斜拉索病害檢測(cè)機(jī)器人研究進(jìn)展

張 洪，袁 野，夏潤(rùn)川，周建庭，陳 悅

(1. 重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

斜拉橋是現(xiàn)代大跨橋梁的重要結(jié)構(gòu)形式，斜拉索則是斜拉橋的主要承重部分，其安全與否直接關(guān)乎整個(gè)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)。斜拉索長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中，受狂風(fēng)、暴曬、酸雨等各種惡劣天氣的綜合影響，會(huì)逐漸出現(xiàn)不同程度的損傷。這些極具隱蔽性的損傷若不被及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，會(huì)給斜拉橋帶來極大的安全隱患。意大利莫蘭迪公路橋的垮塌、湖南瀏陽河大橋(舊橋)的被迫拆除、重慶石門大橋的提前全面換索，皆是由于斜拉索發(fā)生嚴(yán)重腐蝕所致。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)斜拉索缺陷并修補(bǔ)，提高斜拉索使用壽命，降低斜拉索安全運(yùn)行期間的失效風(fēng)險(xiǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 常用斜拉索病害檢測(cè)手段

目前針對(duì)斜拉索的病害檢測(cè)手段主要有人工、無人機(jī)和機(jī)器人三種形式[1-2]，如表1。

表1 斜拉索病害主要檢測(cè)方法Table 1 Main detection methods of stay cable diseases

人工檢測(cè)[3]主要利用專門的裝置(如維修升降機(jī)、拉索升降裝置等)，把維修人員、工具或儀器送到斜拉索上任意位置并完成檢測(cè)。該方法原理簡(jiǎn)單、技術(shù)要求相對(duì)較低、便于實(shí)施，但檢查效率低下，不僅耗費(fèi)大量的人力物力，而且存在較大的安全隱患。

無人機(jī)檢測(cè)[4-6]主要利用無人機(jī)搭載高清攝像機(jī)快速飛行到斜拉索表面任意位置，實(shí)現(xiàn)圖像拍攝與缺陷檢測(cè)。無人機(jī)操作靈活且易于控制，能快速到達(dá)指定位置進(jìn)行檢測(cè)；其攜帶的高分辨率高清攝像機(jī)能清晰的采集病害圖像，并通過對(duì)所拍照片的處理與分析，能準(zhǔn)確地獲取病害的幾何特征，檢測(cè)精度能達(dá)到毫米級(jí)。無人機(jī)檢測(cè)法雖有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍存在諸多不足。比如，若斜拉橋修建在江河、湖泊、峽谷等容易形成大風(fēng)的地方，無人機(jī)的飛行檢測(cè)會(huì)受到風(fēng)荷載的直接作用，輕則發(fā)生顛簸，影響拍攝質(zhì)量；重則會(huì)與斜拉索發(fā)生碰撞；因此無人機(jī)檢測(cè)受天氣的制約較大。無人機(jī)作為一種簡(jiǎn)易輕便的飛行器，自身很難攜帶充足能量完成大面積的斜拉索檢測(cè)工作，續(xù)航能力有待進(jìn)一步提升；且無人機(jī)攜帶的視覺檢測(cè)設(shè)備只能從某一方位對(duì)斜拉索進(jìn)行拍攝，無法一次性獲得整個(gè)截面環(huán)向的圖像，若為了獲得全面、完整的檢測(cè)結(jié)果就必須繞斜拉索螺旋飛行，而斜拉索相鄰之間的空間狹小，飛行時(shí)受場(chǎng)地因素影響較大，若設(shè)置了不合理的飛行路徑則會(huì)使檢測(cè)出現(xiàn)缺漏，同時(shí)視覺檢測(cè)設(shè)備也無法對(duì)斜拉索內(nèi)部銹蝕斷絲等病害進(jìn)行檢測(cè)，存在檢測(cè)盲區(qū)。

機(jī)器人檢測(cè)[7]是一種借助斜拉索攀爬機(jī)器人攜帶檢測(cè)設(shè)備完成病害檢測(cè)的方法。機(jī)器人由機(jī)械爬升系統(tǒng)和病害檢測(cè)系統(tǒng)兩個(gè)主要部分組成，機(jī)械爬升系統(tǒng)是搭載檢測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)，也是機(jī)器人檢測(cè)的關(guān)鍵；檢測(cè)系統(tǒng)則是“火眼金睛”，可全面、準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的檢測(cè)斜拉索病害。機(jī)器人能同時(shí)檢測(cè)斜拉索表觀病害和內(nèi)部鋼絲損傷，相比人工檢測(cè)法和無人機(jī)檢測(cè)法，其檢測(cè)范圍更加全面，且爬升時(shí)受風(fēng)荷載等環(huán)境因素影響較小，可在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。

2 機(jī)器人機(jī)械爬升系統(tǒng)研究進(jìn)展

機(jī)械爬升系統(tǒng)用于承載整個(gè)機(jī)器人在斜拉索上的爬行，必須要有足夠大的驅(qū)動(dòng)能力以克服機(jī)器人自重，當(dāng)斜拉索因銹蝕斷絲等病害形成鼓包或凹槽而造成索徑變化時(shí)，機(jī)械爬升系統(tǒng)必須能順利越過這類地方而不出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

H.M.KIM等[8]設(shè)計(jì)了一種六輪式的爬升裝置〔圖1(a)〕，該裝置通過預(yù)緊電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)整連桿伸縮長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了在不同直徑拉索的爬升，還可根據(jù)斜拉索表面情況調(diào)節(jié)預(yù)緊力，以提高機(jī)器人的爬升穩(wěn)定性；余劍武等[9]和張申林[10]設(shè)計(jì)了一種十二輪式、具有防跑偏功能的爬升裝置，該裝置的弧狀V型輪不僅增加了機(jī)器人與拉索的接觸面積，還降低了爬升時(shí)可能產(chǎn)生的搖擺或螺旋，通過調(diào)節(jié)與主體框架滑動(dòng)連接的壓緊組件可實(shí)現(xiàn)爬升裝置與斜拉索表面的抱緊或分離，爬升裝置還設(shè)有防偏輪以防止機(jī)器人跑偏；J.LEE等[11]和YUN Hao-bum等[12]設(shè)計(jì)了一種履帶式爬升裝置〔圖1(b)〕，該裝置設(shè)置2個(gè)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)履帶向上爬升，利用氣動(dòng)固定裝置確保機(jī)器人爬升時(shí)的安全，使機(jī)器人在拉索發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可牢牢固定在拉索上；岳一領(lǐng)等[13]設(shè)計(jì)了一種履帶和滾輪結(jié)合的可在圓柱桿狀面和金屬壁面之間轉(zhuǎn)換攀爬的機(jī)器人，該機(jī)器人通過設(shè)有的微型壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的夾持力，并反饋給控制系統(tǒng)做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)索面夾持力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，通過設(shè)置的彈簧減震器使機(jī)器人平穩(wěn)通過較小的凸起或凹坑，具備一定的越障能力；魏武等[14-17]研制了一種正交關(guān)節(jié)連接的蛇形斜拉索攀爬裝置〔圖1(c)〕，該蛇形機(jī)器人通過增大纏繞抱緊力來調(diào)整機(jī)器人與斜拉索之間的摩擦力，防止在爬升過程中出現(xiàn)的打滑或滑落，還基于旋量與包絡(luò)理論對(duì)該裝置的攀爬能力進(jìn)行大量研究，得到了該裝置以螺旋運(yùn)動(dòng)的方式爬升的安全攀爬力和攀爬系數(shù)。

圖1 3種爬升裝置Fig. 1 Three kinds of climbing devices

綜上所述，目前較為成熟的機(jī)器人爬升方式主要有輪式、履帶式和仿蛇式，其特點(diǎn)如表2。對(duì)比這3種爬升方式可發(fā)現(xiàn)：輪式爬升裝置具有靈巧輕便、爬升較快、易于控制、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，使其與另外兩者相比更具競(jìng)爭(zhēng)力。但輪式爬升方式也存在著弊端，利用該方式爬升的機(jī)器人在向上爬升時(shí)需要靠裝置向斜拉索施加徑向夾持力來克服自重。由于輪式爬升方式與斜拉索的接觸面積較小，為克服斜拉索角度變化及檢測(cè)時(shí)受風(fēng)荷載、車輛荷載等產(chǎn)生的索振動(dòng)給機(jī)器人帶來的安全問題，需設(shè)置較大的夾持力，過大的夾持力不但會(huì)造成斜拉索PE外套損傷，而且還犧牲了爬升靈活性，降低了爬升速率與工作效率。此外，輪式爬升裝置徑向夾持力的大小需要靠裝置在環(huán)向的收緊與舒張來調(diào)節(jié)，這種環(huán)行結(jié)構(gòu)對(duì)于某些特殊障礙物(如為防止斜拉橋遭受雷擊在端錨索上設(shè)置的避雷帶、為防止斜拉索發(fā)生激振而在拉索上安裝的阻尼裝置、城市斜拉橋?yàn)榱藰蛄好烙^而在斜拉索上設(shè)置的景觀裝飾等)還無法跨越。

表2 爬升裝置主要形式Table 2 Main forms of climbing devices

3 機(jī)器人病害檢測(cè)系統(tǒng)研究進(jìn)展

機(jī)器人病害檢測(cè)系統(tǒng)按照檢測(cè)對(duì)象不同可分為：表觀病害檢測(cè)和鋼絲損傷檢測(cè)。表觀病害檢測(cè)主要針對(duì)斜拉索表面PE護(hù)套損傷(如變形、劃痕、破損等)；鋼絲損傷檢測(cè)則主要針對(duì)斜拉索內(nèi)部鋼絲的銹蝕、斷絲等病害。

3.1 表觀病害視覺檢測(cè)

視覺檢測(cè)技術(shù)是一種結(jié)合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械自動(dòng)化工程、信息處理等多學(xué)科領(lǐng)域的檢測(cè)技術(shù)。該檢測(cè)技術(shù)是通過光學(xué)成像裝置采集目標(biāo)圖像并對(duì)所采圖像進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸、分析、處理以獲得檢測(cè)結(jié)果。機(jī)器人對(duì)表觀病害的檢測(cè)主要借助多臺(tái)高清攝像機(jī)，對(duì)拉索表面進(jìn)行360°無死角實(shí)時(shí)拍攝，并將拍攝圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用無線傳輸技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)傳輸給終端，最后通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理與分析來完成最終的檢測(cè)工作。

劉朝濤等[18]和杜子學(xué)等[19]提出了一種利用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人攜帶3臺(tái)微型相機(jī)對(duì)斜拉索表觀病害進(jìn)行視覺檢測(cè)的技術(shù)，該技術(shù)采用自識(shí)別算法初步判斷檢測(cè)圖像是否存在病害，然后通過人工進(jìn)一步確認(rèn)病害類型與損傷程度，該技術(shù)已在重慶李家沱長(zhǎng)江大橋上得以應(yīng)用；XU Fengyu等[20-23]研制了一種由4臺(tái)攝像機(jī)、主控制器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成的視覺檢測(cè)系統(tǒng)，利用主控制器循環(huán)將每臺(tái)攝像機(jī)所采集的圖像傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，借助視頻合成器將各個(gè)通道的圖像數(shù)據(jù)集成一路檢測(cè)視頻，并通過無線傳輸將視頻發(fā)送到地面進(jìn)行分析處理，找出存在病害的圖片并確定病害位置以及判斷病害類型；H.N.HO等[24]研制了一種自識(shí)別病害的視覺檢測(cè)系統(tǒng)(圖2)，該系統(tǒng)硬件包含3個(gè)室外數(shù)碼攝像機(jī)和1個(gè)高速無線調(diào)制器，可對(duì)拉索表面圖像進(jìn)行完整采集并進(jìn)行存儲(chǔ)，通過人工識(shí)別的部分病害照片作為訓(xùn)練樣本用于PCA模型的特征值提取，然后將剩余檢測(cè)圖像導(dǎo)入已訓(xùn)練后的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)病害照片的自識(shí)別，該機(jī)器人為克服室外的不利因素，還專門開發(fā)了一種LED照明系統(tǒng)以降低因亮度變化造成的影響。

圖2 自識(shí)別病害的視覺檢測(cè)系統(tǒng)Fig. 2 A visual detection system for self-identifying diseases

綜上研究，可得到表觀病害視覺檢測(cè)的流程，如圖3。表觀病害視覺檢測(cè)最為關(guān)鍵的是圖像拼接、病害識(shí)別、病害分類這3個(gè)環(huán)節(jié)。

圖3 視覺檢測(cè)流程Fig. 3 Flow chart of visual detection

斜拉索是一種空間的柱體結(jié)構(gòu)，單個(gè)攝像機(jī)只能從某一固定方位對(duì)其進(jìn)行攝像，因此會(huì)存在單張圖像只采集到了部分缺陷區(qū)域的現(xiàn)象。圖像拼接的目的就是將多張部分缺陷區(qū)域圖像準(zhǔn)確拼接成一張完整的整缺陷區(qū)域圖像，以獲得缺陷的全部特征，如圖4。SIFT法所提取的特征點(diǎn)具有穩(wěn)定性好、信息量豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，是現(xiàn)有最理想的圖像拼接算法。但SIFT法計(jì)算量較大，在實(shí)際使用時(shí)耗時(shí)較多，為提高效率就需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。李新科等[25-26]提出了一種尺度不變的簡(jiǎn)化特征變換算法，該算法簡(jiǎn)化了一般SIFT法中的兩個(gè)計(jì)算步驟，可顯著提高計(jì)算效率，該算法已運(yùn)用到實(shí)橋斜拉索檢測(cè)工作中并取得了理想結(jié)果。劉杰等[27]等提出了一種改進(jìn)的SIFT算法，該算法有效地減少對(duì)無用區(qū)域的運(yùn)算，提高了計(jì)算速率，與一般SIFT算法相比可提高58%的特征點(diǎn)提取效率，同時(shí)拼接結(jié)果在準(zhǔn)確度上也提高了10%。

圖4 圖像拼接Fig. 4 Image mosaic

視覺檢測(cè)為避免出現(xiàn)漏檢，機(jī)器人在向上爬升時(shí)需要攝像機(jī)必須不間斷的采集斜拉索表觀圖像。這一過程將產(chǎn)生大量圖像數(shù)據(jù)，而真正需要的目標(biāo)病害圖像僅占這些圖像中的少數(shù)，若通過人工對(duì)圖像進(jìn)行病害識(shí)別與分類將耗費(fèi)大量時(shí)間，病害識(shí)別與分類環(huán)節(jié)就是專門為解決從這些原始圖像數(shù)據(jù)中篩選出檢測(cè)所需要的病害圖像而設(shè)置的。余朝陽等[28]基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了一種表觀病害自識(shí)別與分類模型，模型首先在圖像數(shù)據(jù)集里進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練以獲得病害自識(shí)別能力，再利用Faster-RCNN模型完成對(duì)缺陷的分類工作。該方法可有效減少人工判別與分類斜拉索病害，檢測(cè)結(jié)果比較客觀，避免了因人為差異而造成的檢測(cè)誤差，提高了檢測(cè)效率。HOU Shitong等[29]認(rèn)為現(xiàn)有的表觀缺陷自識(shí)別模型都需要大量的訓(xùn)練樣本才能達(dá)到相對(duì)較高的準(zhǔn)確率，在實(shí)際應(yīng)用中想要獲得如此多的缺陷樣本以供模型進(jìn)行訓(xùn)練過于苛刻，因此提出了一種名為遷移學(xué)習(xí)的新穎神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。該方法考慮到混凝土裂縫與斜拉索PE護(hù)套的劃痕病害具有相似性，將訓(xùn)練成型的混凝土裂紋深度學(xué)習(xí)模型用于識(shí)別拉索表面的劃痕缺陷；該算法只需少量的斜拉索劃痕缺陷數(shù)據(jù)樣本就能建立起準(zhǔn)確的缺陷識(shí)別模型，具有較高的斜拉索劃痕病害識(shí)別準(zhǔn)確率。

綜上研究成果可知：對(duì)斜拉索病害自識(shí)別的研究多考慮光滑表面斜拉索，缺乏對(duì)防振性能較好的非光滑表面拉索表面病害的自識(shí)別研究，這類斜拉索表面的凹凸結(jié)構(gòu)與光滑表面拉索出現(xiàn)的劃痕、破損病害類似，極易干擾模型的自識(shí)別過程。此外，現(xiàn)有的自識(shí)別模型多建立于研究團(tuán)隊(duì)內(nèi)部所儲(chǔ)存的圖像數(shù)據(jù)源上，模型訓(xùn)練樣本的多樣性存在著局限性，利用諸如轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)的方法也僅能增加對(duì)某一種病害的檢測(cè)精度，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)多種病害的高精準(zhǔn)自識(shí)別還需對(duì)現(xiàn)有自識(shí)別模型進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 鋼絲損傷漏磁檢測(cè)

斜拉索鋼絲損傷檢測(cè)的無損檢測(cè)手段主要有磁致伸縮導(dǎo)波法和漏磁檢測(cè)法。磁致伸縮導(dǎo)波法是一種利用鐵磁類材料的磁滯伸縮正逆效應(yīng)來對(duì)斜拉索鋼絲損傷進(jìn)行檢測(cè)的方法。該方法采用單點(diǎn)激勵(lì)，無需借助機(jī)器人沿斜拉索爬行就可對(duì)病害進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)勢(shì)顯著。但磁致伸縮導(dǎo)波法在對(duì)200 m以上斜拉索損傷檢測(cè)及定位精度上不如漏磁法，故機(jī)器人檢測(cè)斜拉索鋼絲損傷病害時(shí)多采用漏磁法。漏磁檢測(cè)法是一種極富潛力的斜拉索鋼絲損傷檢測(cè)手段[30-31]，其原理如圖5。

圖5 漏磁檢測(cè)原理Fig. 5 Principle of magnetic flux leakage detection

斜拉索鋼絲作為鐵磁性材料具有良好的磁導(dǎo)率，當(dāng)鋼絲出現(xiàn)銹蝕、斷絲等缺陷使得磁力線受到切割時(shí)，缺陷位置的磁導(dǎo)率急劇下降，使得磁回路中的磁通發(fā)生畸變，部分磁通受到擠壓而泄露到鋼絲外部，經(jīng)空氣繞過缺陷再進(jìn)入到鋼絲內(nèi)部，這一過程就形成了漏磁場(chǎng)，檢測(cè)時(shí)通過磁化器對(duì)斜拉索進(jìn)行磁化處理，并借助微型磁傳感器對(duì)漏磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，即可發(fā)現(xiàn)斜拉索的鋼絲損傷。俄羅斯INTRON公司研發(fā)了一種拉索探傷儀，該探傷儀重約180 kg，以至于不能借助攀爬裝置實(shí)現(xiàn)自爬行，在檢測(cè)時(shí)需借助卷揚(yáng)機(jī)提供動(dòng)力才能完成檢測(cè)，該儀器工作續(xù)航可達(dá)3 h；2013年德國(guó)易北河大橋采用一種磁感應(yīng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)斜拉索內(nèi)部斷絲等病害進(jìn)行了檢測(cè)[32]，該設(shè)備有6個(gè)環(huán)繞斜拉索的磁線圈，可使包裹在PE護(hù)套內(nèi)的鋼絲充分磁化，整個(gè)設(shè)備重約250 kg，需要設(shè)計(jì)專門的牽引裝置才能使測(cè)試設(shè)備沿著斜拉索移動(dòng)；S.PARK等[33]和葉曉樂等[34]設(shè)計(jì)了一種8通道漏磁檢測(cè)儀器，根據(jù)儀器所檢測(cè)漏磁信號(hào)的位置與大小可對(duì)內(nèi)部病害進(jìn)行定位與損傷程度判斷，并將磁信號(hào)進(jìn)行三維可視化處理，得到較為直觀的磁漏圖像；武新軍等[35]、賁安然等[36]和袁建明等[37]分別基于漏磁原理設(shè)計(jì)了可重構(gòu)的斜拉索磁性檢測(cè)裝置，該裝置可根據(jù)斜拉索不同索徑選擇合適的檢測(cè)模塊，防止漏檢，并通過建立有限元模型分析了檢測(cè)裝置磁化器里永磁體的不同長(zhǎng)度、厚度、間距對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響，通過試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，得到最合適的磁化器尺寸。

上述的漏磁檢測(cè)裝置均存在著較為笨重這一問題，造成在實(shí)際檢測(cè)中效率不高的情況。為克服這一弊端，研究人員開始將強(qiáng)度高、重量輕的新型材料運(yùn)用到機(jī)器人中。武漢橋科院[38]研發(fā)了“探索者”系列全自動(dòng)無損檢測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人機(jī)身采用了鈦合金、碳纖維等強(qiáng)度高、重量輕的材料，大幅減輕了機(jī)器人自重，其具備表觀檢測(cè)和內(nèi)部檢測(cè)的能力，可持續(xù)高效的工作5 h以上。王曉琳等[39]研發(fā)了一種輕型碳纖維檢測(cè)機(jī)器人，由于對(duì)設(shè)計(jì)材料進(jìn)行了改進(jìn)，整個(gè)機(jī)器人的自重大幅減小，不僅提高了續(xù)航能力，還方便了現(xiàn)場(chǎng)安裝。該機(jī)器人具備多個(gè)檢測(cè)模塊，能夠同時(shí)對(duì)拉索表面缺陷、內(nèi)部斷絲銹蝕及索力大小進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別、測(cè)量、統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)，雖然通過使用新型材料大幅降低了檢測(cè)設(shè)備的重量，并可借助攀爬裝置實(shí)現(xiàn)自爬行，但這些輕型檢測(cè)設(shè)備依然較重，究其原因在于常用的漏磁檢測(cè)法需對(duì)斜拉索進(jìn)行磁化，而斜拉索索徑較大，想要達(dá)到飽和磁化難度較高，必須使用大體積的永磁鐵以及銜鐵來形成磁回路，因此檢測(cè)設(shè)備的重量無法得到質(zhì)的降低。此外，飽和磁化掩蓋了微型缺陷的漏磁信號(hào)，使得常用漏磁檢測(cè)法無法對(duì)微小病害進(jìn)行檢測(cè)，不利于斜拉索強(qiáng)度的診斷和使用壽命的預(yù)判。

雖然可通過使用新型材料大幅降低了檢測(cè)設(shè)備的重量，并可借助攀爬裝置實(shí)現(xiàn)自爬行，但這些輕型檢測(cè)設(shè)備依然較重，究其原因在于常用的漏磁檢測(cè)法需對(duì)斜拉索進(jìn)行磁化，而斜拉索索徑較大，想要達(dá)到飽和磁化難度較高，必須使用大體積的永磁鐵及銜鐵來形成磁回路，因此檢測(cè)設(shè)備重量無法得到質(zhì)的降低。此外，飽和磁化掩蓋了微型缺陷的漏磁信號(hào)，使得常用漏磁檢測(cè)法無法對(duì)微小病害進(jìn)行檢測(cè)，不利于對(duì)斜拉索強(qiáng)度診斷和使用壽命預(yù)判。

為克服常用漏磁檢測(cè)法的諸多弊端，王翔等[40]提出了一種電磁探傷技術(shù)(圖6)，該技術(shù)利用勵(lì)磁線圈來替代常用漏磁法中永磁體對(duì)斜拉索進(jìn)行磁化，通過改變勵(lì)磁線圈磁通量Φ隨時(shí)間t的變化率dΦ/dt來調(diào)整勵(lì)磁場(chǎng)大小，不僅提高了裝置對(duì)斜拉索的勵(lì)磁深度，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)裝置的羽量化。此外，該技術(shù)采用線圈探測(cè)漏磁場(chǎng)，與一般霍爾傳感器相比，線圈探測(cè)具有靈敏度高、探測(cè)面積廣等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 電磁探測(cè)裝置Fig. 6 Electromagnetic detection device

周建庭等[41-43]和趙亞宇等[44]提出一種基于金屬磁記憶的斜拉索鋼絲損傷檢測(cè)方法，金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)原理為：銹蝕、斷絲等缺陷會(huì)使斜拉索內(nèi)部鋼絲產(chǎn)生截面損失，從而造成局部應(yīng)力增大，在環(huán)境磁場(chǎng)激勵(lì)下，鐵磁類材料應(yīng)力集中處磁疇組織發(fā)生定向且不可逆的重新取向，這一過程會(huì)在對(duì)應(yīng)位置形成漏磁場(chǎng)。采用金屬磁記憶檢測(cè)原理設(shè)計(jì)的漏磁檢測(cè)裝置如圖7。該裝置不僅能發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷，還能發(fā)現(xiàn)因局部應(yīng)力集中引起的微損傷，由于不需要進(jìn)行飽和磁化處理，因此大大減輕了裝置重量。此外，該漏磁檢測(cè)裝置所使用的霍尼韋爾HMR2300三維磁強(qiáng)計(jì)對(duì)比普通霍爾傳感器檢測(cè)靈敏度更高，可采集極其微弱的漏磁信號(hào)。

圖7 金屬磁記憶檢測(cè)裝置Fig. 7 Metal magnetic memory detection device

綜上研究，鋼絲損傷漏磁檢測(cè)可及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和定位斜拉索內(nèi)部鋼絲的病害，并能初步判斷病害損傷程度，但現(xiàn)有用于斜拉索鋼絲損傷檢測(cè)的漏磁法種類多樣且各具特色，檢測(cè)精度參差不齊，難以對(duì)病害進(jìn)行客觀評(píng)定，因此需要確定統(tǒng)一的、普適的評(píng)定指標(biāo)?，F(xiàn)有鋼絲損傷漏磁檢測(cè)還無法做到類似表觀病害檢測(cè)那樣的自識(shí)別，需要人工對(duì)所檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，工作繁瑣，檢測(cè)效率低下，亟需開發(fā)符合斜拉索病害檢測(cè)的自識(shí)別模型。

4 結(jié)論及展望

機(jī)器人檢測(cè)相較人工檢測(cè)和無人機(jī)檢測(cè)而言，具有全面、準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的特點(diǎn)。輪式爬升方式所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)使其在攀爬機(jī)器人中得以廣泛應(yīng)用。表觀病害視覺檢測(cè)可對(duì)光滑表面斜拉索的表觀病害進(jìn)行快速準(zhǔn)確的自識(shí)別檢測(cè)。鋼絲損傷漏磁檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)斜拉索內(nèi)部腐蝕、斷絲等病害的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確定位，并可判斷病害的類型與損傷程度。機(jī)器人雖已取得喜人的成果，但存在一些值得改進(jìn)的地方：

1)輪式爬升會(huì)出現(xiàn)夾持力過大的問題，不僅會(huì)對(duì)斜拉索造成損傷，還影響了裝置爬升的靈活性；另外，采用輪式爬升方式的環(huán)形結(jié)構(gòu)無法越過斜拉索上設(shè)置的特殊障礙物；

2)對(duì)表觀病害視覺檢測(cè)的研究多考慮光滑表面斜拉索，缺乏對(duì)防振性能較好的非光滑表面拉索表面病害的自識(shí)別研究。表觀病害自識(shí)別模型對(duì)多類型的病害識(shí)別存在局限，想要實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)、準(zhǔn)、狠”的自識(shí)別過程，還需對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行改進(jìn)；

3)針對(duì)斜拉索內(nèi)部鋼絲損傷檢測(cè)，缺乏統(tǒng)一、普適的漏磁檢測(cè)評(píng)定指標(biāo)，無法對(duì)其進(jìn)行客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化檢測(cè)。因此，后續(xù)可在斜拉索病害檢測(cè)準(zhǔn)確率、類似表觀病害檢測(cè)的自識(shí)別模型等方面開展研究。