橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全巡檢的應(yīng)用模式研究

覃巍巍

【摘 ? ?要】：針對目前橋梁巡檢工作中過于依賴人工、數(shù)據(jù)處理不及時、無人機供電困難、巡視點遺漏的問題，提出一種無人機自動巡檢、自動停機艙、數(shù)據(jù)管理平臺的應(yīng)用模式。工程應(yīng)用表明，該應(yīng)用模式保障了橋梁巡檢作業(yè)的高效性、安全性、準(zhǔn)確性和連貫性。

【關(guān)鍵詞】：智慧橋梁；缺陷檢測；巡檢；復(fù)雜結(jié)構(gòu)；無人機

【中圖分類號】：U445.7【文獻標(biāo)志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-12-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.003

Research on the Application Mode of Safety Inspection for

Complex Bridge Structures

QIN Weiwei

（OVM Machinery Co. Ltd.，Liuzhou 545000，China）

【Abstract】：Focused on problems such as over-reliance on manpower， untimely data processing， difficulty in UAV power supply， and missing patrol points. The paper proposes an application mode based on UAV automatic patrol， UAV cabin， data platform for complex structure components of bridges. Verified by project application， this mode guarantes efficiency， safety， precision and consistency of bridge inspection tasks.

【Key words】：smart bridges; defect detection; inspection; complex structures;UAV

橋梁定期檢測與維護工作量巨大，如何快速、準(zhǔn)確進行巡維是困擾行業(yè)的一大難題；因此，開展橋梁缺陷精益化自動巡檢技術(shù)研究，對豐富橋梁管養(yǎng)手段具有重要意義。在非接觸自動采集傳感技術(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺技術(shù)支撐下實現(xiàn)橋梁自動巡檢是智慧橋梁領(lǐng)域的主要研究趨勢[1]。目前，激光點云和傾斜攝影等技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)高精度橋梁三維建模，可用于無人機巡視點標(biāo)定，是實現(xiàn)無人機自動巡檢的基礎(chǔ)[2～3]。朱志超等[4]實現(xiàn)橋梁部件細(xì)化、智能拍照識別，但未采用自動停機艙，因此需要有人參與實時操控。通過“計算機+運動控制卡”的控制系統(tǒng)架構(gòu)，以模塊化設(shè)計理念開發(fā)停機艙控制系統(tǒng)硬件及軟件的思路已得到驗證[5～6]。

上述研究均為某一方面技術(shù)的應(yīng)用，未見將多種技術(shù)綜合起來應(yīng)用而實現(xiàn)自動無人干預(yù)的巡檢系統(tǒng)研究。為此，本文結(jié)合工程應(yīng)用，探究無人機在橋梁監(jiān)控運維中的全自動應(yīng)用模式，通過對無人機的自主飛行及橋梁部件缺陷智能識別、數(shù)據(jù)平臺等的研究，在無人機端、停機艙端、平臺軟件端等多個環(huán)節(jié)形成自動化控制，令無人機無需人工干預(yù)便可自主完成橋梁巡檢任務(wù)。

1 自動巡檢模式的實現(xiàn)

1.1 巡視點的標(biāo)定

巡視點的標(biāo)定依賴三維模型。橋梁實體三維模型包括橋梁本身及外周所有的實體所在位置、所占空間信息，通過笛卡爾三維坐標(biāo)系來表示，操作人員可以在三維坐標(biāo)系中進一步指定用于控制無人機定點采集巡檢圖像的空間向量。上述三維模型加上所指定的一系列空間向量，便具備了控制無人機在指定點位、以指定方向采集圖像所需的足夠信息。空間向量的生成過程，即是巡視點標(biāo)定的過程。

1.2 無人機自主飛行控制

自動巡檢無需人員干預(yù)，因此無人機應(yīng)具備完全自主控制功能。將無人機飛行控制器劃分為兩個組件。

1）飛行支持組件：通過高性能MCU實現(xiàn)基本的飛行動作閉環(huán)控制。為保證穩(wěn)定性不受上層應(yīng)用的影響，該組件對無人機硬件具有最高控制權(quán)限并且支持僅通過單一入口接收上層指令。

2）智能調(diào)度組件：是指揮無人機執(zhí)行作業(yè)的大腦，以微型工控機為載體，實現(xiàn)配置和數(shù)據(jù)存儲、與數(shù)據(jù)平臺通信等功能。通過將高層指令轉(zhuǎn)譯為飛行控制指令發(fā)往飛行支持組件，實現(xiàn)按巡視控制點指揮飛行、控制拍照及返航等功能。

1.3 自動停機艙設(shè)計

為實現(xiàn)無人機自動巡檢，除自主飛行控制外，還需要戶外自動停機艙作為無人機停放、充電和故障處理的場所。自動停機艙可部署在橋頭或者橋梁監(jiān)控中心等位置。

自動停機艙內(nèi)的核心部件包括升降平臺、供電模塊、停機引導(dǎo)控制系統(tǒng)及設(shè)置在升降臺的正負(fù)充電極板、鉤爪。

1.4 自動巡檢工作流程

通過巡檢調(diào)度系統(tǒng)進行任務(wù)排程，將用戶指定的巡檢任務(wù)計劃輸入至巡檢調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)按既定的時間周期或按事件觸發(fā)控制無人機執(zhí)飛，按預(yù)定的航線、點位控制指令等進行巡檢任務(wù)；再將采集的數(shù)據(jù)自動回送至巡檢數(shù)據(jù)平臺進行分析。見圖1。

1.5 巡檢數(shù)據(jù)管理平臺

巡檢數(shù)據(jù)管理平臺包括巡視點整合與優(yōu)化、編制巡檢計劃、無人機遠(yuǎn)程交互、巡視結(jié)果生成等模塊。

平臺系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制平臺和巡視報表平臺兩部分組成，采用Java語言及相關(guān)的開發(fā)工具來實現(xiàn)；可實時遠(yuǎn)程監(jiān)測顯示無人機自身各項數(shù)據(jù)，對巡檢數(shù)據(jù)進行反饋分析，對圖片、視頻加以分類，通過機器學(xué)習(xí)功能進行智能識別診斷，生成巡檢結(jié)果報表，方便相關(guān)技術(shù)人員維修管理。

平臺服務(wù)器采用Docker資源隔離部署系統(tǒng)，將核心軟件和數(shù)據(jù)庫劃分為兩個相對的Docker微服務(wù)，以提高系統(tǒng)功能組件的內(nèi)聚性、可擴展性和故障隔離能力。

1.6 基于圖像智能的檢測算法

橋梁不同部位、不同部件的缺陷模式不同；為實現(xiàn)多種缺陷信息的全息智能識別，需要盡可能建立缺陷的特征庫。

采用YOLOv3深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立缺陷分類模型，根據(jù)缺陷圖像智能判斷缺陷類別，輸入圖片像素統(tǒng)一。為了避免梯度飽和效應(yīng)的發(fā)生，采用ReLU函數(shù)作為激活函數(shù)

[rectifier（x）=max0，x=x if x≥00 if x<0] （1）

另外，采用梯度下降法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，定義初始學(xué)習(xí)率[η0]和學(xué)習(xí)率衰減變化率[s]，以交叉熵為損失函數(shù)

[Jθ=-1Ni=1Ny（i）loghθx（i）+ ? ? ? ? ? ? ?1-y（i）log1-hθx（i）] （2）

式中：[θ]為標(biāo)簽；[hθ]為標(biāo)簽[θ]出現(xiàn)的概率；[N]為樣本數(shù)量；[y]是期望輸出；[x]為輸入變量。

1.7 半自動巡檢模式

對于不需要高頻巡檢或不需投入過多成本在自動停機艙等基礎(chǔ)設(shè)施上的需求，可選擇半自動巡檢的模式。見圖2。

半自動巡檢的模式具有如下特點：

1）不需要自動停機艙，每次檢測需人工搬運無人機往返；

2）工作時，需通過配套軟件執(zhí)行一鍵巡檢，而不是巡檢條件出發(fā)方式。

2 工程測試

一座超千米級的跨江特大斜拉橋，需要在短時間內(nèi)完成拉索、橋塔、梁底的巡檢工作并迅速給出巡檢報告。

2.1 全自動巡檢模式

2.1.1 巡視點標(biāo)定

此次巡檢任務(wù)共標(biāo)定有95個巡視點，覆蓋索塔、部分拉索、橋墩。見圖3。

2.1.2 自動停機艙的應(yīng)用

在自動巡檢模式中，將停機艙布置在距離橋頭約400 m的監(jiān)控中心前空曠平地上。停機艙除作為自動巡視模式中用于無人機停放、充電、維護的場所，還具備與無人機交互的能力，這是自動巡檢模式不需人工參與的關(guān)鍵。在自動巡檢模式中，設(shè)定滿足飛行條件或間隔飛行時間即可出發(fā)巡檢。停機艙采用150 W的太陽能板進行光伏發(fā)電，內(nèi)置24 V50 A·h鋰電池。見圖4。

根據(jù)控制點標(biāo)定數(shù)據(jù)，無人機可從停機艙自動起飛前往作業(yè)區(qū)中相應(yīng)點位執(zhí)行巡檢任務(wù)，完成后自動返回停機艙。若電量不足以支持完成一次完整作業(yè)，則無人機將自動進行分階段作業(yè)，即電量較低時先保存當(dāng)前狀態(tài)，待返航充電后再繼續(xù)工作，保證了巡檢的連續(xù)性。

2.1.3 巡檢數(shù)據(jù)平臺

缺陷檢測算法模型訓(xùn)練過程中設(shè)置初始學(xué)習(xí)率[η0=0.001]、學(xué)習(xí)率衰減變化率[s=0.1]、樣本數(shù)量[N=6 500]，圖片分辨率統(tǒng)一為480×480。

無人機在控制點處拍照并將數(shù)據(jù)回送至巡檢數(shù)據(jù)平臺進行缺陷檢測，采用4G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)連接。為顯示智能識別效果，實際測試中對橋墩、索塔、拉索等部位缺陷進行了自動識別。見圖5。

作業(yè)過程中及完成后，可從巡檢數(shù)據(jù)平臺查看無人機狀態(tài)、巡檢結(jié)果等數(shù)據(jù)，見圖6和圖7。

2.2 半自動巡檢模式

在半自動巡檢模式中，人員通過遙控器加載巡視點數(shù)據(jù)并通過手持遙控器應(yīng)用軟件（APP）發(fā)往無人機。無人機根據(jù)所述數(shù)據(jù)進行巡檢，完畢后返航，人工回收無人機。

在本測試中，基于橋塔的半自動巡檢模式執(zhí)行一遍約耗時38 min（僅為無人機滯空時間），要完成整個橋梁的巡檢需要多次返回并充電。

3 結(jié)語

對于橋梁這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，依賴人工控制的無人機巡檢，會造成巡視點遺漏、數(shù)據(jù)難以管理的問題。本文提出的應(yīng)用模式經(jīng)過工程驗證，在高精度自動巡檢的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動停機艙、數(shù)據(jù)平臺可以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、安全、連貫的巡檢，保障巡檢的準(zhǔn)確性。同時，針對減少設(shè)備建設(shè)投入成本的考量，還補充了一種半自動巡檢模式。

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