探討公路橋梁項(xiàng)目底部裂縫智能檢測(cè)系統(tǒng)

洪貴林

（貴州黔程弘景工程咨詢有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

隨著使用時(shí)間的增加，公路橋梁難免出現(xiàn)各種病害，據(jù)統(tǒng)計(jì)公路橋梁中高達(dá)76%的損壞是由裂縫造成的。目前針對(duì)公路橋梁地面裂縫的檢測(cè)方法主要是人工檢測(cè)，該檢測(cè)方法成本高、效率低、檢測(cè)結(jié)果誤差大，無(wú)法有效保障橋梁使用安全[1-3]。橋梁檢測(cè)系統(tǒng)是一種新型的橋梁檢測(cè)工具，但現(xiàn)階段應(yīng)用較多的是載人檢測(cè)車，其運(yùn)行成本高、檢測(cè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)大，檢測(cè)結(jié)果易受檢測(cè)人員主觀影響。因此，新型智能橋梁檢測(cè)車的研究意義重大。無(wú)人駕駛的智能化橋梁檢測(cè)車輛配備輕巧靈活機(jī)械懸臂結(jié)構(gòu)，其工作成本低于常規(guī)檢測(cè)設(shè)備。更符合實(shí)際應(yīng)用需求，具有更好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 橋梁檢測(cè)車的發(fā)展及存在的問題

現(xiàn)有公路橋梁檢測(cè)車種類豐富，但均有不足之處。首先，現(xiàn)有檢測(cè)車輪無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，檢測(cè)時(shí)需檢測(cè)人員隨車達(dá)到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，為保證人員安全及活動(dòng)空間，車輛懸臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及截面需滿足較高要求，導(dǎo)致桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重。制造檢測(cè)車輛時(shí)需配備安保裝置，生產(chǎn)成本大大提升。目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)車機(jī)械臂長(zhǎng)度在0~16 m之間，臂架多為1~2節(jié)，隨著超寬公路橋梁項(xiàng)目的出現(xiàn)，常規(guī)檢測(cè)車輛機(jī)械懸臂長(zhǎng)度無(wú)法適應(yīng)新的檢測(cè)需求。其次，如跨河公路橋梁地面貼近水面，檢測(cè)車機(jī)械臂無(wú)法到達(dá)橋梁底，檢測(cè)人員屬于高空作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大[4]。最后，傳統(tǒng)的載人檢測(cè)車輛需要依靠檢測(cè)人員目測(cè)公路橋梁底面以判斷是否出現(xiàn)裂縫，如檢測(cè)人員疏忽大意或?qū)I(yè)水平不過關(guān)很容易出現(xiàn)判斷失誤，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況偏差很大。因此，考慮到常規(guī)載人橋梁檢測(cè)車的諸多缺陷，國(guó)內(nèi)外業(yè)界及學(xué)術(shù)界都在持續(xù)研究新型智能無(wú)人駕駛橋梁檢測(cè)車的設(shè)計(jì)與制造。

2 智能橋梁檢測(cè)系統(tǒng)

該次研究的是一種用于公路橋梁裂縫檢測(cè)的智能化橋梁檢測(cè)系統(tǒng)，該智能檢測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖1?；跈z測(cè)車及機(jī)械臂，系統(tǒng)利用超高分辨率攝像機(jī)拍攝公路橋梁底面照片，再通過計(jì)算機(jī)處理后組合成完整的橋梁地面圖像，即在相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件工具的幫助下檢測(cè)人員可以通過瀏覽方式拼接公路橋梁底面圖片，根據(jù)圖片確認(rèn)公路橋梁底面是否存在裂縫，分析裂縫的發(fā)展情況[5]。

圖1 智能檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 智能檢測(cè)車

為高效控制檢測(cè)車，該車輛采用輪式驅(qū)動(dòng)，配有四個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)輪以及制動(dòng)裝置，確保車輛能安全靈活移動(dòng)。車輪的方向通過電動(dòng)汽缸控制，全部車輪都同向轉(zhuǎn)動(dòng)可使檢測(cè)車橫向平移。由于公路橋梁空間較小無(wú)法用護(hù)欄實(shí)現(xiàn)檢測(cè)車輛雙向制動(dòng)，可在檢測(cè)車側(cè)向位置設(shè)置輔助輪，增加車輪與橋面的接觸面，實(shí)現(xiàn)更加靈活高效的制動(dòng)。

檢測(cè)車駕駛艙位于車后端，表面采用的聚碳酸酯玻璃面板，厚8 mm，可有效抵御沖擊，同時(shí)盡量減輕自重，滿足工作強(qiáng)度要求。機(jī)械臂靜止或展開時(shí)檢測(cè)車可維持平衡，當(dāng)機(jī)械臂位于橋護(hù)欄上時(shí)，需前伸適當(dāng)長(zhǎng)度的懸臂才能使檢測(cè)車身保持平衡[6]。

2.2 機(jī)械手臂系統(tǒng)

機(jī)械手臂的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何確保臂的靈活伸展，運(yùn)輸階段的檢測(cè)車如圖2所示。通過分析公路橋梁空間及結(jié)構(gòu)可知：機(jī)械手臂多數(shù)時(shí)間以較低速度展開，可忽略其動(dòng)態(tài)研究，重點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)研究，以有效保證位于橋梁護(hù)欄上方時(shí)機(jī)械臂不因伸展而導(dǎo)致檢測(cè)車側(cè)翻，機(jī)械臂伸展順序如圖3所示。

圖2 運(yùn)輸階段的檢測(cè)車

圖3 機(jī)械手臂展開順序

（1）首先機(jī)械臂從可伸展的豎直梁升起至圖3（a）標(biāo)注的位置。

（2）通過豎直梁、前臂連桿之間的雙旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的水平橫移，使機(jī)械臂越過橋梁護(hù)欄至圖3（b）標(biāo)注的位置。

（3）機(jī)械臂以垂直于V－平面的水平軸為中心旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂垂直，即如圖3（b）所示的V－平面中移動(dòng)直至圖3（c）標(biāo)注的位置。

（4）在機(jī)械臂垂直面上順橋梁方向展開機(jī)兩臂連接之間的旋轉(zhuǎn)軸，使第二節(jié)機(jī)械臂水平，具體見圖3（d）。

（5）轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械連桿使第二節(jié)機(jī)械臂連接桿處于垂直于后縱軸的橋梁底部位置。

（6）不同橋梁的尺寸、形狀不同，機(jī)械臂連桿主要由長(zhǎng)度為1 m、2 m的構(gòu)件構(gòu)成，可手動(dòng)綁扎機(jī)械臂連桿，基于公路橋梁直徑確定機(jī)械臂長(zhǎng)度[7]。

（7）兩輛拍照小車作垂直運(yùn)動(dòng)，獲取橋梁邊緣及底部照片，如圖4所示。小車以晶格結(jié)構(gòu)作為引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，通過齒輪驅(qū)動(dòng)，利用伺服系統(tǒng)控制攝像機(jī)的拍照動(dòng)作。

圖4 機(jī)械臂上的移動(dòng)小車

2.3 圖像采集及分析處理系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)圖像采集及處理技術(shù)中，圖像拼接方法應(yīng)用廣泛，可將攝像機(jī)獲取的多個(gè)照片拼成完整的單視點(diǎn)復(fù)合圖像，直觀逼真地呈現(xiàn)廣角圖像甚至全景圖像。目前主流圖像對(duì)齊與拼接算法主要包括直拼算法、特征算法。其中直拼算法的主要優(yōu)點(diǎn)是只處理有價(jià)值的圖像信息，可有效提高圖像對(duì)齊精度，獲得高精度圖像；特征算法的圖像拼接更快更準(zhǔn)，圖像處理效率更高，可自動(dòng)檢測(cè)圖像的疊加關(guān)系。但對(duì)于紋理差的圖像運(yùn)用特征算法很容易造成圖像對(duì)齊及拼接效果變差甚至失敗。因此，該研究提出效率更高、結(jié)果更加可靠的圖像處理算法，該算法基于上述特征拼接算法，合理運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)線型特征。通過試驗(yàn)驗(yàn)證該算法適合用于檢測(cè)公路橋梁底部裂縫。

勻速移動(dòng)機(jī)械臂上的攝像小車，利用高分辨率CCD攝像機(jī)拍攝橋梁底部高清照片：

（1）檢測(cè)車輛移動(dòng)到既定移動(dòng)路線的起點(diǎn)，通過機(jī)械臂將智能檢測(cè)車移至橋梁底部既定位置。

（2）機(jī)械臂勻速移到移動(dòng)路徑終點(diǎn)，移動(dòng)過程中CCD攝像機(jī)獲取二維圖像、三維點(diǎn)云以及相關(guān)姿態(tài)數(shù)據(jù)[8]。

（3）智能檢測(cè)車、機(jī)械臂配合完成下一條運(yùn)動(dòng)路徑，再用第二條路徑的數(shù)據(jù)將機(jī)械臂回歸到路徑起始點(diǎn)。

（4）智能檢測(cè)系統(tǒng)可循環(huán)執(zhí)行上述步驟，合理移位實(shí)時(shí)獲得圖像數(shù)據(jù)，最終覆蓋整個(gè)橋梁底部，短時(shí)間內(nèi)快速收集大量的橋梁底部圖像數(shù)據(jù)。圖5為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于攝像機(jī)獲取的一組橋梁圖像運(yùn)用圖像算法拼接成完整清晰的橋梁底部圖像，開始拼接前須分類圖像，再組合成完整的橋梁結(jié)構(gòu)全景圖，方便檢測(cè)人員通過目測(cè)或自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)橋梁底部的裂縫，評(píng)估其健康狀況。作為衡量公路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的關(guān)鍵因素，橋梁裂縫的檢測(cè)至關(guān)重要，因此必須通過算法將橋梁底部圖片對(duì)齊拼接成裂紋檢測(cè)全景圖[9]。運(yùn)用圖像分析系統(tǒng)分析全景圖特征，找到橋梁底部裂縫，以確保檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)可靠，進(jìn)而構(gòu)建完整準(zhǔn)確的公路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，方便檢測(cè)人員進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估，有效提升公路橋梁健康狀態(tài)評(píng)價(jià)和維護(hù)效率。

3 智能橋梁檢測(cè)車系統(tǒng)的發(fā)展前景

長(zhǎng)期以來(lái)，目視檢查是檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的主要方法，通過人的視覺檢查橋梁結(jié)構(gòu)存在較大的主觀性及不確定性，檢測(cè)結(jié)果可靠性不高。而且部分公路橋梁的底部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，目視檢測(cè)難度較大，很容易導(dǎo)致誤判。因此，借助高清工業(yè)CCD攝像機(jī)以及靈活移動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)大范圍采集橋底部圖像，對(duì)其結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行檢測(cè)，具有方便、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)。該文探討的智能化橋梁檢測(cè)系統(tǒng)可作為橋梁檢測(cè)人員的有效輔助工具，通過設(shè)置在機(jī)械臂末端的智能檢測(cè)工具采集橋梁底部圖像，再運(yùn)用相應(yīng)的圖像對(duì)齊拼接技術(shù)自動(dòng)識(shí)別裂縫，根據(jù)系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果快速準(zhǔn)確地評(píng)估橋梁健康狀況[10]。

結(jié)合橋梁檢測(cè)實(shí)際需求可改進(jìn)智能檢測(cè)系統(tǒng)：

（1）結(jié)合圖像點(diǎn)特征、橋梁結(jié)構(gòu)線型特征，優(yōu)化圖像姿態(tài)非常關(guān)鍵，但圖像點(diǎn)特征、橋梁結(jié)構(gòu)線型特征的權(quán)重也至關(guān)重要，需采用更加高效穩(wěn)定的技術(shù)手段并盡量降低操作成本。

（2）當(dāng)前應(yīng)用的單調(diào)模型無(wú)法完全滿足檢測(cè)需要，需采取仿真模型、橋梁結(jié)構(gòu)線特性分析等方法提高圖像分析效率。

（3）需找到更加高效的方法消除亮度差、色差，重點(diǎn)分析處理全景圖之間的疊加區(qū)域，避免分析整個(gè)圖像，以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，提高圖像處理效率，同時(shí)更好地控制圖像拼接線。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，各種跨河流公路橋面項(xiàng)目數(shù)量快速增加，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了非常重要的促進(jìn)作用。隨著使用時(shí)間的增加，很多公路橋梁結(jié)構(gòu)安全性、持久性不容忽視。作為常見的橋梁結(jié)構(gòu)病害，裂縫對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，該文重點(diǎn)針對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)裂縫智能化檢測(cè)進(jìn)行研究，將裂縫作為評(píng)價(jià)橋梁健康狀況的主要指標(biāo)，提出一種適用于道路橋梁裂縫檢測(cè)的智能化檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及發(fā)展應(yīng)用提出具有建設(shè)性、創(chuàng)新性的理念和想法，以促進(jìn)橋梁裂縫智能化檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，更好地保障公路橋梁的使用安全。