新型無人機(jī)檢測技術(shù)在橋梁檢測工程中的應(yīng)用

崔龍

安徽省建設(shè)工程測試研究院有限責(zé)任公司 安徽 合肥 230000

引言

為了延長橋梁壽命，提高橋梁安全性，對橋梁檢測方法和技術(shù)的研究必不可少。橋面的裂縫、拱起、坑洞、剝落及梁體裂縫等是橋梁檢測的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的檢測方法基于人工視覺檢測，輔助搭建腳手架，掛籃，或者使用專門的橋梁檢測車，人力物力財力耗費較大，檢測效率低，還會妨礙交通運(yùn)營。在此背景下，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將無人機(jī)應(yīng)用于橋梁外觀檢測，對橋梁各部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)和深度學(xué)習(xí)方法等人工智能技術(shù)，進(jìn)行分析處理，可以有效提高橋梁外觀檢測水平，降低檢測成本，提高檢測效率。

1 橋梁檢測技術(shù)的應(yīng)用價值

第一，橋梁本身可能因為年久失修還有長期頻繁使用，導(dǎo)致其某一節(jié)部位出現(xiàn)了錯位、裂縫和沉降等不同程度的損傷。然而這些都是需要根據(jù)相關(guān)人員利用技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)和受損部位的嚴(yán)謹(jǐn)勘測來進(jìn)行判斷的，以此來解析目前橋梁本身可以承受的重量大小。第二，很早之前我國就建設(shè)了很多橋梁，所以目前有些大橋的使用時間是非常久遠(yuǎn)的，而整個橋梁結(jié)構(gòu)和荷載都是根據(jù)當(dāng)年的實際情況來進(jìn)行設(shè)計建造的。但是隨著我國社會經(jīng)濟(jì)逐漸的增長，交通流量逐漸增加，各種交通工具帶來了更復(fù)雜的交通體系，所以隨著車輛荷載的增加我們對橋梁的結(jié)構(gòu)和承載能力又有了新的標(biāo)準(zhǔn)和要求。對這種橋梁的有效檢測工作，讓我們可以以此為據(jù)來判斷整個橋梁的結(jié)構(gòu)和荷載能量是否可以滿足現(xiàn)在社會發(fā)展的需求，同時是否可以在修復(fù)加固橋梁的時候?qū)蛄旱暮奢d能力進(jìn)行一個全面的提高。第三，應(yīng)該完善我們的橋梁信息數(shù)據(jù)，對所有有關(guān)橋梁技術(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集存檔，同時讓這些數(shù)據(jù)與當(dāng)代技術(shù)相結(jié)合，來對橋梁工程進(jìn)行更加合理的修復(fù)和維護(hù)，同時深入分析橋梁養(yǎng)護(hù)方面出現(xiàn)的問題，并根據(jù)當(dāng)時的實際情況進(jìn)行有效的指導(dǎo)，為橋梁養(yǎng)護(hù)措施提供更加合理的意見，以此來對橋梁的加固和研究進(jìn)行更好的施工。第四，對于一些新型結(jié)構(gòu)的橋梁，通過有效使用橋梁檢測技術(shù)，能夠?qū)ο嚓P(guān)理論的實踐性和可靠性進(jìn)行相應(yīng)的判斷和分析，當(dāng)橋梁在使用過程中發(fā)生問題的時候，就可以及時解決，并同時判斷橋梁結(jié)構(gòu)的形式和設(shè)計理論。因此加強(qiáng)橋梁檢測技術(shù)研究具有重要的意義，需給予更多的關(guān)注[1]。

2 傳統(tǒng)橋梁檢測問題

①傳統(tǒng)的橋梁檢測方式很難直接檢測到預(yù)期位置，而需要借助一些輔助措施，操作十分困難。首先，對于某些危險場所如橋座、橋腹等，傳統(tǒng)方式對于人員都有一定的安全隱患;考慮到地形限制，涉水高空橋梁的傳統(tǒng)檢測，安全性也極低。其次，有些橋梁具有特殊的結(jié)構(gòu)例如懸索橋、大跨、高墩橋梁、斜拉橋以及拱橋的斜拉橋鋼索、橋梁底部、高塔柱頂?shù)炔课贿M(jìn)行檢測時，存在檢測盲區(qū)，在視線能力之外，而傳統(tǒng)的檢測必須搭架或吊籃進(jìn)行檢測，方法十分局限，效率也非常低。②傳統(tǒng)橋梁檢測都為人工檢測，通常使用肉眼直接觀察，主觀性會影響觀測結(jié)果，或者使用橋梁檢查車、雙筒望遠(yuǎn)鏡、裂縫觀測儀等工具去檢測橋梁是否有裂縫、開裂破損、氧化腐蝕等病害。然而對于輕微病害，當(dāng)橋梁出現(xiàn)輕微損傷甚至在陰暗處時，無法近距離觀察，細(xì)節(jié)常常會被忽略，檢測精度不高，效率太低。另外，傳統(tǒng)的橋梁檢測裂縫通過敲擊或者聽聲來辨別，無法精確到病害具體位置，存在很大的局限性。③傳統(tǒng)橋梁檢測以人工為主體，每個人工的技術(shù)、能力存在差異，在檢測的途中，人工有一定的風(fēng)險，無論是時間還是精力，都得不償失。首先，在進(jìn)行橋梁檢測時需要封閉道路，中斷交通，對周邊群眾、城市造成影響。檢測時間長，耗費人力物力，安全性也極低。其次，傳統(tǒng)檢測占用時間較長，容易受天氣影響[2]。

3 無人機(jī)檢測方法分析

3.1 傳統(tǒng)無人機(jī)檢測技術(shù)

最初將無人機(jī)檢測技術(shù)運(yùn)用到建筑外部檢測的是國外企業(yè)，初期也被理解為是一種外行介入的模式。在此背景下，不僅會提升橋梁檢測工作的困難程度，同時傳統(tǒng)無人機(jī)檢測都是先由一些航模愛好者進(jìn)行操作，再將這些所拍攝的照片交給工程建設(shè)方或者工程養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊作為后續(xù)工程建設(shè)的基礎(chǔ)，但是傳統(tǒng)無人機(jī)檢測的缺點是：整體系統(tǒng)效率較低，并且沒有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，難以應(yīng)對一些復(fù)雜或者惡劣的天氣情況；并且存在技術(shù)缺陷的影響，這些攝影設(shè)備難以結(jié)合云平臺的輔助作用來進(jìn)行檢測，檢測精準(zhǔn)度難以提升；另外在早期的無人機(jī)檢測設(shè)備試用期間，其操作難度相對較高。

3.2 任務(wù)規(guī)劃模塊

任務(wù)規(guī)劃模塊最主要的功能是規(guī)劃飛行航線，根據(jù)任務(wù)地圖、任務(wù)需求以及各種約束條件，規(guī)劃一條滿足需求的最優(yōu)或次優(yōu)航線。航線規(guī)劃功能離不開航線規(guī)劃算法，本地面站需要控制無人機(jī)檢測橋梁病害，需求比較特殊，現(xiàn)有的航線規(guī)劃算法無法達(dá)到要求，因此，針對橋梁結(jié)構(gòu)特點以及橋梁病害的發(fā)生趨勢，設(shè)計了一種新的全覆蓋路徑規(guī)劃算法，并將其嵌入任務(wù)規(guī)劃模塊中，實現(xiàn)自動任務(wù)規(guī)劃。電子地圖采用集成的地圖接口實現(xiàn)，可以調(diào)用各大廠商的電子地圖，通過鼠標(biāo)實現(xiàn)電子地圖的放大、縮小、拖動、添加航點等功能在加載完成的地圖上，創(chuàng)建新的圖層，實現(xiàn)無人機(jī)位置的實時顯示以及航跡顯示[3]。

3.3 中繼無人機(jī)

中繼無人機(jī)是為了避免在橋底檢測過程中信號丟失或者受到強(qiáng)烈磁場干擾期間，拍攝精度受損，因此其可以增強(qiáng)GPS信號，并且可以精準(zhǔn)提供磁羅盤校準(zhǔn)作業(yè)。

3.4 無人機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)解決橋梁檢測精度問題

在傳統(tǒng)橋梁檢測中，對于裂縫等病害通常采用肉眼觀察或者人工輔助測量儀器進(jìn)行測量，不僅精度不高而且人工作業(yè)難度大，諸多因素影響檢測結(jié)果。本研究將無人機(jī)傳回的照片應(yīng)用圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)自動識別橋梁病害種類，確定病害的精確位置，測量裂縫寬度等諸多功能，精度高誤差小。首先對無人機(jī)采集到的橋梁病害的數(shù)字圖像，進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、銳化、邊緣檢測、去噪、直方圖修正等處理，得到增強(qiáng)效果良好的圖像，完成圖像預(yù)處理。然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計科學(xué)、高效的圖像識別算法，完成裂縫的識別及裂縫寬度測量，實現(xiàn)橋梁裂縫的自動識別與檢測，顯著提高橋梁檢測的精度與效率。

3.5 任務(wù)規(guī)劃模塊

任務(wù)規(guī)劃模塊主要功能為自動規(guī)劃任務(wù)航線，并在電子地圖上標(biāo)示出航點、航線位置，將任務(wù)地圖導(dǎo)入地面站中，通過航線規(guī)劃算法自動生成航線，操作人員微調(diào)后，上傳至無人機(jī)的飛控中，無人機(jī)根據(jù)此航線飛行，完成相應(yīng)任務(wù)。使用無人機(jī)檢測橋梁病害需要規(guī)劃三維全覆蓋航線，現(xiàn)有的自動規(guī)劃算法無法滿足任務(wù)需求，因此，針對橋梁病害檢測任務(wù)開發(fā)一款專業(yè)航線規(guī)劃程序，該程序能根據(jù)三維橋梁地圖以及任務(wù)需求，自動規(guī)劃一條無人機(jī)航線，并且生成航點文件。將該程序嵌入任務(wù)規(guī)劃模塊中，成為該模塊中的一個功能組件，實現(xiàn)航線規(guī)劃、任務(wù)管理一體化，大大提高了地面站的工作性能[4]。

3.6 建筑信息化模型地面站系統(tǒng)

該系統(tǒng)是根據(jù)BIM技術(shù)所建立的信息化模型演變而來的，其在提供安全檢查的同時，也可用二維采集的照片來形成三維立體模型，再實施建筑外部表面損壞情況的檢測作業(yè)。本論述主要采用PLX4D系列的軟件，軟件使用過程中，結(jié)合其本身所具有的各種配套設(shè)備，可實現(xiàn)全天候、無限制的建筑檢測工作。并且在目前所使用的新版系統(tǒng)中，其可在3D模型上建立信息檢測模型，提前導(dǎo)入有關(guān)信息數(shù)據(jù)，最后將需要進(jìn)行重復(fù)拍攝的內(nèi)容再次融入信息化模型中實現(xiàn)高精度拍攝效果。

3.7 無損傷識別技術(shù)

①小波損失識別法，因為小波損失識別法中的小波信號有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以這種方法就適用在損失識別的波段，通過小波的反射和傳導(dǎo)出的特征因子，來判斷橋梁結(jié)構(gòu)損傷的部位和程度。小波分析在起義信號檢測、識別信噪、分析頻帶等多種損傷識別中被廣泛地使用。②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷識別法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法的工作原理是：利用無損傷系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)所形成的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在經(jīng)過數(shù)學(xué)方法確定出相關(guān)參數(shù)后，輸入數(shù)據(jù)。如果輸入的數(shù)據(jù)是正確的，那系統(tǒng)將不會發(fā)生什么變化，證明網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)是一樣的。反之，就證明整個橋梁結(jié)構(gòu)是有損傷部位的，需要及時維護(hù)[5]。

4 橋梁檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今有關(guān)橋梁工程界的巨大挑戰(zhàn)主要包括，橋梁的安全性、橋梁的耐久性和橋梁的使用功能。橋梁工程技術(shù)的發(fā)展在基于建設(shè)的基礎(chǔ)上也同時向建設(shè)和養(yǎng)護(hù)一起轉(zhuǎn)型。因為對橋梁結(jié)構(gòu)的要求和長期使用的性能要求都在逐步提高，所以，關(guān)于橋梁的檢測或者監(jiān)測及其相關(guān)的損害判斷與分析技術(shù)的研究也有了新的趨勢，主要體現(xiàn)在了深入化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化4個方面：①深入化。橋梁結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理研究將從短期到長期、微觀到宏觀、單因素到多因素逐步耦合發(fā)展。②集成化。無損檢測、維修和保養(yǎng)省的小型化、專業(yè)化和一體化變得越來越重要，在BIM的平臺上，將設(shè)計、施工、檢測、監(jiān)測、維護(hù)和維修的信息緊密集成融合，將傳感、采集、與傳輸設(shè)備強(qiáng)有力的納入健康檢測系統(tǒng)中也是一個主要趨勢。③標(biāo)準(zhǔn)化。要將檢測、監(jiān)測、維護(hù)動作和質(zhì)量評定的方法在傳統(tǒng)的意義上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，還要將數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的信息標(biāo)準(zhǔn)化。④智能化。隨著對機(jī)理的深入研究了解，數(shù)據(jù)的累積、信息整合的日益增多和加強(qiáng)，以及云計算、海量數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)的提高，橋梁養(yǎng)護(hù)智能化研究備受關(guān)注，人們也會通過智能化，能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的病害進(jìn)行早期識別，趨勢推演、自動進(jìn)行監(jiān)測評分、自動排序安全風(fēng)險、智能優(yōu)化養(yǎng)護(hù)資金配置或者橋梁的壽命預(yù)測等功能，從沒可能變成有可能。

5 結(jié)束語

綜上所述，設(shè)想未來深入的研究可以實現(xiàn)無人機(jī)從地面起飛后，在區(qū)域內(nèi)向不同方向飛行自動尋找橋梁位置進(jìn)行巡航檢測，由此可以形成一種多無人機(jī)全區(qū)域橋梁檢測系統(tǒng)，完成檢測后將自動尋找下一個待檢測目標(biāo)，無須工作人員到達(dá)橋梁地點并進(jìn)行設(shè)備遷移，使用更加快捷高效。降低橋梁檢測工作人員的要求程度，為我國相關(guān)工程的檢測技術(shù)應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。