無人飛機(jī)在廣西橋梁檢測中的應(yīng)用發(fā)展

林 建

(平樂縣公路貨運(yùn)服務(wù)站,廣西 平樂 542499)

1 概述

21世紀(jì)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展及低空領(lǐng)域的民用化，使得微型無人機(jī)、智能無人機(jī)以及中小微無人機(jī)在影視傳媒、商業(yè)航拍、現(xiàn)代物流和城市規(guī)劃、智能交通、警務(wù)通勤、應(yīng)急救災(zāi)、地質(zhì)水電、農(nóng)林漁牧等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)無人機(jī)民用已在公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、電力、氣象、影視航拍等多個領(lǐng)域逐漸鋪開[1-7]。

無人機(jī)研發(fā)領(lǐng)域，國內(nèi)大疆創(chuàng)新、中航華東光電、一電科技等具備研發(fā)設(shè)計(jì)總裝集成能力，在飛控、航拍領(lǐng)域居國內(nèi)前列；廣西境內(nèi)南寧市界圍工程咨詢有限公司基于SOA架構(gòu)的地理設(shè)計(jì)平臺應(yīng)用無人機(jī)航飛數(shù)據(jù)后處理軟件的開發(fā)應(yīng)用處于區(qū)內(nèi)領(lǐng)先水平。

廣西大江大河山多橋多，境內(nèi)有上千座橋，按照《公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG/H 11—2004)，經(jīng)常性檢查每月至少要一次，定期檢查每三年要進(jìn)行一次，檢查頻率高，任務(wù)量重。傳統(tǒng)的檢查手段主要依靠肉眼和輔助工具(無望遠(yuǎn)鏡，橋梁檢車等)，檢測手段存在局限性，檢測盲區(qū)大，危險系數(shù)高，且耗時耗力，成本高，近期不少省份開始研究無人飛機(jī)在橋梁檢測中的輔助性檢測應(yīng)用，在很大程度上解決上述難題。

2 傳統(tǒng)檢測手段的局限性

橋梁在建成通車后，由于受到氣候、氧化、腐蝕或老化等因素，在長期靜載、活載作用下遭受損壞，其強(qiáng)度和剛度會隨時間的增加而降低。這不僅會影響安全行車，更會使橋梁使用壽命縮短而不能完全產(chǎn)生其預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)此，對橋梁進(jìn)行全面的外觀技術(shù)狀態(tài)、根據(jù)實(shí)測的結(jié)構(gòu)尺寸、構(gòu)造檢測結(jié)果，進(jìn)一步完善橋梁資料，評估橋梁結(jié)構(gòu)安全耐久性能、正常使用性能評估，建議養(yǎng)護(hù)、維修或改造措施，以確保橋梁在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)處于一個良好的運(yùn)營狀態(tài)。

橋梁外觀檢查主要指對上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和附屬構(gòu)造物全面檢查，分析主要病害原因及對橋梁運(yùn)營的影響，為橋梁的病害處理，提供決策依據(jù)；主要檢測橋梁構(gòu)件有無破損、開裂、變形、滲水、露筋銹蝕、退化、淤塞積水等現(xiàn)象。首先對橋梁外觀情況進(jìn)行近距離(抵近)的目測檢測，再對病害部位及范圍進(jìn)行量測、記錄、拍照等。橋梁長度、橋跨跨度、橋面寬度、車行道寬等采用鋼卷尺測量復(fù)核，上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸采用鋼卷尺檢測復(fù)核，其余結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)材料等以目測觀察，拍攝相片為主，近距離(抵近)的目測檢測，主要工具有人字梯、腳手架、橋梁檢測車等，如圖1～圖3所示。

上述是常見的檢測措施，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 常規(guī)檢測手段一覽表

傳統(tǒng)檢測手段盡管很多，但都無法達(dá)到橋梁的任何區(qū)域，比如說100 m以上的高塔、桁架橋梁，而且安全風(fēng)險系數(shù)大，檢測周期長，耗工耗時，平均每座橋要7 d左右時間，目前廣西境內(nèi)有幾千座橋，若把所有橋梁全部連續(xù)檢測完，大概需要30年～50年時間，這個周期對管理是不利的，因此高效率的無人飛機(jī)輔助檢測替代傳統(tǒng)檢測是未來趨勢之一。

3 無人飛機(jī)檢測原理及應(yīng)用

20世紀(jì)20年代，技術(shù)的進(jìn)步和戰(zhàn)爭為無人飛機(jī)的誕生創(chuàng)造了條件，第一架無人飛機(jī)20世紀(jì)30年代英國的蜂后無人飛機(jī)，在英國皇家空軍和陸軍服務(wù)；我國第一架無人飛機(jī)“長空一號”誕生于1966年，從此我國無人飛機(jī)獲得了長足發(fā)展。20世紀(jì)80年代，國外就開始將無人飛行器應(yīng)用于測繪工程，此時的無人飛行器通過遙控操作來進(jìn)行航攝作業(yè)，測繪型無人飛機(jī)成本不高，操作性強(qiáng)，可以隨時隨地起飛和降落，不需要太多的準(zhǔn)備時間，并能適應(yīng)不同的地形、天氣條件，是現(xiàn)階段進(jìn)行低空航空攝影的絕佳手段，并獲得越來越多工程單位的應(yīng)用，例如影視航拍、農(nóng)業(yè)值保、海上監(jiān)測與救援、環(huán)境保護(hù)、電力巡線、漁業(yè)監(jiān)管、消防、城市規(guī)劃與管理、氣象監(jiān)測、交通監(jiān)管、地圖測繪、國土監(jiān)察、橋梁檢測等。

無人機(jī)種類繁多，有固定翼無人機(jī)、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)、變翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)等，多旋翼無人機(jī)構(gòu)造精簡、易于維護(hù)、操作簡單、穩(wěn)定性高且攜帶方便，被廣泛應(yīng)用于土木工程中，其一般由遙控系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。在橋梁日常檢測中，無人飛機(jī)掛載高清攝像機(jī)、高靈敏度傳感器等對整個橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測檢查，可及時發(fā)現(xiàn)細(xì)微病害，效率大幅度提高，使整個橋梁檢測人力及物力投入成本大幅度削減，無人機(jī)橋梁檢測與傳統(tǒng)檢測手段相比，無人機(jī)借助空中優(yōu)勢，具備以下特點(diǎn)：

1)無人機(jī)進(jìn)行橋梁外業(yè)檢查，無需封閉橋面交通，搭載夜視傳感器設(shè)備，白天夜間均可有效檢查，工作效率高。

2)對于高墩、高塔、拉索、大跨度橋梁，危險系數(shù)高的構(gòu)件，安放無線傳感器后，收集相應(yīng)的力學(xué)數(shù)據(jù)，加上無人機(jī)可近距離觀測，即使是0.1 mm的裂縫也能識別，數(shù)據(jù)可靠性得到極大提高，且無需搭設(shè)其他輔助設(shè)備，提高了檢測人員的安全性。

3)無人機(jī)配備兩名檢測人員即可完成外業(yè)檢測，然后將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)分析處理，人力投入成本低大幅度削減。

4)隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，安全飛機(jī)知識的普及，以及價格低廉，相比昂貴的橋梁檢車，各管養(yǎng)部門配置無人飛機(jī)的可行性更大，今后橋梁日常巡查可隨時進(jìn)行，尤其在搶險應(yīng)急檢查方面更具有優(yōu)勢。

無人飛機(jī)橋梁檢測線路可全自動控制和人工控制，通過對視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析處理，確定所檢測的構(gòu)件病害類型、范圍及嚴(yán)重程度，根據(jù)檢測結(jié)果以及外觀檢測報告要求，按照工程概況、檢測目的及依據(jù)、儀器設(shè)備及人員、橋梁構(gòu)件編號劃分、外觀檢測圖像處理結(jié)果、無損檢測、病害原因分析、技術(shù)狀況評估、維修建議等編制模版，可自動生成報告，實(shí)現(xiàn)無人飛機(jī)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、攝像技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新科技的有效結(jié)合。

4 典型案例分析

廣西某大橋始建于1995年10月，橫跨郁江，該橋橋跨由引橋(19 m×16 m箱梁)+主橋(1×60+3×100+1×60桁架橋)+引橋(3×16 T梁)組合而成的。橋梁分上承式機(jī)動車道，下承式非機(jī)動車道，全長為785.50 m，橋面總寬為9 m。由于橋面分上下兩層，主要為桁架橋，構(gòu)件密集，跨越大江，大部分構(gòu)件橋梁檢測車無法抵達(dá)，經(jīng)決定采用無人機(jī)飛行檢測，通過高清攝像頭拍攝經(jīng)過圖片分析后，評估整個橋梁結(jié)構(gòu)的病害，其檢測病害如圖4～圖8所示。

由于該橋結(jié)構(gòu)特殊，橋梁檢測車等無法到達(dá)大部分構(gòu)件，無人飛機(jī)檢測解決了歷年來困擾檢測人員的難題， 發(fā)現(xiàn)了過去不能抵達(dá)的病害，縮小了檢測周期，提高了工作效率，獲得了委托方及社會的高度認(rèn)可。

5 結(jié)語

通過以上分析可知，基于無人機(jī)平臺檢測橋梁具有以下三點(diǎn)優(yōu)勢：

1)將無人飛機(jī)、高清攝影技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為檢測人員提供了一種新的思維方式及檢測方法。 2)無人飛機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用自動識別病害技術(shù)，自動編制檢測報告，可有效提供檢測內(nèi)業(yè)工作量。3)無人機(jī)利用高空飛行優(yōu)勢，可達(dá)到橋梁任何構(gòu)件，檢測數(shù)據(jù)可靠，安全性高。綜合所述，無人飛機(jī)在橋梁檢測中的應(yīng)用將會獲得技術(shù)人員的認(rèn)可，無人飛機(jī)自動化檢測是未來檢測發(fā)展的趨勢之一。