無人機(jī)在橋梁檢測中的應(yīng)用研究

劉威，丁霄霄，宗譽(yù)

1上海市交通發(fā)展研究中心， 2上海交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 3上海市嘉定區(qū)公路管理所

0 引 言

析現(xiàn)有無人機(jī)橋梁檢測技術(shù)的優(yōu)劣勢，為橋梁的安全防范保障工作提供科學(xué)支撐。

提升公路橋梁的安全性、耐久性、可靠性是橋梁建設(shè)養(yǎng)護(hù)工作的重要內(nèi)容。為防患于未然，采用有效手段對橋梁的安全狀況進(jìn)行檢測和評估十分必要。我國現(xiàn)行的橋梁檢測手段主要仍為傳統(tǒng)方式。隨著科技的發(fā)展，越來越多的公路管理機(jī)構(gòu)和養(yǎng)護(hù)作業(yè)單位開始利用新技術(shù)、新設(shè)備來實(shí)現(xiàn)橋梁檢測工作的降本增效。在此背景下，無人機(jī)橋梁檢測技術(shù)作為一種橋梁檢測輔助方案，開始受到廣泛關(guān)注。有必要通過工程實(shí)例，驗(yàn)證無人機(jī)作為補(bǔ)充橋梁檢測工具的有效性，分

1 傳統(tǒng)的橋梁檢測方式

1.1 橋梁檢測作業(yè)分類

橋梁檢測主要是對橋梁外觀和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢查評定，對橋梁結(jié)構(gòu)性能的檢查一般需要通過一系列的力學(xué)試驗(yàn)完成，而對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）[1-2]。

橋梁檢測作業(yè)主要分為日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查和專項(xiàng)檢查。日常巡查采用乘車目測，對橋面及以上部分的構(gòu)件缺損及橋梁結(jié)構(gòu)異常變位情況進(jìn)行判定，以定性判定為主。經(jīng)常檢查采用抵近目測結(jié)合輔助工具對橋梁目測所及的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行檢查并對損傷進(jìn)行定性判定。定期檢查是確定橋梁技術(shù)狀況的全面檢查。專項(xiàng)檢查指在特定情況下（如橋梁因洪水沖刷、物體撞擊、自然災(zāi)害造成損壞、橋梁技術(shù)狀況達(dá)到四類、五類標(biāo)準(zhǔn)的情況）對橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行鑒定。不同類型橋梁檢測作業(yè)的檢查內(nèi)容如表1所示。

表1 不同橋梁檢測作業(yè)的檢查內(nèi)容

1.2 橋梁檢測相關(guān)設(shè)備

橋梁檢測一般以目視為主，儀器為輔。常規(guī)的橋梁檢測設(shè)備有望遠(yuǎn)鏡、橋檢車、登高車、梁下檢修桁車、橋塔檢修吊臺等，是目前絕大多數(shù)橋梁養(yǎng)護(hù)單位的工作模式。其中，橋檢車、登高車主要用于輔助工作人員抵近檢查部位，對于橋梁病害的定量觀測還需借助專業(yè)手段如裂縫卡片、裂縫測寬儀（光學(xué)、電子、機(jī)械）等。隨著技術(shù)的發(fā)展，橋梁的檢測方法和手段也逐步智能化，其中應(yīng)用相對較多的有無人機(jī)、纜索機(jī)器人和水下機(jī)器人等。

1.3 橋梁檢測手段發(fā)展方向

橋梁檢測作業(yè)存在難全面、難及時(shí)、任務(wù)重、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等工作難點(diǎn)。針對以上工作難點(diǎn)，傳統(tǒng)橋梁檢測方式的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：人工識別靈活性強(qiáng)、前期投入低。不足之處則表現(xiàn)在：易受橋梁結(jié)構(gòu)及地理環(huán)境影響、風(fēng)險(xiǎn)成本高、效率低等。因此，未來的橋梁檢測手段需重點(diǎn)關(guān)注以下方面的需求：

①提升檢測效率。首先，傳統(tǒng)橋檢方式還無法滿足對懸索橋等特殊結(jié)構(gòu)橋梁或者大跨、高墩橋梁的橋梁底板、高塔柱、斜拉鋼索、塔頂結(jié)構(gòu)等部位的高效檢測[1、3]。受地形所限，對高凈空橋梁、涉水橋梁的日常檢查，對橋梁支座、橋底情況的全面觀測等存在難度；其次，受檢測頻率及效果的限制，傳統(tǒng)手段通常難以形成常態(tài)化高頻度的檢測機(jī)制，對輕微但累積性顯著的損傷，容易存在偵測不及時(shí)的問題，不利于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防預(yù)控；最后，傳統(tǒng)手段往往以人工為工作主體，培訓(xùn)成本高，且經(jīng)驗(yàn)、能力、積極性和責(zé)任感存在個(gè)體差異。

②提高安全系數(shù)。提高安全系數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、病害多樣，檢測過程需要人員貼近橋梁的各個(gè)檢測部分進(jìn)行觀測，往往對人身安全造成威脅，有必要利用機(jī)器的機(jī)動性實(shí)現(xiàn)檢查盲區(qū)的全覆蓋，特別是對橋墩、橋座、橋腹等危險(xiǎn)場所的檢測，避免動用大型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)降低操作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

③降低檢測成本。一方面，橋梁檢測作業(yè)任務(wù)重，通常需要投入較高的人力成本，且傳統(tǒng)橋梁檢測方式通常需要借助多種輔助措施以抵近檢查部位，整體檢測費(fèi)用較高。另一方面，利用傳統(tǒng)方式開展橋梁檢測作業(yè)，通常需要封閉橋梁中斷交通，對周邊單位和通行者帶來較大的影響和不便。

④提升數(shù)據(jù)分析效率。目前橋梁相關(guān)檢測數(shù)據(jù)的存儲與應(yīng)用效率不高。一是橋梁基本信息以圖紙檔案的形式保存，構(gòu)件等技術(shù)狀況以文字記錄為主，調(diào)閱不便且缺乏直觀性；二是病害類型、位置、程度等統(tǒng)計(jì)分析工作依賴手工完成，受限于人員的技術(shù)水平；三是橋梁歷史信息如病害的發(fā)展歷程、維修記錄等情況分布于不同的技術(shù)文件中，整合程度低，不利于養(yǎng)護(hù)工作的總體統(tǒng)籌。

2 無人機(jī)橋檢國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀與研究重點(diǎn)

2.1 應(yīng)用方向

無人機(jī)橋檢技術(shù)的應(yīng)用方向主要有輔助橋梁表觀病害檢測、橋梁事故原因調(diào)查、橋梁施工調(diào)查、竣工驗(yàn)收等。

①輔助橋梁表觀病害檢測。輔助橋梁表觀病害檢測是目前無人機(jī)橋檢技術(shù)的主要發(fā)展方向。如，2017年7月，福建省南平市公路局利用無人機(jī)及時(shí)發(fā)現(xiàn)了金溪大橋存在的拱肋裂縫、加固鋼板銹蝕、混凝土剝落、弦桿貫穿性斷裂等病害，從而根據(jù)無人機(jī)拍攝的高清圖片，迅速組織相關(guān)單位進(jìn)行商討，及時(shí)確定了加固方案，完成了危橋處置。

②輔助橋梁事故原因調(diào)查[4]。如，2018年1月，美國混凝土學(xué)會應(yīng)哥倫比亞國家基建局邀請，對發(fā)生主塔坍塌事故的Chirajara大橋（哥倫比亞在建斜拉橋）進(jìn)行無人機(jī)橋檢，輔助調(diào)查事故原因。

③輔助橋梁施工調(diào)查、竣工驗(yàn)收。國內(nèi)外已有不少利用無人機(jī)輔助橋梁施工調(diào)查、竣工驗(yàn)收的案例。2017年5月17日，中鐵八局橋梁公司借助無人機(jī)開展韶新高速公路項(xiàng)目施工調(diào)查，利用無人機(jī)航拍技術(shù)對沿線調(diào)查組人員無法到達(dá)區(qū)域的臨時(shí)用地、拌合站選址等多處地形地貌進(jìn)行了詳細(xì)勘測，為項(xiàng)目順利開工創(chuàng)造了有利條件。

2.2 研究重點(diǎn)

目前對無人機(jī)橋梁檢測的研究集中在技術(shù)研究和應(yīng)用研究兩方面。技術(shù)研究主要解決無人機(jī)在橋下的信號缺失問題、病害數(shù)據(jù)自動識別問題、安全性問題等；應(yīng)用領(lǐng)域則更加關(guān)注無人機(jī)橋梁檢測技術(shù)的實(shí)效性，特別是檢測效果與橋梁檢測規(guī)范的匹配問題。

①技術(shù)研究

一是GPS信號缺失問題。主要研究如何解決無人機(jī)由于橋體鋼結(jié)構(gòu)引起的磁屏蔽問題、橋板面遮擋引起的GPS信號缺失等問題[1]。

二是自動病害識別。重點(diǎn)研究無人機(jī)橋梁視覺檢測技術(shù)：在分析橋梁結(jié)構(gòu)表面圖像特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像增強(qiáng)、圖像分割、噪聲消除等數(shù)字圖像處理技術(shù)，提出相應(yīng)的算法，實(shí)現(xiàn)橋梁病害的自動分類與自動標(biāo)記、表面裂縫寬度與鋼板銹蝕率等結(jié)構(gòu)安全程度量化指標(biāo)的定量分析[1、5]。

三是無人機(jī)安全性問題。主要研究如何解決無人機(jī)在進(jìn)行特殊橋梁特定部位的檢測時(shí)，無法進(jìn)行有效的航線規(guī)劃、規(guī)劃精度無法達(dá)到橋梁檢測需求、撞機(jī)風(fēng)險(xiǎn)大等問題。

②應(yīng)用研究

一是無人機(jī)橋梁檢測技術(shù)有效性評估。主要結(jié)合無人機(jī)橋梁檢測技術(shù)的特點(diǎn)及橋梁檢測的規(guī)范要求，分析出無人機(jī)橋梁檢測技術(shù)的適用方向，并結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行驗(yàn)證。如2016年，美國特拉華河灣管理局利用無人機(jī)對特拉華紀(jì)念橋進(jìn)行檢查，將獲得的錨錠、混凝土橋墩、鋼絲繩以及橋梁上層結(jié)構(gòu)的動態(tài)視頻和靜態(tài)畫面數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)檢測方式所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以評估無人機(jī)橋檢的有效性。

二是專業(yè)無人機(jī)橋檢系統(tǒng)研發(fā)。研究內(nèi)容為：選用穩(wěn)定的無人機(jī)系統(tǒng)，結(jié)合橋梁檢測的特殊性，進(jìn)行針對性的研發(fā)改進(jìn)，使無人機(jī)檢測平臺適用于橋梁的專業(yè)性檢測[6]。如針對跨海大橋水下部分橋體損傷檢測的難點(diǎn)，開發(fā)?？諆捎玫臒o人機(jī)橋檢系統(tǒng)。

3 無人機(jī)橋梁檢測工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 應(yīng)用實(shí)例概況

惠平路蘊(yùn)藻浜大橋修建于2014年，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級。該橋主橋?yàn)殇撓淞盒崩瓨?，兩端引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。下部結(jié)構(gòu)為輕型橋臺，樁柱式橋墩。2018年該橋全橋總體技術(shù)狀況評定為2類，見圖1。

圖1 惠平路蘊(yùn)藻浜大橋主橋照片

無人機(jī)橋梁檢測系統(tǒng)主要由無人機(jī)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、移動端控制系統(tǒng)及地面站系統(tǒng)等組成[2]。實(shí)驗(yàn)選用的無人機(jī)機(jī)型為大疆M200，機(jī)載攝像頭為大疆Z30。無人機(jī)橋梁檢測內(nèi)容主要包括檢查斜拉索螺栓有無松動或缺失、鋼結(jié)構(gòu)涂層是否缺陷、銹蝕、焊縫開裂、路面是否有裂縫、坑槽、車轍、修補(bǔ)等。

3.2 無人機(jī)橋梁檢測作業(yè)

①橋梁外觀檢測

無人機(jī)橋檢作業(yè)包括巡檢任務(wù)規(guī)劃、無人機(jī)自動作業(yè)、圖片建模、病害識別、數(shù)據(jù)交互、定期復(fù)查等環(huán)節(jié)。巡檢航線規(guī)劃如圖2所示。

圖2 巡檢航線規(guī)劃

根據(jù)橋梁不同部位的航線，需設(shè)置不同的拍照方式，控制照片重疊率在90%以上。不同部位的無人機(jī)拍攝方式設(shè)置見表2。將規(guī)劃好的飛行任務(wù)上傳至無人機(jī)，手動解鎖后無人機(jī)將按規(guī)劃路徑自動執(zhí)行巡檢任務(wù)（圖3），巡檢過程可在地面端實(shí)時(shí)查看。當(dāng)電池電量較低時(shí)無人機(jī)將自動返航，更換電池后可從斷點(diǎn)處續(xù)航。四旋翼無人機(jī)平均續(xù)航約20至30分鐘，本次橋梁檢測共8條路徑，總耗時(shí)約2小時(shí)，共更換6次電池，采集有效照片約1 000張。

圖3 無人機(jī)按巡檢航線自動作業(yè)

表2 無人機(jī)拍攝方式設(shè)置

②橋梁病害圖像識別

計(jì)算機(jī)自動識別橋梁所存在的病害，利用云端智能技術(shù)對裂縫、銹蝕、破損等病害進(jìn)行初篩（圖4），并在圖片和模型上進(jìn)行標(biāo)識，其精確度可達(dá)毫米級，對于部分識別結(jié)果存疑的圖片，由專家進(jìn)行人工標(biāo)記。無人機(jī)橋梁檢測結(jié)果如表3所示。

圖4 銹蝕識別示例圖

③橋梁建模

無人機(jī)飛行任務(wù)結(jié)束，將圖片上傳至云端服務(wù)器后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括對應(yīng)傳感器尺寸，重建精度及文件大小限制等，隨后由計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行多視角三維重建[7]，并將所有圖片與模型關(guān)聯(lián)，橋體關(guān)鍵部位建模效果見圖5，橋梁整體建模效果如圖6所示。

3.3 檢測結(jié)果處理與分析

對照地圖數(shù)據(jù)、實(shí)地測量數(shù)據(jù)與模型測量數(shù)據(jù)，無人機(jī)橋梁檢測橋體測量整體精度達(dá)到了厘米級，針對表面裂縫精確到了毫米級，驗(yàn)證了無人機(jī)應(yīng)用于橋梁表觀病害采集具有可行性，見表4、表5。

4 無人機(jī)在橋梁檢測中的優(yōu)劣勢

4.1 無人機(jī)在橋梁檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢

與傳統(tǒng)手段相比，無人機(jī)橋檢技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①效率高、整體性好。無人機(jī)可以到達(dá)傳統(tǒng)人力檢測較難觸及的部位，可對關(guān)鍵細(xì)節(jié)部分進(jìn)行重復(fù)采樣，且效率高，檢測耗時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人工檢測。

②靈活性高。無人機(jī)的檢測方案靈活可變，在后臺即可修改，且有多種方案備選，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行針對性調(diào)整。

③成本低。無人機(jī)橋檢無需投入大量人力、物力成本，一個(gè)飛行團(tuán)隊(duì)即可完成整座橋梁的病害圖片采集，且通過無人機(jī)進(jìn)行病害初篩，可大大減少精檢的費(fèi)用。

表3 惠平路蘊(yùn)藻浜大橋無人機(jī)橋梁檢測結(jié)果

圖5 橋體關(guān)鍵部位局部模型

圖6 橋梁建模效果

表4 地圖與模型測量對照表

表5 實(shí)地與模型測量對照表

④安全性高。無人機(jī)代替人力進(jìn)行橋墩、橋座、橋腹等危險(xiǎn)場所的檢測，大大降低了操作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)[8]。

⑤影響小。無人機(jī)具備定點(diǎn)懸停觀測、實(shí)時(shí)傳輸畫面的功能，利用無人機(jī)開展橋梁經(jīng)常性檢查時(shí)無需封閉道路[3、8]，基本不影響正常交通。

4.2 無人機(jī)在橋梁檢測中的實(shí)際應(yīng)用問題

目前，無人機(jī)在橋梁檢測中存在的實(shí)際應(yīng)用問題如下：

①受環(huán)境條件制約。利用常規(guī)配置的無人機(jī)開展橋梁檢測作業(yè)，其效果受環(huán)境因素（氣候、溫濕度、風(fēng)速、電磁環(huán)境、物理環(huán)境）的影響較大。

②受無人機(jī)配置條件影響大。不同配置的無人機(jī)其穩(wěn)定性、帶載能力、續(xù)航能力、抗風(fēng)等級、場地適應(yīng)性能力差別較大。為達(dá)到較好的檢測效果，一般需要根據(jù)待檢橋梁的類型及檢測內(nèi)容等具體需求，開發(fā)針對性的無人機(jī)平臺。如檢測大型橋梁時(shí)，需要選用具有較強(qiáng)續(xù)航能力的無人機(jī)；檢測過寬的大橋時(shí)，無人機(jī)GPS信號缺失的問題突出，則需要為無人機(jī)配備橋下飛行定位GPS、紅外測距、視覺識別、雷達(dá)避阻等技術(shù)手段；在進(jìn)行特殊橋梁特定部位的檢測時(shí)，為滿足檢測需求，需要選用可實(shí)現(xiàn)較高航線規(guī)劃精度、具備防撞能力的無人機(jī)。

③對人員專業(yè)素養(yǎng)要求高[8]。由于橋梁檢測作業(yè)的專業(yè)度較高，一定程度上要求無人機(jī)操作人員具有一定的橋梁專業(yè)素養(yǎng)，具備識別橋梁病害的能力。無人機(jī)需要專業(yè)人員操控，而無人機(jī)操作人員的專業(yè)門檻較高，一定程度上限制了無人機(jī)橋檢技術(shù)的推廣應(yīng)用，未來需要相關(guān)行業(yè)開發(fā)出更先進(jìn)、更易操控、人機(jī)交互程度更高的地面站控制軟件，以滿足安全、易用、實(shí)用、便攜的使用訴求。

④病害數(shù)據(jù)處理能力有待提升[1、8]。無人機(jī)在橋梁檢測中的作用主要體現(xiàn)在橋梁病害數(shù)據(jù)采集方面，適用于橋梁的普查工作。目前自動病害識別技術(shù)還未完全成熟，未能實(shí)現(xiàn)對視頻圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動態(tài)分析，識別精度也有待提升[9-10]。無人機(jī)橋檢過程中如遇關(guān)鍵病害，仍需人工進(jìn)一步核實(shí)判定。以橋梁裂縫為例，《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004) 規(guī)定對于0.2mm以上裂縫必須進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，但當(dāng)前無人機(jī)橋檢技術(shù)仍無法滿足裂縫寬度的量化識別要求。

5 結(jié) 語

綜上，隨著無人飛行器控制技術(shù)、避障系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航技術(shù)等各相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，目前無人機(jī)技術(shù)在橋梁表觀病害采集方面已具備可行性，而在病害自動識別方面，現(xiàn)有的技術(shù)僅能做到判斷病害的有無，其對病害的識別精度與實(shí)用化程度的要求還相距甚遠(yuǎn)?；诖?，目前無人機(jī)應(yīng)用于橋梁日常巡查及經(jīng)常性檢查工作中時(shí)，其功能定位為：以無人機(jī)檢測系統(tǒng)為主，其他工具為輔，便于一線養(yǎng)護(hù)工作人員快速、高效、安全、全面地開展工作；應(yīng)用于橋梁定期檢測及特殊檢測工作中時(shí)，其功能定位為：提供快速、高效的前期檢測服務(wù)，快速排查、辨別明顯病害，為后續(xù)開展針對性的專業(yè)檢測設(shè)備精檢工作指明目標(biāo)，降低檢測成本。