多傳感器融合技術(shù)在公路橋梁綜合檢測中的研究

摘 要：傳感器作為振動監(jiān)測與故障診斷的核心工具，由于具備信息感受、信號轉(zhuǎn)換、信號輸出等功能，在公路橋梁檢測中顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢。尤其是在公路橋梁綜合檢測中應(yīng)用多傳感器融合技術(shù)，有益于通過不同傳感器多元檢測功能全面檢測公路橋梁存在的問題。文章在新時代數(shù)字化、高效化、高質(zhì)量等發(fā)展背景下，結(jié)合公路橋梁綜合檢測的多元需求，對比公路橋梁傳統(tǒng)檢測技術(shù)與多傳感器融合技術(shù)，認為結(jié)合檢測需求和應(yīng)用場景選取傳感器、以空間與時間同步促進多傳感器融合、以培訓提高檢測人員智能技術(shù)操作素養(yǎng)，應(yīng)是多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用于公路橋梁綜合檢測中的重要路徑。

關(guān)鍵詞：公路橋梁 多傳感器融合技術(shù) 綜合檢測

公路橋梁是社會資產(chǎn)和城鄉(xiāng)基建的一部分，也是連通特殊地域交通路線、促進國家交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要內(nèi)容，其穩(wěn)固和安全備受大眾關(guān)注。綜合檢測作為發(fā)現(xiàn)公路橋梁潛在質(zhì)量問題、安全問題、磨損老化問題，以及明確公路橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的主要手段，是公路橋梁施工、養(yǎng)護、維修等各個階段的重要工作。然而，在實際公路橋梁檢測工作中，檢測結(jié)果容易受外部環(huán)境因素的影響[1]，并且普遍應(yīng)用的定期檢測系統(tǒng)和工作方式存在諸多問題，例如將檢查和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)單獨分割開、紙質(zhì)檢測數(shù)據(jù)存儲復(fù)用率低等，與新時代數(shù)字化、高效化、高質(zhì)量等發(fā)展取向相悖。雖然傳感器作為振動監(jiān)測與故障診斷的核心工具，由于具備信息感受、信號轉(zhuǎn)換、信號輸出等功能，被嘗試應(yīng)用于公路橋梁檢測中，也有不少學術(shù)成果肯定了傳感器在公路橋梁檢測中的價值，但不同類別傳感器通常只能獲取單一的振動信號[2]，對于公路橋梁綜合檢測作用有限。因此，基于不同類型傳感器的多元檢測功能，研究多傳感器融合技術(shù)在公路橋梁綜合檢測中的應(yīng)用，不僅是公路橋梁管理中亟待深入討論的方向，還是對既有學術(shù)研究體系的進一步完善。

1 公路橋梁綜合檢測的多元需求

1.1 降低公路橋梁安全風險的現(xiàn)實需求

公路橋梁是交通的重要組成部分，承載著大眾生命財產(chǎn)安全，對其開展綜合檢測是明確施工與使用中的安全隱患，并及時采取針對性措施的關(guān)鍵。首先，公路橋梁綜合檢測能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在質(zhì)量風險，例如對檢測所得數(shù)據(jù)進行綜合分析，能夠發(fā)現(xiàn)公路橋梁結(jié)構(gòu)中存在的細微裂縫、損傷等，從而采取維修措施，避免裂縫、損傷變多變大造成的結(jié)構(gòu)失效，更好地預(yù)防安全事故發(fā)生；其次，綜合檢測能夠評估公路橋梁的安全情況，尤其是將檢測技術(shù)與智能算法、大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，能夠使安全評估更加精準，為公路橋梁維修、加固等提供科學依據(jù)[3]，確保大眾和貨物安全通行；此外，公路橋梁綜合檢測還能應(yīng)用于工程施工過程，降低施工風險，保證施工人員生命財產(chǎn)安全。例如通過檢測驗證工程設(shè)計合理性、評估材料質(zhì)量是否達標、操作行為是否合理，從而確保工程安全。

1.2 優(yōu)化公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程需求

公路橋梁綜合檢測本質(zhì)上是一種評估手段，將其作為公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的指揮棒，是工程持續(xù)優(yōu)化的需求。一方面，公路橋梁綜合檢測能夠進一步完善和優(yōu)化當前公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過綜合檢測，技術(shù)人員可以搜集到包括應(yīng)力、應(yīng)變、位移等在內(nèi)的全面數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠支持技術(shù)人員分析結(jié)構(gòu)性能與荷載能力，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)；另一方面，公路橋梁綜合檢測能夠為未來公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供經(jīng)驗。公路橋梁綜合檢測所得結(jié)果，能夠反向評估所用材料的性能、荷載分布情況等，輔助驗證公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計效果，為未來公路橋梁結(jié)果設(shè)計提供實踐經(jīng)驗，提升工程設(shè)計水平。

1.3 延長公路橋梁使用壽命的經(jīng)濟需求

公路橋梁綜合檢測是控制工程質(zhì)量的重要手段，工程質(zhì)量又與公路橋梁使用壽命、維修成本等息息相關(guān)，因此公路橋梁綜合檢測還具有不可忽視的經(jīng)濟層面的價值。一方面，公路橋梁的使用年限受日常維護、所處環(huán)境、交通情況等多重因素影響，通常與設(shè)計使用年限存在差異。使用年限若大幅縮短，則面臨重建和經(jīng)濟損失。公路橋梁檢測能夠發(fā)現(xiàn)老化、磨損等問題，指引日常維護工作精準開展和交通流量合理安排等[4]，避免日常維護不到位、交通流量遠超承載力造成的公路橋梁使用年限縮短，提高工程的經(jīng)濟效益與社會效益。例如通過檢測獲得公路橋梁的應(yīng)力和撓度數(shù)據(jù)，明確公路橋梁的應(yīng)變特性、承重能力等，進而限制行駛車輛的高度、重量，延長公路橋梁使用壽命；另一方面，公路橋梁綜合檢測有助于及時發(fā)現(xiàn)工程施工過程中存在的質(zhì)量問題，并加以調(diào)整和改進，不僅能防止問題增大或惡化，提升工程整體質(zhì)量，還能在施工階段最大化降低后期維修成本和延長使用壽命。

2 公路橋梁傳統(tǒng)檢測技術(shù)與多傳感器融合技術(shù)

2.1 公路橋梁傳統(tǒng)檢測技術(shù)類別分析

為保障大眾生命財產(chǎn)安全，我國高度重視公路橋梁檢測，形成了多類成熟的檢測技術(shù)。本文對常用的四類傳統(tǒng)檢測技術(shù)進行分析，以明確其優(yōu)劣勢。

第一類是目測法，主要通過觀察和測量公路橋梁的結(jié)構(gòu)形式、部件情況、連接方式、材料類型等，明確公路橋梁當下的結(jié)構(gòu)信息，并對照橋梁設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)，初步判斷存在的安全隱患。例如探查公路橋梁外表有無破損脫落，關(guān)鍵部位是否存在裂縫，以及裂縫分布、深度、走向等問題。此技術(shù)能夠直觀發(fā)現(xiàn)檢測公路橋梁結(jié)構(gòu)缺陷，具有便捷、高效的優(yōu)勢，但對技術(shù)人員專業(yè)與經(jīng)驗要求較高，且檢測結(jié)果較為主觀，在隱蔽的結(jié)構(gòu)性問題檢測中局限性突出。

第二類是鉆芯取樣技術(shù)，主要通過鉆心機采集公路橋梁內(nèi)部的樣本，并通過檢驗樣本獲得公路橋梁數(shù)據(jù)。例如通過檢測樣本明確公路橋梁內(nèi)部碳化深度 、氧化深度 、侵蝕深度等，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的安全隱患。此技術(shù)能夠直觀、快捷地明確結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的問題，取樣過程、樣本質(zhì)量等會影響最終檢測結(jié)果。

第三類是沖擊回波檢測技術(shù)，主要根據(jù)沖擊波在公路橋梁結(jié)構(gòu)中傳播和反射的時間、幅度，以及入射波和反射波的相對相位關(guān)系，判斷問題的位置與類型。例如判斷公路橋梁對破壞的承受能力、彈性形變范圍，為各類事故發(fā)生后是否還能繼續(xù)正常使用提供依據(jù)。此技術(shù)為無損檢測技術(shù)，且不會影響公路橋梁的正常通行，具有操作便捷、結(jié)果準確、應(yīng)用范圍較廣的優(yōu)勢，但檢測部位選擇對技術(shù)人員要求較高，并且要確保檢測面平整。

第四類是紅外熱成像檢測技術(shù)，主要基于熱輻射原理，通過捕捉局部溫度變化發(fā)現(xiàn)公路橋梁中的缺陷和損傷，并判斷其大小、位置、形狀。此技術(shù)可實現(xiàn)非接觸式檢測，具有快速便捷、結(jié)果準確的優(yōu)勢，但對檢測環(huán)境要求較高，會對交通造成影響，并且由于大型公路橋梁需要分區(qū)檢測，容易造成信息遺漏。

2.2 公路橋梁多傳感器融合技術(shù)優(yōu)勢

傳感器的應(yīng)用推動了公路橋梁檢測的智能化、數(shù)字化，但單一傳感器的功能有限，且檢測結(jié)果不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)傳感器失效的現(xiàn)象，難以滿足公路橋梁綜合檢測要求。例如視覺傳感器對外界環(huán)境的適應(yīng)能力有限，容易受地質(zhì)環(huán)境、天氣環(huán)境等影響。多傳感器融合技術(shù)，即在檢測過程中，將兩類或三類傳感器融于一體，利用多源數(shù)據(jù)融合、互補，發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢，彌補單一數(shù)據(jù)源的缺陷[5-6]，有益于公路橋梁綜合檢測。例如激光雷達傳感器利用的是主動探測方式，能夠提供檢測對象距離、形狀等準確信息，但當距離較遠時數(shù)據(jù)點稀疏，無法做到場景的全面覆蓋。視覺傳感器當光照條件良好時能夠為技術(shù)人員傳回更加清晰、詳細的圖像，反映出公路橋梁結(jié)構(gòu)的細節(jié)特征，但光照不足時成像質(zhì)量下降、圖像噪聲增加。將激光雷達傳感器和視覺傳感器進行融合，則可彌補雙方缺陷，為公路橋梁檢測提供更加全面、詳細的信息。此外，還有不少學者通過多傳感器融合技術(shù)研究，在檢測技術(shù)上實現(xiàn)了巨大突破，例如Hajri等人融合激光雷達與毫米波雷達，實現(xiàn)對障礙物的檢測與跟蹤[7]。

3 多傳感器融合技術(shù)在公路橋梁綜合檢測中的應(yīng)用路徑

3.1 結(jié)合檢測需求和應(yīng)用場景選取傳感器

隨著科技信息發(fā)展，傳感器愈加趨于體積小、重量輕、精度高、智能化發(fā)展，并形成了多種可供使用的傳感器。但這些傳感器在不同地理環(huán)境、天氣環(huán)境下表現(xiàn)出的性能特點不同。激光雷達的精度高、速度快、采集點多分辨率高，可以獲得物體準確的空間位置，但受限于檢測環(huán)境，例如環(huán)境中的粉塵極易對其造成干擾；毫米波雷達的環(huán)境適應(yīng)性和穿透力強，雨、霧、雪、灰塵等對其干擾較小，且可以同時檢測多個對象，但受限于檢測對象的材料、形狀等，并且在空氣中的傳播消耗較大；可見光相機分辨率高，但受限于環(huán)境、天氣；紅外相機具有夜視、溫度探測功能，但受限于距離與分辨率。

公路橋梁工程是為滿足特殊地理位置需求或特殊交通線路需求而開展的工程活動，不同的公路橋梁檢測需求和檢測場景差別較大，因此，在公路橋梁綜合檢測中應(yīng)結(jié)合檢測需求和應(yīng)用場景差異化選取，通過優(yōu)勢互促、短板互補實現(xiàn)對公路橋梁情況的全面感知。

3.2 以空間與時間同步促進多傳感器融合

不同傳感器的數(shù)據(jù)類型、安裝位置、視野具有差異，故最終輸出的結(jié)果不能直接融合運用[8]。為了實現(xiàn)多傳感器融合技術(shù)對公路橋梁的綜合檢測，就要通過空間同步和時間同步，匹配不同傳感器的數(shù)據(jù)格式?？臻g同步，即統(tǒng)一不同傳感器的坐標系，旨在標定不同傳感器的相對位置和姿態(tài)關(guān)系，形成并將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一的三維坐標系之下進行融合，提高數(shù)據(jù)精度與可靠性[9]；時間同步，即在軟件上選取掃描周期較短的傳感器，將其同步到頻率較低的傳感器數(shù)據(jù)上，在硬件上以GPS時間為準，采用PTP協(xié)議實現(xiàn)時間同步，從而彌合不同傳感器之間時鐘源、采樣頻率的差異。例如使用平滑器可促進激光雷達與毫米波雷達的融合，通過最近鄰方法能夠關(guān)聯(lián)匹配兩個傳感器的檢測結(jié)果[10]。

3.3 以培訓提高檢測人員智能技術(shù)操作素養(yǎng)

當前傳感器與人工智能結(jié)合的趨勢愈加顯著，有助于增強檢測人員與智能設(shè)備的交互性，對于檢測人員專業(yè)性和智能技術(shù)操作素養(yǎng)提出了更高要求。因此，為了加強未來多傳感器融合技術(shù)在公路橋梁綜合檢測中的深度應(yīng)用，一方面要為從事公路橋梁檢測工作的人員規(guī)劃發(fā)展路徑、提供培訓機會，另一方面要將專業(yè)水平、智能素養(yǎng)、數(shù)字素養(yǎng)等納入其工作考核、職稱評定中，促進公路橋梁綜合檢測實效。

4 結(jié)語

綜本文所述，公路橋梁綜合檢測是降低公路橋梁安全風險、優(yōu)化公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、延長公路橋梁使用壽命的重要手段。基于傳統(tǒng)公路橋梁傳統(tǒng)檢測技術(shù)在實際應(yīng)用過程中的局限，以多傳感器融合技術(shù)開展公路橋梁綜合檢測工作成為重要發(fā)展方向，并且在多傳感器融合技術(shù)開展過程中，應(yīng)結(jié)合檢測需求和應(yīng)用場景選取傳感器、以空間與時間同步促進多傳感器融合、以培訓提高檢測人員智能技術(shù)操作素養(yǎng)，從而為不同傳感器在公路橋梁檢測中發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢，提升檢測準確性和全面性提供保障。

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