無人機(jī)在高鐵橋隧設(shè)備檢查中的應(yīng)用與展望

侯海方

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司寧波工務(wù)段，工程師，浙江 寧波 315012）

0 引言

目前我國已開通運(yùn)營的高速鐵路橋隧占線路長度的比例總體上在70%左右（既有普通鐵路為8.5%左右），橋隧比例較大。在綜合考慮設(shè)備檢查周期、檢查方式、檢查條件（天窗內(nèi)、天窗外）、檢查人數(shù)的合理配置以及高速鐵路路橋設(shè)備特點(diǎn)等基礎(chǔ)上，經(jīng)工作量和工時(shí)初步測算（檢查工區(qū)一般按10 人配置），規(guī)定路橋檢查工區(qū)管轄營業(yè)線路長度100 km 左右，即人均管轄營業(yè)線路長度10 km，人均管轄橋隧長度約7km 左右0。受制于地形地質(zhì)條件、交通環(huán)境復(fù)雜、檢查項(xiàng)目較多等因素影響，傳統(tǒng)的檢查方法效率并不能滿足現(xiàn)代高鐵橋隧設(shè)備養(yǎng)護(hù)要求。

傳統(tǒng)的橋隧設(shè)備檢查方法主要有望遠(yuǎn)鏡觀察、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、人工檢查、添乘檢查等。依靠肉眼或者輔助工具（如遠(yuǎn)程視頻、望遠(yuǎn)鏡等）來檢測橋隧設(shè)備主要構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。表1 列舉了上述各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。

表1 傳統(tǒng)橋隧設(shè)備檢查方法對比

對于特殊結(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，傳統(tǒng)的檢查方法局限性較大。如檢查高橋墩支座及梁體病害時(shí)，需人工攀爬作業(yè)，效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，而運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)將會在很大程度上解決這一難題。圖1 為人工檢查高橋墩支座及梁體病害實(shí)拍場景。

圖1 人工檢查高橋墩支座及梁體病害

1 無人機(jī)相關(guān)背景

1.1 無人機(jī)發(fā)展應(yīng)用情況自20世紀(jì)30年代國外首次采用無線電操縱的模型飛機(jī)作為靶機(jī)以后，無人機(jī)的發(fā)展十分迅速。我國無人機(jī)的研究始于50年代后期，1959 年已基本摸索出安-2 和伊爾-28 兩種飛機(jī)的自動起降規(guī)律，60 年代中后期投入無人機(jī)研制，形成了“長空”1 靶機(jī)、無偵5 高空照相偵察機(jī)和D4小型遙控飛機(jī)等系列。

目前，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大：不僅可以在軍事上用于偵察、通信、反潛、電子對抗和對地攻擊，也可以在民用上用于航拍攝影、電力巡檢、新聞報(bào)道、保護(hù)野生動物、環(huán)境監(jiān)測、大地測量、資源勘查及人工降雨等多個(gè)領(lǐng)域。隨著航拍技術(shù)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)將打破傳統(tǒng)橋隧設(shè)備檢查方法自身的局限性，在橋隧設(shè)備檢查領(lǐng)域得到長遠(yuǎn)的發(fā)展應(yīng)用。

1.2 無人機(jī)檢查系統(tǒng)及工作原理無人機(jī)檢查系統(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（見圖2）。

圖2 無人機(jī)檢查系統(tǒng)組成

圖2 中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于系統(tǒng)控制信號、檢查數(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，以便及時(shí)糾正飛行軌跡和發(fā)現(xiàn)設(shè)備明顯病害。其他設(shè)備除了常規(guī)的維修保養(yǎng)工具外，還包含檢查結(jié)果分析處理系統(tǒng)。需注意的是：用于設(shè)備檢查的無人機(jī)與常規(guī)航拍無人機(jī)的三軸增穩(wěn)云臺、高清攝像機(jī)位置不同，前者位于飛行器上方，后者位于飛行器下方。

無人機(jī)檢查系統(tǒng)組成及工作原理示意如圖3 所示。

圖3 無人機(jī)工作原理

1.3 無人機(jī)檢查優(yōu)勢無人機(jī)能夠定點(diǎn)懸停觀測，實(shí)時(shí)傳輸畫面，且能自控飛行，與傳統(tǒng)橋隧設(shè)備檢查方法相比，具有以下優(yōu)勢。

1）成本低。無人機(jī)涉及的所用的GNSS 導(dǎo)航、數(shù)碼影像、無線電遙控等技術(shù)均為比較成熟的技術(shù)，且已在各領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，可以直接到達(dá)檢查部位，無需其它輔助措施,從而節(jié)省費(fèi)用。

2）精度高。多軸飛行器可以搭載高分辨率攝像機(jī)對各種設(shè)備病害進(jìn)行細(xì)致拍攝，能隨時(shí)操控拍攝位置，可進(jìn)行多次，反復(fù)檢查。目前裂縫識別精度能達(dá)到亞毫米級，即使0.1 mm的縫隙也可以被識別出來。

2）效率和安全系數(shù)高。如湖北省交通運(yùn)輸廳利用無人機(jī)對“世界第一高橋”——四渡河懸索橋索塔單面進(jìn)行檢查，只需要不到15 min的時(shí)間，提高了作業(yè)效率。無人機(jī)無需搭架或者吊籃配合人員檢查，極大地提高了作業(yè)的安全性。大疆經(jīng)緯M210 無人機(jī)配備的前視傳感器可感知前方30 m 范圍內(nèi)障礙物，頂部紅外感知系統(tǒng)可探測上方5 m 內(nèi)的物體，有效避免碰撞，降低了無人機(jī)碰撞墜落風(fēng)險(xiǎn)。

2 無人機(jī)在橋隧設(shè)備檢查中的應(yīng)用

結(jié)合中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司寧波工務(wù)段（以下簡稱寧波工務(wù)段）實(shí)踐，簡要闡述無人機(jī)在橋隧設(shè)備檢查中的應(yīng)用方法及效果，印證其經(jīng)濟(jì)性、高效性、全面性和安全性等特點(diǎn)

2.1 裂縫及高橋墩檢查通過高清攝像頭拍攝檢查對應(yīng)裂縫，經(jīng)過圖片分析后，對于裂縫長度、寬度可進(jìn)行集中標(biāo)注，可以針對索搭、橋塔、橋腹、支座、隧道拱頂?shù)忍厥獠课贿M(jìn)行有效分析，評估裂縫病害程度更加直觀、清晰。

如杭深線既有橋墩受自然風(fēng)化等因素影響，墩身混凝土保護(hù)層出現(xiàn)不同程度脫落、鋼筋銹蝕、混凝土爆裂等病害。僅寧波工務(wù)段負(fù)責(zé)養(yǎng)護(hù)維修的螺洋、湖頭、西桐、潘郎4 座特大橋已有63 處橋墩存在嚴(yán)重劣化現(xiàn)象，而對于水中墩及高度較大的橋墩狀態(tài)尚未完全掌握。利用無人機(jī)檢查后對上述大橋及橋墩諸如混凝土蜂窩麻面、露筋、剝落掉塊等病害有了全面、精準(zhǔn)掌握，為及時(shí)整治病害提供了可靠依據(jù)。圖4為寧波工務(wù)段運(yùn)用無人機(jī)對杭深線四渡河大橋索塔混凝土質(zhì)量檢查實(shí)拍照片。

圖4 四渡河大橋索塔混凝土質(zhì)量檢查情況

2.2 鋼梁橋檢查寧波工務(wù)段管內(nèi)共有10 座明橋面鋼梁橋，對節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處的高強(qiáng)螺栓檢查是重點(diǎn)檢查項(xiàng)目。傳統(tǒng)方法多為可見范圍內(nèi)的腹桿、下弦桿連接處螺栓檢查，對于上弦桿、上平聯(lián)及下桁架連接處螺栓則為檢查盲區(qū)，平時(shí)很難檢查到位。通過對無人機(jī)拍攝高清畫面回放分析，可準(zhǔn)確判斷鋼梁高強(qiáng)螺栓有無缺失。若攜帶紅外感測系統(tǒng)，根據(jù)紅外應(yīng)力譜，還可判斷高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力有無松弛，進(jìn)而判斷螺栓有無松動，大大減輕養(yǎng)護(hù)檢查工作量，同時(shí)提高分析效率和精確性。

2.3 高墩支座檢查杭深線全線共有27 座連續(xù)梁合計(jì)167 處高橋墩缺少固定吊籃及檢查梯，人員無法到達(dá)墩頂檢查，過去只能用望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)距離觀察，病害識別誤差較大。運(yùn)用無人機(jī)對構(gòu)件進(jìn)行多角度拍攝和對運(yùn)用軟件對圖形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，較好解決了人工檢查存在無法準(zhǔn)確掌握支座有無銹蝕、有無滑移，無法確定支承墊石是否積水以及有無建筑遺留垃圾堆積等難題。

2.4 隧道口檢查寧波工務(wù)段管內(nèi)共有隧道126座，隧道口附近地理環(huán)境復(fù)雜,受臺風(fēng)等強(qiáng)降雨天氣易發(fā)生水害,對設(shè)備及行車安全造成隱患。為進(jìn)一步了解地形地貌、排水系統(tǒng)、防護(hù)加固設(shè)備分布及走向，全面消除安全隱患，確保行車安全，寧波工務(wù)段對段管內(nèi)列入三級防洪點(diǎn)的隧道口進(jìn)行了無人機(jī)360°航拍，并結(jié)合VR 虛擬技術(shù)、后期PS處理技術(shù)制作了3D實(shí)景模型，準(zhǔn)確掌握了隧道口設(shè)備及環(huán)境狀況，方便了職工設(shè)備檢查、防洪排查。

3 展望0

3.1 無人機(jī)應(yīng)用展望通過對構(gòu)件多角度拍攝，根據(jù)圖像由軟件自動生成三維立體圖形，將三維圖形導(dǎo)出后可形成高精度的三維模型，三維模型可作為設(shè)備檔案保存，以便將來為維修工作提供技術(shù)參考。將建立好的3D圖導(dǎo)入到地面站系統(tǒng)中，在系統(tǒng)中導(dǎo)入的3D 坐標(biāo)可以直接轉(zhuǎn)換為無人機(jī)接入的坐標(biāo)，無人機(jī)在飛行和航線定制時(shí)，可以直接參考該坐標(biāo)，完成路徑規(guī)劃、自主飛行功能。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，通過對視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析處理，確定所檢查對象是否達(dá)標(biāo)，各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)病害等。對所有檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比之后，得出初步檢查結(jié)果，并對所有的結(jié)果按格式錄入報(bào)告系統(tǒng)，自動生成分析報(bào)告。

3.2 橋隧設(shè)備檢查維護(hù)新科技應(yīng)用展望展望未來，橋隧設(shè)備維護(hù)還可引入下列新科技：

1）發(fā)展機(jī)器人取代高風(fēng)險(xiǎn)檢查作業(yè)模式，并具備智能化功能，可以主動分析病害缺陷，及時(shí)提出維修補(bǔ)強(qiáng)對策。

2）通過建立三維模型和運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)，提高職工培訓(xùn)模擬操作實(shí)效。

3）利用互聯(lián)網(wǎng)無線傳輸數(shù)據(jù)，鏈接現(xiàn)場感應(yīng)裝置及云端數(shù)據(jù)庫，配合大數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。建立設(shè)備專屬二維碼，在現(xiàn)場掃描二維碼，立即鏈接云端數(shù)據(jù)庫，取得設(shè)備基本數(shù)據(jù)，及過去檢查病害記錄，便于快速進(jìn)行檢查及分析。