無人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展研究

吳厚鑫

摘 要：作為大型土木工程的一種，橋梁工程的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，由于橋梁結(jié)構(gòu)需要發(fā)揮荷載的作用，所以必須防止其出現(xiàn)老化、腐舊的情況，達(dá)到排除橋梁質(zhì)量隱患、安全隱患的目的。當(dāng)橋梁投入使用后，后續(xù)也會(huì)出現(xiàn)很多問題，例如損傷累積、抗力衰退等，因此為了提高橋梁檢測(cè)成效，我們通常借助無人機(jī)進(jìn)行輔助?；诖?，本文主要分析無人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);橋梁檢測(cè);應(yīng)用與發(fā)展

在改革開放不斷深化的過程中，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，其中橋梁以平均每年2萬座的速度在快速地增長(zhǎng)，截至2020年，我國(guó)公路橋梁數(shù)量遠(yuǎn)超85萬座，儼然成為國(guó)際橋梁第一大國(guó)[2]。在公路橋梁建設(shè)快速發(fā)展的過程中，如何保證橋梁的安全性以及耐久性是亟待解決的一個(gè)問題，因此我們必須加強(qiáng)對(duì)橋梁的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)力度。

1 傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方式概述

1.1 橋梁檢測(cè)作業(yè)分類

橋梁檢測(cè)一般是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)以及橋梁外觀進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果評(píng)定。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候通常需要應(yīng)用力學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助;而在檢測(cè)橋梁外觀的時(shí)候，一般是借助肉眼或其他輔助工作完成，例如望遠(yuǎn)鏡、橋檢車等。在進(jìn)行橋梁檢測(cè)作業(yè)的時(shí)候，可以將作業(yè)內(nèi)容分成四個(gè)部分，分別是日常巡檢、經(jīng)常巡檢、定期檢測(cè)和專項(xiàng)檢測(cè)。

在進(jìn)行日常巡檢的時(shí)候一般是通過目測(cè)的方式，檢查橋梁上是否出現(xiàn)零部件缺失、損壞等問題，判定橋梁結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)異變。而經(jīng)常檢測(cè)需要添加相應(yīng)的輔助工具，對(duì)橋梁各部件進(jìn)行檢測(cè)，判斷橋梁部件損傷程度。定期檢測(cè)表示全面對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)。而專項(xiàng)檢測(cè)一般是出現(xiàn)特殊情況的時(shí)候才會(huì)使用的一種檢測(cè)方式，例如車禍、洪水、地震等。

1.2 傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)相關(guān)設(shè)備

在進(jìn)行橋梁檢測(cè)的時(shí)候最常用的方法是目視，儀器一般是對(duì)人工進(jìn)行輔助。常用的橋梁檢測(cè)設(shè)備有望遠(yuǎn)鏡、梁下檢修桁車、登高車、橋塔檢修吊臺(tái)等，是當(dāng)前大部分橋梁保養(yǎng)單位的工作方式。其中登高車主要是將檢測(cè)人員送到檢測(cè)位置，在具體進(jìn)行橋梁損壞測(cè)量的時(shí)候還需要借助專業(yè)的手段進(jìn)行檢測(cè)。在橋梁檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，其檢測(cè)方式和手段也越來越多，正逐漸朝著智能化的方向發(fā)展，其中纜索機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人機(jī)等設(shè)備是很常見的。

2 無人機(jī)橋梁檢測(cè)特征

2.1 無人機(jī)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)用無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建完整的無人機(jī)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)，通過無人機(jī)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等不同結(jié)構(gòu)的結(jié)合，有效發(fā)揮對(duì)橋梁的檢測(cè)作用。從飛行結(jié)構(gòu)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行劃分，當(dāng)前可用于橋梁檢測(cè)的民用無人機(jī)可以分成三類：旋翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)以及固定翼無人機(jī)。旋翼無人機(jī)主要是通過旋翼的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力的一種飛行棋，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行垂直起降，能夠在有限時(shí)間內(nèi)懸停在空中，能夠在比較復(fù)雜的空間環(huán)境下完成對(duì)圖像的采集，因此使用無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)通常采用的是旋翼式無人機(jī)。采用無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，可以將GPS等檢測(cè)設(shè)備配置到無人機(jī)上。與專用于航拍的無人機(jī)比起來，橋梁檢測(cè)的無人機(jī)將三軸增穩(wěn)云臺(tái)放置在機(jī)體上方，而航拍無人機(jī)其云臺(tái)則置于機(jī)體下方。

2.2 無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

和傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方式相比，無人機(jī)能夠掛載檢測(cè)設(shè)備在空中進(jìn)行作業(yè)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為突出，本身具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，能夠快速檢測(cè)到傳統(tǒng)檢測(cè)方式觸及不到的地方，彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)的短板和死角。在具體操作過程中，無人機(jī)的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，其具有小巧、輕便的特點(diǎn)，在進(jìn)行運(yùn)輸和維護(hù)的時(shí)候非常便捷。和傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備相比，無人機(jī)的成本更低，使用無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)不用封閉交通，不會(huì)影響正常交通秩序。從安全方面考了，無人機(jī)完全可以代替人工高工作業(yè)的方式，相關(guān)人員能夠在相對(duì)安全的地方完成對(duì)橋梁的檢測(cè)，人身安全進(jìn)一步得到保障。無人機(jī)檢測(cè)一般會(huì)用在對(duì)橋梁的經(jīng)常性檢測(cè)作業(yè)中，并通過望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備進(jìn)行輔助，能夠提高養(yǎng)護(hù)人員的巡檢效率[3]。在進(jìn)行定期檢測(cè)以及特殊檢測(cè)的時(shí)候，無人機(jī)能夠提高檢測(cè)的安全性，通過與專業(yè)檢測(cè)設(shè)備的精確結(jié)合，有效完成檢測(cè)作業(yè)，提高橋梁檢測(cè)效率與成效，達(dá)到降低檢測(cè)成本的效果。

2.3 無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)流程

無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施是否規(guī)范，直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。以美國(guó)無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)為例，其將無人機(jī)橋梁檢測(cè)分成了五個(gè)步驟，分別是橋梁信息分析、場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、準(zhǔn)備無人機(jī)、無人機(jī)實(shí)施檢測(cè)、識(shí)別損傷。而韓國(guó)的交通運(yùn)輸部門將無人機(jī)檢測(cè)分成了三個(gè)步驟，分別是檢測(cè)前準(zhǔn)備、檢測(cè)階段以及檢測(cè)后數(shù)據(jù)處理階段。在檢測(cè)準(zhǔn)備期間，主要是制定檢測(cè)方案并初步對(duì)掌握橋梁基本信息;檢測(cè)期間由相關(guān)技術(shù)人員控制無人機(jī)到達(dá)指定檢測(cè)點(diǎn)，具體開展圖像采集工作;檢測(cè)完畢對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，主要通過圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，判定橋梁狀態(tài)和損傷程度。這兩個(gè)國(guó)家雖然將無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)分成了不同的步驟，但是其基本檢測(cè)流程以及內(nèi)容基本是相同的。

3 無人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的優(yōu)劣勢(shì)分析

3.1 優(yōu)勢(shì)分析

和傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)手段相比，無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[4]。

3.1.1 整體性好，效率高

無人機(jī)能夠輕松到達(dá)人力難以觸及的部位，能夠?qū)?xì)節(jié)部位進(jìn)行反復(fù)采樣，檢測(cè)效率非常高，極大縮減橋梁檢測(cè)的時(shí)間，多方面控制檢測(cè)成本。

3.1.2 靈活性強(qiáng)

無人機(jī)檢測(cè)方案具有較強(qiáng)的靈活性，檢測(cè)人員能夠在后臺(tái)對(duì)檢測(cè)方案進(jìn)行調(diào)整和修改，通常會(huì)配備多種預(yù)備方案，會(huì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)方案作出調(diào)整。

3.1.3 成本低

使用無人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)，不需要投入大量物力、人力成本，只需要打造一個(gè)具備無人機(jī)操控技術(shù)的團(tuán)隊(duì)即可，通過使用無人機(jī)對(duì)橋梁病害情況進(jìn)行初篩，可以極大縮減精簡(jiǎn)設(shè)備費(fèi)用。

3.1.4 安全性強(qiáng)

無人機(jī)幾乎可以完全替代人力在橋座、橋墩、橋腹等較危險(xiǎn)地段進(jìn)行檢測(cè)，能夠最大程度降低人工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 劣勢(shì)分析

3.2.1 容易受環(huán)境因素影響

常規(guī)配置的無人機(jī)在對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，很容易受到周邊環(huán)境的影響，例如大風(fēng)天氣、電磁環(huán)境以及物理環(huán)境，這些因素都會(huì)對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定性造成影響，進(jìn)而影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2.2 受無人機(jī)配置條件影響較大

無人機(jī)的配置不同，其負(fù)載能力、穩(wěn)定性、續(xù)航、防風(fēng)等能力的差別比較大，直接影響橋梁檢測(cè)的結(jié)果。所以為了達(dá)到良好的檢測(cè)效果，在制定檢測(cè)方案的時(shí)候，通常會(huì)考慮橋梁類型和環(huán)境因素，進(jìn)而選擇合適的無人機(jī)。例如在對(duì)大型橋梁進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，續(xù)航能力強(qiáng)的無人機(jī)為首選;如果被檢測(cè)橋面過寬，應(yīng)當(dāng)考慮無人機(jī)是否會(huì)出現(xiàn)信號(hào)弱的問題，適當(dāng)為無人機(jī)施加雷達(dá)避阻、紅外測(cè)距等技術(shù)手段。

3.2.3 對(duì)操作人員要求較高

因?yàn)闃蛄簷z測(cè)需要較高的專業(yè)度，從一定程度上講在進(jìn)行無人機(jī)操作的時(shí)候操作人員需要具備一定的專業(yè)素養(yǎng)，具備有效識(shí)別橋梁病害的能力。因?yàn)闊o人機(jī)操作具有一定難度，因此操作人員的門檻比較高，進(jìn)而限制了無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)的推廣。

4 無人機(jī)橋梁檢測(cè)硬件設(shè)備要求

無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)與其他領(lǐng)域的無人機(jī)相比有很大不同，用于橋梁檢測(cè)的無人機(jī)需要在未配備GPS的情況下穩(wěn)定懸停，同時(shí)還需要搭載高精度的相機(jī)采集橋梁病害數(shù)據(jù)。使用無人機(jī)檢測(cè)橋梁需要用到的硬件設(shè)備可以分為以下五種。

4.1 飛行器主體

因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，無人機(jī)在采集圖像數(shù)據(jù)的時(shí)候需要完成穩(wěn)定懸停拍攝，通常采用穩(wěn)定性較強(qiáng)的旋翼無人機(jī)，要考慮無人機(jī)在飛行過程中可能會(huì)出現(xiàn)的碰撞問題，所以應(yīng)當(dāng)施加一定的保護(hù)措施，避免無人機(jī)與橋梁結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)發(fā)生炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 橋下定位

橋梁下方空間以及橋梁鋼鐵結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生磁干擾，會(huì)對(duì)GPS信號(hào)造成影響，進(jìn)而影響無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性。因此要充分考慮橋梁檢測(cè)過程中，橋梁鋼鐵結(jié)構(gòu)、地板等復(fù)雜環(huán)境，應(yīng)當(dāng)為無人機(jī)配備超聲波、視覺定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)，確保無人機(jī)可以在無人操作的情況下完成作業(yè)。

4.3 上置云臺(tái)

橋梁檢測(cè)期間，對(duì)橋梁支座等結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)需要使用上置相機(jī)收集圖像數(shù)據(jù)，所以應(yīng)當(dāng)在無人機(jī)上端安裝三軸穩(wěn)定云臺(tái)，便于通過無人機(jī)對(duì)橋梁特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝。

4.4 變焦相機(jī)

在橋梁病害當(dāng)中，裂縫是很難被觀測(cè)到的，將變焦相機(jī)配置到上置云臺(tái)上，可以在相應(yīng)的距離范圍內(nèi)通過光學(xué)變焦拍攝到清晰的圖片，為后續(xù)軟件處理和分析提供良好的幫助。

4.5 圖像傳輸

在檢測(cè)大型橋梁的時(shí)候，出于安全性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性考慮，檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)獲取無人機(jī)信息，應(yīng)用穩(wěn)定的圖像傳輸技術(shù)，能夠保證橋梁檢測(cè)的安全和效率。

5 橋梁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展展望

和傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)相比，無人機(jī)能夠彌補(bǔ)橋梁檢測(cè)中的效率和經(jīng)濟(jì)短板，同時(shí)還能夠在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，降低橋梁檢測(cè)的難度。但是在當(dāng)前橋梁檢測(cè)中，無人機(jī)通常被當(dāng)作空中信息采集站，如何對(duì)采集的信息進(jìn)行識(shí)別、管理和跟蹤，將無人機(jī)檢測(cè)的潛能充分發(fā)揮出來還是一個(gè)亟待解決的問題。筆者認(rèn)為未來無人機(jī)橋架檢測(cè)技術(shù)可能會(huì)朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。

5.1 實(shí)景三維以及BIM結(jié)合應(yīng)用

通過3D視角對(duì)橋梁的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，結(jié)合所展示的數(shù)據(jù)有效對(duì)橋梁進(jìn)行管理和維護(hù)，橋梁檢測(cè)的效率得到進(jìn)一步提升。

5.2 橋梁檢測(cè)朝智能化發(fā)展

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，未來橋梁檢測(cè)將會(huì)朝著智能化的方向發(fā)展，無人機(jī)將會(huì)搭載智能化功能，逐漸取代人工對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，最大程度降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高檢測(cè)效率[1]。

5.3 自動(dòng)化水平提升

未來通過無人機(jī)對(duì)橋梁病害數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其數(shù)據(jù)采集的方式逐漸朝自動(dòng)化方向發(fā)展，結(jié)合多種定位技術(shù)，根據(jù)提前設(shè)計(jì)好的飛行航線無人機(jī)能夠自主完成采集工作，降低人工操作的難度。

6 結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)日漸成熟的今天，無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)技術(shù)。應(yīng)用無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，能夠高效檢測(cè)出橋梁病害問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁病害的精準(zhǔn)識(shí)別。無人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用，能夠極大縮減橋梁檢測(cè)成本，提高檢測(cè)效率，在未來科技發(fā)展的過程中，無人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)也將朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。

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