，有效保證檢測(cè)人員的人身安全。

不干擾結(jié)構(gòu)物的正常運(yùn)營(yíng)

該方法為非接觸性量測(cè)手段，不干擾被測(cè)物自然狀態(tài)。例如，橋梁檢測(cè)中無需封路，避免了道路審批的繁瑣辦理流程。

拍攝影像可長(zhǎng)期保存

影像信息便于與歷史信息進(jìn)行對(duì)比，掌握病害的演變規(guī)律。

展示效果好

檢測(cè)結(jié)果以高清漫游的方式呈現(xiàn)出來，還原現(xiàn)場(chǎng)，猶如身臨其境。

纜索機(jī)器人“會(huì)診”

纜索是斜拉橋的主要承重部分，其造價(jià)約占全橋造價(jià)的25%至30%。但其長(zhǎng)期暴露在大氣之中，受到風(fēng)吹、日曬、雨淋和環(huán)境污染的侵蝕，其表面會(huì)受到較嚴(yán)重的破壞，這會(huì)對(duì)整座斜拉橋帶來不利的影響。然而，大型斜拉橋纜索都存在安裝后難以進(jìn)行健康檢測(cè)的問題，存在嚴(yán)重安全隱患。為了降低安全隱患，必須對(duì)橋梁纜索進(jìn)行定期的檢測(cè)，并對(duì)其中有損傷的纜索進(jìn)行涂裝、修復(fù)或更換。

纜索機(jī)器人安裝示意圖

纜索機(jī)器人是一種能夠攜帶相關(guān)設(shè)備攀爬纜索并對(duì)完成高空作業(yè)的爬行機(jī)器人，它是專門針對(duì)高空斜拉索進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)纜索準(zhǔn)確、及時(shí)、快速、方便地檢查。利用其作為載體，安裝高清攝像裝置和鋼絲探傷傳感器，能進(jìn)行纜索外觀和內(nèi)部鋼絲情況的詳細(xì)檢測(cè)。

檢測(cè)機(jī)器人從整體上包括檢測(cè)裝置、爬行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電源、電機(jī)等部分。

檢測(cè)裝置的作用是檢測(cè)橋梁纜索外表及內(nèi)部是否有損傷，可以是電渦流檢測(cè)裝置、磁漏檢測(cè)裝置、超聲波檢測(cè)裝置等。檢測(cè)的結(jié)果由控制和監(jiān)視系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并存儲(chǔ)。

爬行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它的任務(wù)是帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)按設(shè)定的任務(wù)自主地在纜索上運(yùn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它要完成同地面操作人員的通訊、采集檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果、控制并驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)按照要求運(yùn)動(dòng)。

纜索機(jī)器人檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

纜索機(jī)器人檢測(cè)到的斜拉索破損

應(yīng)用纜索機(jī)器人檢測(cè)斜拉索，檢測(cè)過程不需封橋，不影響橋梁正常通行；還能夠檢測(cè)到高空段人工無法檢測(cè)到的斜拉索部位，檢測(cè)更詳細(xì)；檢測(cè)中，機(jī)器人負(fù)責(zé)測(cè)量過程的數(shù)據(jù)采集，操控人員負(fù)責(zé)安裝和控制，大大減輕了檢測(cè)人員的工作量，且安全性高。

水下機(jī)器人“探秘”

橋梁基礎(chǔ)是橋梁的重要結(jié)構(gòu)之一，它不僅承受著橋梁的恒載和活載，還將傳遞給地基。橋梁經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)后，往往會(huì)因?yàn)榛A(chǔ)混凝土澆筑質(zhì)量差或流水長(zhǎng)期沖刷侵蝕等原因而出現(xiàn)病害，如基礎(chǔ)淘空、傾斜、下沉、混凝土沖蝕、磨損、破損、露筋、銹蝕、夾泥、開裂和縮徑等，這些病害均會(huì)危及橋梁的正常使用。由于基礎(chǔ)往往位于水面以下或埋置在土體之中，成橋后，基礎(chǔ)頂面以上已修筑墩臺(tái)、梁板等結(jié)構(gòu)物。另外，基礎(chǔ)位于水面底下，人工檢測(cè)作業(yè)存在很大的安全隱患。這些現(xiàn)實(shí)情況給橋梁檢測(cè)的順利實(shí)施帶來了很大的困難，檢測(cè)單位無法及時(shí)了解成橋后基礎(chǔ)的病害情況。針對(duì)上述狀況，使用水下機(jī)器人檢測(cè)橋梁基礎(chǔ)成為長(zhǎng)大跨海、跨江橋梁樁基檢測(cè)的必要手段。

水下遙控機(jī)器人(英文縮寫ROV)潛水有多種，通常可分為小型觀察型和作業(yè)型兩種。按動(dòng)力范圍和作業(yè)水深分類，作業(yè)型又可分為輕型、中型、大型和超深型幾種。目前在水下遙控機(jī)器人的基礎(chǔ)上，已經(jīng)研制成功更為先進(jìn)水下LBC多功能運(yùn)動(dòng)車，是ROV和水下爬行器的完美結(jié)合，它除了具有普通ROV的功能外，還具有爬行器功能。如果需要仔細(xì)觀察某一個(gè)平面物體，LBC能轉(zhuǎn)換到爬行器模式，借助四個(gè)輪子在平面上自由爬行，可以仔細(xì)檢查物體表面。在水下爬行時(shí)，顯示器上會(huì)顯示里程表。另外，還具有成像聲納和水下定位系統(tǒng)。檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)不同的檢測(cè)環(huán)境以及檢測(cè)目的選擇合適的水下機(jī)器人。

水下機(jī)器人及其組件

水下機(jī)器人檢測(cè)作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)在于能深水檢測(cè)，這是水下攝像儀檢測(cè)以及潛水檢測(cè)無法比擬的優(yōu)勢(shì)；缺點(diǎn)是目前水下機(jī)器人的推進(jìn)器動(dòng)力不足，一般水下檢查作業(yè)型的抗水能力是2節(jié)至4節(jié)。因此，檢查型的水下機(jī)器人目前適合于流速較低的跨海橋梁以及庫(kù)區(qū)橋梁的基礎(chǔ)檢測(cè)，對(duì)于流速較大的橋梁基礎(chǔ)尚不能完成檢測(cè)任務(wù)。

水下機(jī)器人檢測(cè)照片

展望

隨著社會(huì)科技水平的不斷提高，應(yīng)用在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域的檢測(cè)方法和手段也逐步智能化。采用橋梁智能化檢測(cè)技術(shù)能夠保障橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過程中的安全性，確保使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全。在科學(xué)技術(shù)、人工智能飛速發(fā)展，逐漸普及的今天，已經(jīng)有越來越多的新型智能化檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用于橋梁檢測(cè)養(yǎng)護(hù)工作中。有關(guān)單位應(yīng)當(dāng)對(duì)這些信息技術(shù)加強(qiáng)了解，結(jié)合實(shí)際情況，合理、科學(xué)的引入，提升橋梁檢查工作的有效性。