空陸兩棲爬壁機器人橋梁結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)應(yīng)用

段建濤 王記濤

（1.河南豫路工程技術(shù)開發(fā)有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南金途科技集團股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

近三十余年來，我國橋梁建設(shè)飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)作為跨越物，其使用環(huán)境復(fù)雜，或跨越河流、或跨越山谷、或跨越道路、或跨越橋梁，乃至跨越海峽，橋梁結(jié)構(gòu)檢測工作存在諸多困難；而根據(jù)跨越需求的不同，橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式眾多，這也為檢測工作帶來了不便。傳統(tǒng)橋梁病害檢測手段主要依賴橋梁檢測車或人工裸眼檢測，存在局限性和檢查盲區(qū)，特別是檢測人員長時間觀察后會引起視覺疲勞，且檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大存在檢測死角、檢測過程需要封閉道路等。因此，無論是橋梁檢測車還是人工裸眼檢測均會導(dǎo)致檢測范圍不夠全面細(xì)致、阻塞交通、作業(yè)效率低下、機動性差、成本高昂、難度大、檢測人員存在人身安全隱患等問題，無法保證檢測工作的質(zhì)量和效率。

目前，隨著服役年限的增加、早期橋梁建設(shè)經(jīng)驗的不足、設(shè)計理論的缺陷和運營維護管理的失當(dāng)，一些橋梁在外界自然環(huán)境侵蝕及部分物理化學(xué)因素的作用下，結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)偏差并產(chǎn)生諸多的病害，影響其正常使用狀態(tài)，因此，需要對其監(jiān)測或檢測并確定具體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。隨著科技進(jìn)步，橋梁檢測手段也迫切需要創(chuàng)新、高效、智能化、信息化。據(jù)此，本文從工程實際施工角度總結(jié)并開發(fā)了一套安全、高效、可靠的橋梁結(jié)構(gòu)檢測評定系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)，確保橋梁結(jié)構(gòu)自身及橋上、橋下交通的安全。

1 空路兩棲爬壁機器人工作機理及總體設(shè)計

1.1 工作機理

1.1.1 雷達(dá)數(shù)值仿真分析與試驗

橋梁結(jié)構(gòu)檢測用空氣耦合雷達(dá)數(shù)值仿真分析與試驗研究，對于混凝土橋梁而言，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量密集布置的鋼筋網(wǎng)。為避免鋼筋對雷達(dá)信號的干擾，首先采用GPRMAX正演模擬方法，分別對不同的鋼筋間距、不同厚度的鋼筋混凝土保護層、預(yù)應(yīng)力管道等建模，正演分析空氣耦合天線電磁波的傳播特性及衰減特性受這些因素的影響程度，得出空氣耦合探地雷達(dá)的探測原理及影響規(guī)律，再通過試驗驗證空氣耦合雷達(dá)檢測的高效性，如圖1所示。

圖1 空氣耦合雷達(dá)檢測示意圖

1.1.2 爬壁機器人吸附方式、運動分析

爬壁機器人機構(gòu)的主要組成部分為吸附結(jié)構(gòu)和移動機構(gòu)。通過力學(xué)計算分析攀爬效率，最后進(jìn)入橋梁現(xiàn)場開展檢測試驗，驗證此類無人機系統(tǒng)的有效性、可靠性。

推理公式如式1所示，其中Fs為等效在中心點的吸附力，F(xiàn)sy為輪子和密封腔體自身所受靜摩擦力阻力之和，G為機器人所受重力。Fz和Fn為壁面對輪子和密封腔的反作用力，且Fs=2Fz+Fn，uy為輪子的摩擦系數(shù)，us為滑動密封腔的摩擦系數(shù)，L--機器人重心離前后驅(qū)動輪的距離，H--機器人重心離參照面的距離。

不同的運動機構(gòu)驅(qū)動方式較大影響預(yù)期運動效果，目前常見的有足式、框架式、履帶式和輪式4種運動機構(gòu)驅(qū)動方式，足式和框架式具有較強的越障能力，但存在移動速度慢、設(shè)計難度大、負(fù)載能力達(dá)不到要求的缺陷。履帶式驅(qū)動方式相比足式和框架式具有移動速度快，可在凸凹壁面連續(xù)行走，且檢測壁面接觸面積大的優(yōu)點，但存在轉(zhuǎn)向不靈活，不能檢測預(yù)期斷面、復(fù)檢缺陷點及時回看等問題。綜合考慮多種因素，確定輪式運動機構(gòu)設(shè)計如圖2所示，配置設(shè)計相對簡單，如表1所示，克服了足式、框架式、履帶式運動機構(gòu)的缺點的同時，保留了自身設(shè)計難度低、采集速度快及轉(zhuǎn)向靈活的優(yōu)勢，是爬壁機器人橋梁檢測良好的驅(qū)動方式。

表1 空陸兩棲機器人性能指標(biāo)

圖2 新型空陸兩棲檢測機器人橋梁檢測示意及現(xiàn)場圖

1.2 總體設(shè)計

陸空兩棲機器人主要由主控模塊、外部感知模塊、內(nèi)部感知模塊、飛行控制模塊和地面控制模塊等組成。

現(xiàn)有的爬行檢測機器人僅能通過貼壁飛行攀爬檢測橋梁結(jié)構(gòu)，而橋梁某些部位如橋墩采用飛行模式檢測效率可能最高，根據(jù)橋梁檢測環(huán)境的特殊性，本文設(shè)計了檢測系統(tǒng)的總體框架，如圖3所示。

圖3 陸空兩棲機器人總體設(shè)計架構(gòu)

2.1 建立橋梁結(jié)構(gòu)病害檢測模型數(shù)據(jù)庫

2 橋梁結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)過程應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)檢測用雷達(dá)圖像智能病害識別及預(yù)警技術(shù)研究雷達(dá)圖像的可讀性不佳，在工程實際的復(fù)雜環(huán)境下信號包含大量噪聲干擾，嚴(yán)重影響病害特征信號的提取。針對病害檢測雷達(dá)信號特點，提出病害信號特征增強的信號濾波技術(shù)，分析病害特征信號與噪聲信號的頻率分布特點，采用小波分析與灰度分析相結(jié)合的方式提高信號過濾效果。建立典型病害模型，對比分析不同病害的雷達(dá)信號特點，從不同尺度、不同檢測區(qū)域多方面建立典型病害信號特征。為提高雷達(dá)圖像判定效率，改善判定標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)病害信號特征標(biāo)注樣本圖像，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。利用專業(yè)模型的技術(shù)優(yōu)勢，形成針對雷達(dá)圖像的圖意解讀與病害類型判斷標(biāo)準(zhǔn)，采取病害發(fā)現(xiàn)與分類的智能預(yù)警技術(shù)，快速抓取雷達(dá)圖像中反應(yīng)病害的特征信號并分析類型，現(xiàn)場形成預(yù)警報告，有效減少人為因素的影響，提高效率，建立原始樣本庫、原始案例庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2.2 搭建基于BIM平臺的橋梁工程質(zhì)檢融合信息互聯(lián)共享系統(tǒng)

工程建設(shè)的BIM方案現(xiàn)在已經(jīng)被越來越多工程建設(shè)單位所應(yīng)用，現(xiàn)有BIM是針對基于工程實施各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)化、數(shù)字化、模型化、可視化的構(gòu)造方案，主要體現(xiàn)的數(shù)據(jù)是大量構(gòu)建在施工過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。形成了多個數(shù)據(jù)源，多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，多個指標(biāo)共存的局面，降低了數(shù)據(jù)利用的效率和各部門協(xié)同工作的效率。針對以上在實際業(yè)務(wù)發(fā)展過程中存在的問題，對于BIM模型數(shù)據(jù)格式實施規(guī)范化，形成標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)平臺接口和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與主流BIM平臺的數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)聯(lián)動。

橋梁質(zhì)檢數(shù)據(jù)與BIM平臺數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)了兩套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，為工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測與后續(xù)維護提供了高效的監(jiān)管平臺，也確保了橋梁結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量維護與處治，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)互聯(lián)共享系統(tǒng)

3 空陸兩棲爬壁機器人橋梁結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)效果及應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 系統(tǒng)效果

該系統(tǒng)的硬件平臺主要分為爬壁機器人的硬件組成和視覺檢測裝置的硬件組成。要完成橋梁病害的檢測，首先要使爬壁機器人吸附在橋梁壁面，然后能夠快速在待檢測區(qū)域運動采集數(shù)據(jù)，還能夠快速響應(yīng)地面操作人員的操作指令實現(xiàn)實時交互，這需要主控板、無線指令模塊、傳感器、無線遙控器等硬件來支撐。對于通過視覺檢測來實現(xiàn)在線識別橋梁病害，需要相應(yīng)的圖像采集、傳輸、處理與顯示裝置來完成。

3.2 應(yīng)用優(yōu)勢

3.2.1 有效提高施工質(zhì)量

引入大數(shù)據(jù)測控管理平臺，高效率采集橋梁檢測信息，高精度定位橋梁病害點，高質(zhì)量針對性處理橋梁檢測病害問題。三階段連續(xù)問題處理分別由管理平臺第一時間將質(zhì)量問題反饋給質(zhì)量控制操作人員，并全面監(jiān)督施工質(zhì)量，大大降低橋梁病害修復(fù)的施工質(zhì)量風(fēng)險。

3.2.2 有效降低施工成本

嚴(yán)格按照施工工藝，大大減少施工過程中的重復(fù)工作，從而有效降低施工成本。

3.3.3 加快推進(jìn)數(shù)字化施工

數(shù)字化管理拉近施工中各個角色之間的距離，推進(jìn)扁平化管理。其中，數(shù)字化測控詳細(xì)記錄橋梁施工過程中關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)，施工過程更加精細(xì)化；數(shù)字化質(zhì)量分析按照施工標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格評判，助力企業(yè)質(zhì)量施工；智能化反饋調(diào)整提高工作效率，有效降低成本。

4 結(jié)束語

空陸兩棲爬壁機器人橋梁結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)通過空陸兩棲機器人搭載空氣耦合雷達(dá)，優(yōu)化適應(yīng)于橋梁結(jié)構(gòu)檢測的機器人平臺設(shè)計，完成橋梁結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量安全高效的檢測；系統(tǒng)總結(jié)了目前橋梁檢測方法和新型檢測技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計了橋梁檢測爬壁機器人系統(tǒng)總體框架，并分析了運動學(xué)建模和安全吸附條件，在此基礎(chǔ)上搭建了橋梁檢測數(shù)據(jù)化管控平臺，實現(xiàn)高質(zhì)量橋梁檢測。其次，改造機器人結(jié)構(gòu)，從而提高檢測機器人的檢測效率，并確保其安全性。通過力學(xué)計算分析此類無人機的攀爬效率，最后驗證此類無人機系統(tǒng)的有效性、可靠性。將BIM信息平臺與工程質(zhì)量檢測信息處理系統(tǒng)融合，形成結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的多維信息模型，進(jìn)而更高效準(zhǔn)確檢測結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)。在獲取橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測信息后，通過BIM平臺監(jiān)管與復(fù)核后續(xù)的處治情況，確保工程結(jié)構(gòu)的維護與處治質(zhì)量。