無(wú)人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用研究

孫欽剛

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

0 引言

如何提高橋梁的安全性、耐久性和可靠性，是橋梁施工和維護(hù)的重點(diǎn)。為了防止事故的發(fā)生，必須采取行之有效的措施檢測(cè)和評(píng)價(jià)橋梁的安全性。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)大多還停留在傳統(tǒng)方法上。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用新技術(shù)、新設(shè)備，降低橋梁檢驗(yàn)成本、提高橋梁檢驗(yàn)質(zhì)量，已成為許多橋梁運(yùn)營(yíng)及維護(hù)單位追求的目標(biāo)。正是在此背景下，無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)逐漸引起了人們的重視。本文以實(shí)際案例為基礎(chǔ)，對(duì)無(wú)人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行檢驗(yàn)，并針對(duì)目前無(wú)人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行深入剖析，為橋梁的安全防護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方式概述

1.1 橋梁檢測(cè)作業(yè)分類

橋梁檢測(cè)主要是對(duì)橋梁的構(gòu)造和外觀進(jìn)行評(píng)價(jià)。在檢測(cè)橋梁的性能時(shí)，往往需要借助望遠(yuǎn)鏡、真橋檢車等儀器設(shè)備。橋梁檢測(cè)作業(yè)可分為日常巡檢、經(jīng)常巡檢、定期檢測(cè)和專項(xiàng)檢測(cè)。

其一，在進(jìn)行日常巡檢時(shí)，通常是采用目測(cè)的方法，查看橋梁有無(wú)構(gòu)件或部件損傷，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否有異常變化。

其二，經(jīng)常巡檢過程要的是“事實(shí)描述”,也就是只描述眼睛看到的是什么,不做過多追究。一般來講，經(jīng)常巡檢的破損情況主要包含正常、一般異常和嚴(yán)重異常三種。針對(duì)一般異常狀況需要給予及時(shí)監(jiān)測(cè)，以此來為后續(xù)檢測(cè)做準(zhǔn)備，對(duì)于嚴(yán)重異常的情況需要針對(duì)性地采取措施，而在巡檢之后無(wú)法確定具體破損原因的，需要進(jìn)行定期檢測(cè)或者專項(xiàng)檢測(cè)。

其三，在進(jìn)行定期檢測(cè)時(shí)，需要嚴(yán)格按照規(guī)定要求來對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)進(jìn)行全方位檢測(cè)。定期檢測(cè)是為養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的制訂提供依據(jù)，因此在進(jìn)行定期檢測(cè)時(shí)，需要適當(dāng)?shù)妮o助工具設(shè)備,對(duì)發(fā)現(xiàn)的病害做“定量描述”,同時(shí)還要判斷病害的進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)。如,結(jié)構(gòu)裂縫,長(zhǎng)多少?寬多少?深多少?是否會(huì)繼續(xù)發(fā)展?再比如,橋墩傾斜,傾斜程度多大?是否會(huì)繼續(xù)傾斜?還要留存必要的影像記錄。

其四，專項(xiàng)檢測(cè)，在進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)時(shí)，需要結(jié)合日常巡檢、經(jīng)常巡檢和定期檢查的具體結(jié)果來針對(duì)缺損與病害檢測(cè)，借助專項(xiàng)檢測(cè)能夠全面掌握破損病害的詳細(xì)信息，能夠?yàn)楹罄m(xù)措施的實(shí)施提供依據(jù)。

1.2 傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)相關(guān)設(shè)備

目前對(duì)橋梁的檢測(cè)主要采用目測(cè)和手工操作的方式，多數(shù)橋梁檢測(cè)單位會(huì)輔助使用望遠(yuǎn)鏡、梁下維修桁車、登高車、橋塔維修吊臺(tái)等常見的橋梁檢測(cè)設(shè)備。隨著橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)方法及設(shè)備也在不斷豐富和增加，并逐步向智能化發(fā)展，新型檢測(cè)設(shè)備主要有纜索機(jī)器人、水下機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等。

1.3 橋梁檢測(cè)手段發(fā)展方向

在橋梁檢測(cè)工作中，存在著任務(wù)重、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等一系列難點(diǎn)。傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法易受橋型和地理?xiàng)l件的影響，風(fēng)險(xiǎn)成本高、效率低。為此，今后的橋梁檢測(cè)方法需要著重解決如下問題。

1.3.1 提升檢測(cè)效率

傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方式主要是以人力為主，檢測(cè)效率受個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、能力、積極性、責(zé)任感及檢測(cè)平臺(tái)的移動(dòng)速度等因素的影響，不能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)懸索橋和大跨度高墩橋等特殊結(jié)構(gòu)橋梁的橋面底板、高聳塔柱、斜拉索和塔頂結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。由于地形條件的限制，對(duì)于高凈空橋梁和涉水橋梁的日常檢測(cè)，以及對(duì)橋梁支座和橋下情況的全方位觀察都有一定的困難。由于受到監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)頻次的制約，傳統(tǒng)檢測(cè)方法很難建立起常規(guī)、高頻次的監(jiān)測(cè)機(jī)制，對(duì)于雖小但累積效應(yīng)明顯的損害，往往不能做到及時(shí)檢測(cè)，不利于風(fēng)險(xiǎn)防控。

1.3.2 提高安全系數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，病害多樣，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要檢測(cè)人員靠近橋梁各檢測(cè)部位進(jìn)行觀察，往往需要進(jìn)行高空作業(yè)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，可充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)等機(jī)械設(shè)備的靈活性，完全覆蓋檢測(cè)盲區(qū)，對(duì)橋墩、橋腹、索塔等人工檢測(cè)存在較高風(fēng)險(xiǎn)的部位進(jìn)行檢測(cè)，可提高檢測(cè)工作的安全系數(shù)。

1.3.3 降低檢測(cè)成本

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法往往需要采用輔助手段才能接近被測(cè)點(diǎn)，耗時(shí)、耗力，且需要配備較多檢測(cè)設(shè)備，綜合檢測(cè)成本較高。

1.3.4 提升數(shù)據(jù)分析保存效率

當(dāng)前，橋梁的檢測(cè)數(shù)據(jù)在分析與保存上存在著較大的不足。首先，在當(dāng)下的橋梁檢測(cè)過程中主要依靠人工對(duì)病害種類、部位和程度等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，這樣的數(shù)據(jù)分析效率低，且受到工作人員技術(shù)水平的限制使得當(dāng)下的橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)分析保存效率無(wú)法得到突破。其次，當(dāng)下主要以圖檔和書面記錄的方式保存橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、構(gòu)件病害和其他技術(shù)數(shù)據(jù)，這樣的保存方式查閱起來很麻煩，且沒有直觀感覺。最后，由于橋梁的歷史資料，例如病害的演變過程、維修記錄等，分散在各個(gè)技術(shù)檔案中，且完整性較差，從而影響了維修工作的整體協(xié)調(diào)。

2 無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)特征

2.1 無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

將無(wú)人機(jī)用于橋梁的檢測(cè)，需要建立一套完善的無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)，將無(wú)人機(jī)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等有機(jī)地組合起來，才能更好地發(fā)揮其檢測(cè)功能。從無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)分析，目前可用于橋梁檢測(cè)的民用無(wú)人機(jī)可分為旋翼無(wú)人機(jī)、撲翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)。旋翼無(wú)人機(jī)是一種利用螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，可垂直起降，可在較復(fù)雜的環(huán)境中工作，所以多采用旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)。

2.2 無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法比較，無(wú)人機(jī)可以掛載檢測(cè)裝置，并在空中進(jìn)行檢測(cè)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯。利用其強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)能力，可以方便快捷地檢測(cè)常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法檢測(cè)的區(qū)域，從而彌補(bǔ)了常規(guī)檢測(cè)方法存在的缺陷和盲區(qū)。從便捷性上分析，無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，便于攜帶和維修。相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器，無(wú)人機(jī)的造價(jià)要便宜很多，而且在檢測(cè)過程中不需要封鎖道路，也不會(huì)對(duì)交通造成干擾。從安全性上分析，檢測(cè)人員只需遙控?zé)o人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，從而降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行日常巡檢、經(jīng)常巡檢時(shí)，無(wú)人機(jī)可以有效地提高維護(hù)人員的巡查工作效率。

2.3 無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)流程

以美國(guó)的無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)為例，將無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)工作分為五個(gè)階段，即橋梁信息分析、場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、無(wú)人機(jī)前期準(zhǔn)備、無(wú)人機(jī)檢測(cè)和損傷識(shí)別。韓國(guó)交管局將無(wú)人機(jī)的檢測(cè)工作分為三個(gè)階段，即測(cè)前準(zhǔn)備階段、檢測(cè)階段和測(cè)后數(shù)據(jù)處理階段。在測(cè)前準(zhǔn)備階段，主要是制訂檢測(cè)計(jì)劃，對(duì)橋梁的基礎(chǔ)資料進(jìn)行初步的了解；在檢測(cè)階段，由相應(yīng)的技術(shù)人員操縱無(wú)人機(jī)前往所設(shè)定的檢測(cè)地點(diǎn)，進(jìn)行具體的影像采集；在測(cè)后數(shù)據(jù)處理階段，主要是對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從而判斷橋梁狀態(tài)和損傷程度。兩國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)流程進(jìn)行了不同的階段劃分，不過檢測(cè)的過程和內(nèi)容卻是大同小異[1]。

3 無(wú)人機(jī)在橋梁檢測(cè)中的優(yōu)劣勢(shì)分析

3.1 優(yōu)勢(shì)分析

相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法而言，無(wú)人機(jī)在橋梁檢測(cè)中具有如下優(yōu)點(diǎn)。

3.1.1 效率高

借助無(wú)人機(jī)能夠很輕松地到達(dá)人工無(wú)法達(dá)到的位置，能夠針對(duì)橋梁的具體細(xì)節(jié)位置進(jìn)行反復(fù)采樣，且能夠有效縮短橋梁檢測(cè)的時(shí)間，檢測(cè)效率較高。

3.1.2 靈活性強(qiáng)

借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)的方案較為靈活，一般都會(huì)配備多個(gè)預(yù)備方案，同時(shí)還會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況進(jìn)行方案調(diào)整，檢測(cè)人員能夠通過后臺(tái)針對(duì)檢測(cè)方案進(jìn)行及時(shí)修正[2]。

3.1.3 成本低

借助無(wú)人機(jī)展開橋梁檢測(cè)不需要投入大量的人力與物力成本，只需要檢測(cè)人員掌握無(wú)人機(jī)操作技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁病害狀況的檢測(cè)，能夠有效控制設(shè)備消耗費(fèi)用。

3.1.4 安全性強(qiáng)

借助無(wú)人機(jī)能夠有效代替人力在橋座、橋墩以及橋腹等相對(duì)危險(xiǎn)位置的檢測(cè)工作，控制人工操作產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 劣勢(shì)分析

3.2.1 容易受環(huán)境因素影響

無(wú)人機(jī)在對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于大風(fēng)、電磁等環(huán)境因素的干擾，會(huì)導(dǎo)致其飛行穩(wěn)定性降低，從而降低檢測(cè)結(jié)果的精度[3]。

3.2.2 受無(wú)人機(jī)配置條件影響較大

無(wú)人機(jī)的配置不同，其負(fù)載、續(xù)航、防風(fēng)及穩(wěn)定性能的差別比較大，直接影響橋梁檢測(cè)的結(jié)果。所以為了達(dá)到良好的檢測(cè)效果，在制訂檢測(cè)方案時(shí)，通常會(huì)考慮橋梁類型和環(huán)境因素，進(jìn)而選擇合適的無(wú)人機(jī)。例如，在對(duì)大型橋梁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，續(xù)航能力強(qiáng)的無(wú)人機(jī)為首選；如果被檢測(cè)橋面過寬，應(yīng)當(dāng)考慮無(wú)人機(jī)是否會(huì)出現(xiàn)信號(hào)弱的問題，適當(dāng)為無(wú)人機(jī)增加雷達(dá)避阻、紅外測(cè)距等技術(shù)裝置。

3.2.3 對(duì)操作人員要求較高

無(wú)人機(jī)操作人員必須具有一定的專業(yè)素質(zhì)，才能對(duì)橋梁病害進(jìn)行有效識(shí)別，而且無(wú)人機(jī)的操作有一定的難度，所以對(duì)操作人員的要求較高，從而制約了無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)的普及。

4 無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)硬件設(shè)備要求

與其他應(yīng)用領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)相比，橋梁檢測(cè)無(wú)人機(jī)受橋梁結(jié)構(gòu)的影響，需要在沒有GPS 的條件下飛行，并攜帶高精度攝像機(jī)以獲取橋梁損傷信息。利用無(wú)人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，所需的硬件主要有以下五種。

4.1 飛行器主體

飛行器主體即無(wú)人機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、舵面等基本結(jié)構(gòu)。由于橋梁的構(gòu)造十分復(fù)雜，在獲取影像資料時(shí)，一般使用的是具有高穩(wěn)定性的旋翼無(wú)人機(jī)[4]。

4.2 橋下定位系統(tǒng)

橋面上的鋼筋構(gòu)造會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，從而影響無(wú)人機(jī)的GPS 定位，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性受到很大影響。為此，需要在橋梁的鋼筋構(gòu)造等復(fù)雜檢測(cè)環(huán)境中，為無(wú)人機(jī)配備超聲波、視覺定位和慣性導(dǎo)航等技術(shù)裝置，使其能夠接收遙控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。

4.3 上置云臺(tái)

在橋梁的檢測(cè)過程中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)病害處的穩(wěn)定拍攝，需要在無(wú)人機(jī)上配置三軸穩(wěn)定云臺(tái)。

4.4 變焦相機(jī)

在橋梁病害中，裂紋是難以觀察到的，在無(wú)人機(jī)上安裝變焦相機(jī)，能夠在相應(yīng)的距離上用光學(xué)變焦鏡頭拍攝到清晰的圖像，便于后續(xù)軟件的處理和分析。

4.5 圖像傳輸系統(tǒng)

在對(duì)大型橋梁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為確保數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，需要對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并采用穩(wěn)定的圖像傳輸技術(shù)，以確保橋梁檢測(cè)工作的高效開展。

5 橋梁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展展望

相對(duì)于傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法，無(wú)人機(jī)可以有效地解決檢測(cè)效率、成本等方面的不足，并可以適應(yīng)各種復(fù)雜的工作條件，從而減小檢測(cè)的難度。然而，目前在橋梁檢測(cè)中，多采用無(wú)人機(jī)作為空域信息收集平臺(tái)，如何識(shí)別、管理、跟蹤獲取的信息，并最大限度地發(fā)揮無(wú)人機(jī)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，仍是迫切需要解決的問題。本文認(rèn)為，結(jié)合目前行業(yè)發(fā)展需求，無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)技術(shù)將有如下的發(fā)展趨勢(shì)。

5.1 實(shí)景3D 以及BIM 結(jié)合應(yīng)用

借助3D 視角以及BIM 模型展示橋梁數(shù)據(jù)，根據(jù)展示數(shù)據(jù)實(shí)施橋梁檢測(cè)，能夠有效提升橋梁檢測(cè)整體效率[5]。

5.2 橋梁檢測(cè)朝智能化發(fā)展

在科技進(jìn)步的大背景下，橋梁檢測(cè)將向著智能化的方向發(fā)展，而無(wú)人機(jī)將會(huì)逐步替代人工操作，并進(jìn)一步智能化，從而最大程度地減少操作風(fēng)險(xiǎn)，提升檢測(cè)效率。

5.3 自動(dòng)化水平提升

無(wú)人機(jī)對(duì)橋梁病害數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的方式會(huì)逐步朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展，并與多種定位技術(shù)相結(jié)合。根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的飛行路線，無(wú)人機(jī)可以自主地完成采集工作，從而減少人工操作的難度。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行橋梁檢測(cè)，可以精確地識(shí)別橋梁缺陷，大幅度降低檢測(cè)成本，有效提升檢測(cè)效率。隨著科技水平的不斷提高，無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)將逐步替代傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法，并朝著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。