無人機(jī)在公路應(yīng)急搶險及橋梁日常巡檢中的應(yīng)用

石浩

摘要：為了加強(qiáng)公路橋梁工程施工質(zhì)量，針對項目應(yīng)急搶險與日常巡檢工作中無人機(jī)的應(yīng)用展開介紹。首先闡述無人機(jī)結(jié)構(gòu)與巡檢觀測技術(shù)，隨后分析其在公路搶險保障中的使用，明確期間存在的優(yōu)缺點，其次介紹在公路橋梁日常養(yǎng)護(hù)檢測環(huán)節(jié)中的運(yùn)用，掌握無人機(jī)操作要點，提出優(yōu)化建議，充分發(fā)揮無人機(jī)設(shè)備的優(yōu)勢，獲取施工現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)，繪制清晰度高的圖紙，以期能夠為今后公路橋梁工程應(yīng)急事故解決、巡檢工作提供參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);公路;應(yīng)急搶險;日常巡檢

近幾年無人機(jī)在各行各業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，它具有輕便、快速、靈活、視野寬闊等性能，所以在公路突發(fā)自然災(zāi)害的應(yīng)急搶險保暢、公路橋梁日常養(yǎng)護(hù)檢測中作用突出。甘肅省平?jīng)龉肪謶?yīng)急搶險保障中心在近兩年的日常工作中，通過無人機(jī)在公路自然災(zāi)害搶險保障和橋梁日常養(yǎng)護(hù)檢測等方面的應(yīng)用，現(xiàn)對其在公路應(yīng)急搶險及橋梁日常巡檢中的優(yōu)缺點進(jìn)行剖析論述。

1. 無人機(jī)結(jié)構(gòu)

公路橋梁工程施工過程中需要進(jìn)行應(yīng)急調(diào)度和指揮調(diào)度，考慮到這兩項工作的需求，一旦施工現(xiàn)場有事故發(fā)生，務(wù)必要及時展開生命救援。因為現(xiàn)場道路堵塞等諸多原因，道路巡查不能保證及時性，會導(dǎo)致應(yīng)急調(diào)度期間無法結(jié)合施工現(xiàn)場情況做出正確的判斷，不僅浪費資金，還會威脅到現(xiàn)場所有施工人員的人身安全。所以，無人機(jī)在公路應(yīng)急搶險及橋梁日常巡檢中的應(yīng)用非常必要，既能夠縮短施工現(xiàn)場勘查工作花費的時間，又可以不斷提升相關(guān)工作效率。

在公路橋梁工程中應(yīng)用無人機(jī)，需要創(chuàng)建巡查系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括諸多裝置，如攝像頭裝置、測距傳感器、電機(jī)調(diào)速裝置、導(dǎo)航裝置、通信裝置，由總控制中心負(fù)責(zé)監(jiān)督、管理系統(tǒng)[8]。第一，攝像頭裝置。攝像頭裝置中有攝緣裝置、實時錄像裝置、實時記錄裝置、圖像智能處理裝置，攝像頭類型選擇紅外攝像頭，支持夜間與能見度低的環(huán)境下依然可以正常監(jiān)測;第二，測距傳感器。該裝置在實際應(yīng)用期間往往會通過超聲波測距離傳感器，安裝方法和攝像頭相同，將其放置在無人機(jī)前、后、左、右、上、下六個位置;第三，電機(jī)調(diào)速裝置。無人機(jī)要想達(dá)到無障礙飛行，電機(jī)調(diào)速裝置必不可少，利用電機(jī)調(diào)速裝置控制控制器傳輸脈沖頻率信號，從而達(dá)到無級調(diào)速的效果;第四，導(dǎo)航裝置。使用GPS導(dǎo)航無人機(jī)飛行器，一般要將GPS導(dǎo)航在航線中固定，才能夠達(dá)到理想的飛行效果;第五，通信裝置。無人機(jī)巡查系統(tǒng)中采用無線通信模式，內(nèi)部設(shè)置GMS模塊，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離傳輸信息，控制器則要選擇ARM處理器，該處理器中有嵌入系統(tǒng)。

考慮到公路橋梁工程應(yīng)急調(diào)度指揮工作需求，應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急調(diào)度指揮，系統(tǒng)內(nèi)部的裝置結(jié)構(gòu)要具有簡潔性。施工現(xiàn)場的車輛停放位置，要與事故發(fā)生區(qū)域有一定距離，車輛內(nèi)部搭建臨時指揮中心，車頂則可以負(fù)責(zé)承載無人機(jī)。以上所屬五種無人機(jī)內(nèi)部裝置，需要全部安裝在機(jī)身的上方，個別構(gòu)件要結(jié)合需求安裝在無人機(jī)的內(nèi)部，操控人員使用計算機(jī)接收無人機(jī)在現(xiàn)場觀測得到的信息，及時傳遞給救援人員，發(fā)現(xiàn)公路橋梁工程施工中潛在的安全隱患。

2.無人機(jī)巡檢觀測技術(shù)

第一，攝像技術(shù)。無人機(jī)的運(yùn)行依靠航空攝影系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時執(zhí)行多個任務(wù)負(fù)載。開始應(yīng)用無人機(jī)之前需要展開測試，保證無人機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，隨后再由運(yùn)營商控制無人機(jī)在施工現(xiàn)場的飛行，通過觀測獲得清晰的圖片與信息。技術(shù)人員獲得圖片數(shù)據(jù)之后進(jìn)行處理、分析，繪制公路橋梁工程的地形圖，保證地形圖高精度與比例，為公路應(yīng)急搶險及橋梁日常巡檢提供參考;第二，飛行控制技術(shù)。通過地面控制系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)鏈路控制影像，由檢查員觀察了解施工現(xiàn)場的實際情況。隨后可以使用GPS自主導(dǎo)航線對無人機(jī)的飛行進(jìn)行控制，確保其能夠在無人駕駛的情況下自動巡查;第三，穩(wěn)定飛行技術(shù)。公路應(yīng)急搶險與橋梁日常巡檢過程中為了保證無人機(jī)能夠穩(wěn)定飛行，需要使用穩(wěn)定飛行技術(shù)，利用具有紅外熱成像功能的攝像機(jī)與自動控制攝像機(jī)等裝備，獲取施工現(xiàn)場影像。

3.在公路應(yīng)急搶險保障中的應(yīng)用

在發(fā)生較大自然災(zāi)害（如：地震、滑坡、水毀、泥石流、冰雪災(zāi)害等）時，需要各方救援力量、大型救援設(shè)備深入重災(zāi)區(qū)展開救援時，公路就是連接人民群眾的生命線，必須先行搶通。在對道路堵塞、塌方等情況清理時，首先要對堵塞、塌方體進(jìn)行觀測，確定其體積數(shù)量、周圍地質(zhì)等情況，以防在清通過程中發(fā)生次生災(zāi)害，對現(xiàn)場情況及時有效的掌握，應(yīng)急指揮人員才能準(zhǔn)確判斷出，該組織多少應(yīng)急力量、該如何選擇搶通路線，無人機(jī)就可以提供所需數(shù)據(jù)，讓應(yīng)急搶險做到最快、最高效。

3.1 優(yōu)點

3.1.1準(zhǔn)備時間短，不受地形限制

無人機(jī)的個頭小巧、比較輕便，不用花費多少力氣就可以將其帶至現(xiàn)場，5分鐘之內(nèi)就可以組裝完成，它對起飛的場地的條件要求也小，很適合在復(fù)雜地形下進(jìn)行起飛觀測，如圖1所示。

3.1.2飛行距離遠(yuǎn)，觀測范圍廣

一般無人機(jī)的飛行半徑可以達(dá)到3公里，飛行高度可以達(dá)到300米，視野開闊、觀測范圍大，對道路阻斷現(xiàn)場及周圍的情況可以一覽無余，并將影像資料實時傳回給現(xiàn)場指揮人員[1]。

3.1.3角度不受限制，觀測效率高

無人機(jī)對阻塞路段的觀測比人工節(jié)省了較多的時間，人工在觀測時往往受地形影響，無法快速到達(dá)最佳觀測點，也因地形影響不能做到全方位觀測，還存在非常大的風(fēng)險[2]。無人機(jī)可以在高空中多角度、多斷面對阻塞路段進(jìn)行觀測，也可以貼近危險區(qū)近距離觀測，既節(jié)省時間提高了效率、又降低了傷亡的風(fēng)險[3]。

3.1.4高科技應(yīng)用，提供數(shù)據(jù)支持

無人機(jī)上還可以搭載紅外測量儀、熱成像儀等先進(jìn)設(shè)備。測量儀器可以對阻塞、塌方體進(jìn)行測量，第一時間計算出體量，給應(yīng)急搶通保暢提供有效數(shù)據(jù)支持，為應(yīng)急救援爭取時間;熱成像儀通過對塌方體進(jìn)行掃描，可以確定是否有被困人員，進(jìn)行及時營救，成像如圖2所示。

3.2 缺點

在近兩年的實際應(yīng)用中，它的缺點也隨之顯現(xiàn)出來了：

3.2.1抗風(fēng)性較弱

在發(fā)生自然災(zāi)害發(fā)生時，往往天氣狀況也比較惡劣，在惡劣天氣條件下無人機(jī)的效能就無法有效凸顯，體積較小的無人機(jī)在抗風(fēng)性較差，在強(qiáng)風(fēng)天氣下無法有效完成任務(wù)[4]。建議在遭遇強(qiáng)風(fēng)的前提下，將飛行器高度降低，并以手動的方式降落飛行器到安全地點。

3.2.2對天氣條件要求高

甘肅隴東片區(qū)的山嶺重丘區(qū)，在降雨天多數(shù)伴隨有大霧出現(xiàn)，在大霧天無人機(jī)的影像拍攝就會大打折扣，無人機(jī)自身的安全性也得不到保障。所以，操作人員需要提前判斷天氣情況，如果能見度不足0.5英里，不建議無人機(jī)飛行。

3.2.3續(xù)航能力差

普通民用無人機(jī)的動力大多靠電池提供（也有燃料動力的無人機(jī)，但體型較大，主要是價格太高），每節(jié)電池的持續(xù)飛行能力大都在半小時之內(nèi)，留空時間較短。針對這一問題，首先需要找到待機(jī)時間長、耐用性能好的電池能源，或者對無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低能源消耗。

4在公路橋梁日常養(yǎng)護(hù)檢測中的應(yīng)用

通過對G70線福銀高速涇河特大橋、S202線（新G244）線長慶橋石拱橋的日常養(yǎng)護(hù)檢測的使用，無人機(jī)的性能也發(fā)揮不錯，大部分橋梁都是涉水橋梁，且凈空較高，在對梁體的日常養(yǎng)護(hù)檢測中，人工和普通機(jī)械無法到達(dá)，專用橋梁檢測車的普及率太低，各公路養(yǎng)護(hù)單位幾乎都沒有，無人機(jī)的使用可以填補(bǔ)這方面的空缺。

4.1 優(yōu)點

4.1.1受環(huán)境限制小

無人機(jī)可以利用空中懸停的性能對橋梁進(jìn)行外觀和局部的檢測，代替人工在高空和有水流的橋下觀測，降低了安全風(fēng)險[5]。

4.1.2操作簡便，節(jié)省費用

無人機(jī)輕巧便攜，養(yǎng)護(hù)人員在公路設(shè)施日常的養(yǎng)護(hù)巡查中可隨車攜帶，對需要觀測的橋梁設(shè)施隨時起飛無人機(jī)進(jìn)行觀測，相對大型檢測車來說：便捷、成本小，在平常的巡查檢測中日積月累下來，也是一筆不小的費用[6]。

4.1.3影像資料存儲方便

無人機(jī)在觀測的過程中實時進(jìn)行錄像，并將觀測的影像資料隨時存儲，檢測人員只需要將影像資料下載整理保存即可，原來的檢測資料大部分是圖片資料，無人機(jī)檢測既有影像資料、也有圖片資料，能更直觀的反映檢測過程和結(jié)果，觀測所得影像圖片如圖3所示。

4.2 缺點

4.2.1受信號影響大

無人機(jī)通過GPS信號定位，在進(jìn)入橋梁底部時因接收不到信號，會自動飛離檢測點尋找GPS信號，不能精準(zhǔn)定位，對特大型橋梁梁底的局部細(xì)節(jié)觀測不到位。建議采用增強(qiáng)與干擾抑制技術(shù)，優(yōu)化無人機(jī)的導(dǎo)航信號。

4.2.2缺少自動避險功能

這個缺點只是相對一部分無人機(jī)來說，有些無人機(jī)是具備自動避險功能的，缺少自動避險功能的無人機(jī)在橋梁檢測中因遠(yuǎn)距離的操作，人工無法掌握無人機(jī)離物體的距離，就會導(dǎo)致無人機(jī)和被檢測物體相撞，做成損毀[7]。無人機(jī)遠(yuǎn)距離操作如圖4所示。針對這一問題，建議全面更換所有不具備自動避險功能的無人機(jī)，以免在飛行過程中無法自動規(guī)避風(fēng)險，而導(dǎo)致設(shè)備損毀。

5.結(jié)論

綜上所述，無人機(jī)作為新興的觀測工具，在公路應(yīng)急搶險保障和公路設(shè)施巡查檢測中的作用還是很大的，雖然存在一定缺點，但是在科技不斷創(chuàng)新下，像續(xù)航能力、自動避險這些問題已經(jīng)得到了完善和解決，燃料動力的大中型無人機(jī)在抗風(fēng)性方面也有所進(jìn)步，其他弱點也會隨著科技的進(jìn)步不斷完善。隨著無人機(jī)設(shè)備的普及以及相關(guān)功能的完善，今后無人機(jī)將會在公路應(yīng)急搶險保障和公路設(shè)施巡查檢測中大展身手，為我省公路應(yīng)急搶險和日常養(yǎng)護(hù)提供快速高效的技術(shù)支持及信息化保障，推進(jìn)公路養(yǎng)護(hù)管理信息化、科技化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]方留楊，陳華斌，吳曉南，許鵬，方紹兵.基于無人機(jī)三維建模技術(shù)的橋梁檢測方法研究[J].中外公路，2019，39（01）：109-113.

[2]張敏.淺析公路測量測繪工程中如何結(jié)合新型技術(shù)[J].智能城市，2019，5（03）：38-39.

[3]馬昭，趙初晴，許杰，金冬雷，趙佳輝.垂直起降固定翼無人機(jī)在高速公路管養(yǎng)中的應(yīng)用[J].機(jī)電一體化，2018，24（06）：41-44+56.

[4]厲狄龍，沈劍，毛江鴻，龔園軍，陸飛，吳凱，俞凱奇.無人機(jī)在沿海腐蝕環(huán)境橋梁病害巡檢中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù)，2018，40（03）：128-130+137.

[5]王強(qiáng)，李紅中.無人機(jī)的特點及其在公路工程建管養(yǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J].廣東公路交通，2018，44（01）：11-19.

[6]何建明，沈劍，鄭博宇，毛江鴻，俞凱奇.混凝土高橋墩裂縫的無人機(jī)檢測飛行策略與試驗研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（01）：193-195.

[7]鄒露鵬，范鐘倩.微型無人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測工程中的應(yīng)用[J].公路，2017，62（07）：172-175.

[8]雷偉剛，潘屹峰，祖為國.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高速公路資產(chǎn)管理中的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計，2017（S1）：193-197.