中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
在特殊結(jié)構(gòu)橋梁（如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等）或者大跨高墩橋梁的檢測(cè)過程中，常規(guī)檢測(cè)手段存在局限性,比如檢查盲區(qū)。盲區(qū)的檢測(cè)效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，而且檢測(cè)精細(xì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，采用先進(jìn)的無人智能檢測(cè)技術(shù)開展養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作變得越來越有必要。本文簡(jiǎn)單介紹了4種在長(zhǎng)大橋梁檢測(cè)中的無人智能檢測(cè)技術(shù)，包括無人機(jī)、高清攝像、纜索機(jī)器人、水下機(jī)器人，以及無人智能設(shè)備綜合應(yīng)用案例。
常規(guī)檢測(cè)手段的局限
橋梁檢測(cè)主要是對(duì)橋梁外觀和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢查評(píng)定，通常對(duì)結(jié)構(gòu)性能的檢查是通過一系列的力學(xué)試驗(yàn)完成，而對(duì)其外觀的檢查主要依靠肉眼或者輔助工具（如橋檢車、望遠(yuǎn)鏡等），來檢測(cè)橋梁主要構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。
隨著我國公路建設(shè)里程不斷增加，大型橋梁數(shù)量增多，養(yǎng)護(hù)維護(hù)和檢測(cè)工作的難度也不斷提高。截至2016年底，全國公路橋梁共有80.53萬座，4916.97萬米。特大橋梁4257座，大橋86178座，二者長(zhǎng)度約占橋梁總長(zhǎng)的61.1%。
對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)橋梁(如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等)或者大跨高墩橋梁來說,常規(guī)檢測(cè)手段存在局限性,有檢查盲區(qū),而盲區(qū)檢測(cè)效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高。如對(duì)斜拉橋拉索的檢測(cè),人工爬上拉索向下進(jìn)行檢測(cè)作業(yè),不僅效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高,而且檢測(cè)精細(xì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,而采用纜索機(jī)器人檢測(cè)拉索能很好地解決這個(gè)問題。為了保證橋梁使用的安全和問題隱患的有效消除,采用先進(jìn)的智能檢測(cè)技術(shù)開展養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作變得越來越有必要。以下主要介紹無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)、高清攝像檢測(cè)技術(shù)、纜索機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)、水下機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)這4種無人智能檢測(cè)技術(shù)。
無人智能檢測(cè)技術(shù)
無人機(jī)
無人機(jī)橋梁快速檢測(cè)系統(tǒng)主要由無人機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、其他設(shè)備等組成。無人機(jī)一般采用起降平穩(wěn)的多旋翼無人機(jī)，利于數(shù)據(jù)采集和觀測(cè)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于系統(tǒng)控制信號(hào)、檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。地面站系統(tǒng)則用于實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行、檢查拍攝情況，利于及時(shí)糾正飛行軌跡和發(fā)現(xiàn)橋梁明顯病害。其他設(shè)備除了常規(guī)的維修保養(yǎng)工具外，還包含檢測(cè)結(jié)果分析處理系統(tǒng)。用于橋梁檢測(cè)的無人機(jī)與常規(guī)航拍無人機(jī)的任務(wù)荷載系統(tǒng)略有不同，前者的三軸增穩(wěn)云臺(tái)、高清攝像機(jī)置于飛行器上方，航拍用云臺(tái)一般布置在下方。常用于橋梁檢測(cè)的多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)如圖1。
2.無人機(jī)特點(diǎn)
相比傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)技術(shù),無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①無人機(jī)可以直接到達(dá)檢測(cè)部位，無須其他輔助措施，節(jié)省費(fèi)用；
②檢測(cè)橋墩、橋座、橋腹等危險(xiǎn)場(chǎng)所，無須搭架或者吊籃配合人員檢測(cè)，極大地提高了安全性；
③對(duì)于部分無法企及的橋腹、拉索等部位，無人機(jī)可以抵近觀察了解更多細(xì)節(jié)；
④定點(diǎn)懸停觀測(cè)、實(shí)時(shí)傳輸畫面、效率高、基本不影響正常交通；
⑤在天氣情況允許的前提下，實(shí)施檢測(cè)橋梁具備較高的及時(shí)性；
缺點(diǎn)是梁體狹小空間處無法檢測(cè)，需傳統(tǒng)檢測(cè)方式；續(xù)航能力一般；工作環(huán)境受天氣環(huán)境影響大。
高清攝像
高清攝像綜合使用了攝影測(cè)量與圖像識(shí)別技術(shù)，從影像中提取待病害位置、尺寸等信息。高清攝像系統(tǒng)主要由攝像部分、成像放大部分、轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分、圖像處理分析部分4部分組成。
攝像部分：主要用于現(xiàn)場(chǎng)拍照，將病害以圖像的形式記錄下來。
成像放大部分：使用高倍率的望遠(yuǎn)鏡頭，對(duì)拍攝的病害進(jìn)行放大處理，使圖像滿足檢測(cè)精度要求。
轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分：將拍攝區(qū)域網(wǎng)格化處理，轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分可自動(dòng)將鏡頭對(duì)準(zhǔn)待拍攝區(qū)域，大幅度提高拍攝速率。
圖像處理分析部分：首先將斜視圖像轉(zhuǎn)換為正視圖像，而后使用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，識(shí)別出病害長(zhǎng)度、寬度等尺寸信息。
1.高清攝像檢測(cè)應(yīng)用
高清攝像技術(shù)主要應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)物的表觀檢測(cè)，如橋梁、火電站冷卻塔、水壩、核電站反應(yīng)殼等。在長(zhǎng)大橋梁檢測(cè)中，高清攝像技術(shù)多用于斜拉橋、懸索橋的索塔外觀檢查和不易檢測(cè)到的橋梁側(cè)面底面等。
2.高清攝像特點(diǎn)
高清攝像機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①操作簡(jiǎn)單快捷。設(shè)備總重不超過15kg，現(xiàn)場(chǎng)2人即可順利操作。從開箱到組裝完畢，總共不超過10分鐘。
②檢測(cè)精度高。50m距離范圍內(nèi)，有效精度可達(dá)到0.1mm。
③安全可靠。操作人員在陸地空曠區(qū)域拍攝，避免在支架或掛籃上登高作業(yè)，有效保證檢測(cè)人員的人身安全。
④不干擾結(jié)構(gòu)物的正常運(yùn)營。該方法為非接觸性量測(cè)手段，不干擾被測(cè)物自然狀態(tài)。例如橋梁檢測(cè)中無須封路，避免了道路審批的繁瑣辦理流程。
⑤拍攝影像可長(zhǎng)期保存。便于與歷史缺陷進(jìn)行對(duì)比，掌握病害的演變規(guī)律。
⑥展示效果好。檢測(cè)結(jié)果以高清漫游的方式呈現(xiàn)出來，還原現(xiàn)場(chǎng)，猶如身臨其境。
纜索機(jī)器人
纜索是斜拉橋的主要承重部分，其造價(jià)約占全橋造價(jià)的25％～30％。但其長(zhǎng)期暴露在大氣之中，受到風(fēng)吹、日曬、雨淋和環(huán)境污染的侵蝕，其表面會(huì)受到較嚴(yán)重的破壞，這會(huì)對(duì)整座斜拉橋帶來不利的影響。然而大型斜拉橋纜索都存在安裝后難以進(jìn)行健康檢測(cè)的問題，導(dǎo)致嚴(yán)重安全隱患。為了降低安全隱患，必須對(duì)橋梁纜索進(jìn)行定期的檢測(cè)，并對(duì)其中有損傷的纜索進(jìn)行涂裝、修復(fù)或更換。
纜索機(jī)器人是一種能夠攜帶相關(guān)設(shè)備攀爬纜索，并對(duì)其進(jìn)行高空作業(yè)的爬行機(jī)器人，它是專門針對(duì)高空斜拉索進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)纜索準(zhǔn)確、及時(shí)、快速、方便地檢查。利用其作為載體，安裝高清攝像裝置和鋼絲探傷傳感器，能進(jìn)行纜索外觀和內(nèi)部鋼絲情況的詳細(xì)檢測(cè)。
檢測(cè)機(jī)器人包括檢測(cè)裝置、爬行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電源、電機(jī)等幾個(gè)部分，其在纜索上的安裝圖如圖3所示。
圖3 纜索機(jī)器人安裝示意圖
檢測(cè)裝置的作用是檢測(cè)橋梁纜索外表及內(nèi)部是否有損傷，可以是電渦流檢測(cè)裝置、磁漏檢測(cè)裝置、超聲波檢測(cè)裝置等。檢測(cè)的結(jié)果由控制和監(jiān)視系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并存儲(chǔ)。
爬行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它的任務(wù)是帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)按設(shè)定的任務(wù)自主地在纜索上運(yùn)動(dòng)。
控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它要完成同地面操作人員的通訊、采集檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果、控制并驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)按照要求運(yùn)動(dòng)。
圖4 纜索機(jī)器人檢測(cè)到的斜拉索破損照片
水下機(jī)器人
橋梁基礎(chǔ)是橋梁的重要結(jié)構(gòu)之一,它不僅承受著橋梁的恒載和活載,還將它傳遞給地基。然而橋梁經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)營后,往往會(huì)因?yàn)榛A(chǔ)混凝土澆筑質(zhì)量差或流水長(zhǎng)期沖刷侵蝕等原因而出現(xiàn)病害,如基礎(chǔ)淘空、傾斜、下沉、混凝土沖蝕、磨損、破損、露筋、銹蝕、夾泥、開裂和縮徑等,這些病害均會(huì)危及橋梁的正常使用。由于基礎(chǔ)往往位于水面以下或埋置在土體之中,成橋后,基礎(chǔ)頂面以上已修筑墩臺(tái)、梁板等結(jié)構(gòu)物。另外,基礎(chǔ)位于水面之下,人工檢測(cè)作業(yè)存在很大的安全隱患。這些現(xiàn)實(shí)情況給橋梁檢測(cè)的順利實(shí)施帶來了很大的困難,檢測(cè)單位無法及時(shí)了解成橋后基礎(chǔ)的病害情況。針對(duì)上述狀況,使用水下機(jī)器人檢測(cè)橋梁基礎(chǔ)成為長(zhǎng)大跨海、跨江橋梁樁基檢測(cè)的必要手段。
水下遙控機(jī)器人(英文縮寫ROV)潛水有多種，通?？煞譃樾⌒陀^察型和作業(yè)型兩種。按動(dòng)力范圍和作業(yè)水深分類，作業(yè)型又可分為輕型、中型、大型和超深型幾種。目前在水下遙控機(jī)器人的基礎(chǔ)上，已經(jīng)研制成功更為先進(jìn)的水下LBC多功能運(yùn)動(dòng)車，它是ROV和水下爬行器的完美結(jié)合，它具有普通ROV的功能外，還具有爬行器功能。如果需要仔細(xì)觀察某一個(gè)平面物體，LBC可以轉(zhuǎn)換到爬行器模式，借助4個(gè)輪子在平面上自由爬行，可以仔細(xì)檢查物體表面。在水下爬行時(shí)，顯示器上會(huì)顯示里程表。另外還具有成像聲吶和水下定位系統(tǒng)。檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)不同的檢測(cè)環(huán)境、檢測(cè)目的，選擇合適的水下機(jī)器人。
水下機(jī)器人檢測(cè)作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)在于能深水檢測(cè)，這是水下攝像儀檢測(cè)、潛水檢測(cè)無法比擬的優(yōu)勢(shì)；缺點(diǎn)是目前水下機(jī)器人的推進(jìn)器動(dòng)力還不足，一般水下檢查作業(yè)型的抗水能力是2～4節(jié)。因此，檢查型的水下機(jī)器人目前適合于流速較低的跨海橋梁以及庫區(qū)橋梁的基礎(chǔ)檢測(cè)，對(duì)于流速較大的橋梁基礎(chǔ)尚不能完成檢測(cè)任務(wù)。
綜合應(yīng)用顯身手
杭州灣跨海大橋是我國G15沈海高速的重要組成部分，北起嘉興海鹽鄭家埭，跨越杭州灣海域后止于寧波慈溪水路灣，全長(zhǎng)約36km。大橋主要工程包括北引線、北引橋、北航道橋、中引橋、南航道橋，海中平臺(tái)及匝道橋、南引橋和南引線，其中北航道橋?yàn)橹骺?48m的鉆石形雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，南航道橋?yàn)橹骺?18m的A形單塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。大橋受海洋環(huán)境影響顯著，運(yùn)營環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)耐久性問題突出。為了有效掌握橋梁運(yùn)營使用情況，需要對(duì)主要結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)、有效的檢測(cè)。另外，南、北航道橋采用斜拉橋的結(jié)構(gòu)型式，橋梁包括斜拉索、索塔、鋼管樁等特殊和易損構(gòu)件，常規(guī)方法無法滿足檢測(cè)的需要。
圖5 無人智能設(shè)備綜合應(yīng)用——杭州灣跨海大橋北航道橋
為解決航道橋檢查檢測(cè)問題，在杭州灣跨海大橋上對(duì)無人智能設(shè)備進(jìn)行了綜合應(yīng)用。根據(jù)航道橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)件類型和位置，安排不同的無人檢測(cè)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)工作和成果分析由專業(yè)檢測(cè)單位承擔(dān)。以北航道橋?yàn)槔?，無人智能設(shè)備的綜合應(yīng)用情況如下。
3.杭州灣跨海大橋所在海域具有潮差大、潮流急、沖刷深的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)人工水下樁基探摸作業(yè)具有較大風(fēng)險(xiǎn)。為有效掌握大橋樁基礎(chǔ)的運(yùn)營狀況，特別是鋼管樁的腐蝕以及河床的沖刷深度，大橋每年利用水下機(jī)器人抽檢部分鋼管樁基礎(chǔ)。通過水下機(jī)器人上的拍攝設(shè)備，可知目前所檢樁基與承臺(tái)結(jié)合位完好，樁身整體結(jié)構(gòu)完整，鋼管樁表面防腐涂層未發(fā)現(xiàn)有明顯脫落及銹蝕的地方。另外，利用機(jī)器人上安裝的聲吶掃描裝置，對(duì)樁基所在河床進(jìn)行了掃描，確定了沖刷深度。
1.利用高清攝像設(shè)備對(duì)北航道橋的索塔外表面進(jìn)行全面檢查，檢查頻率每年1次。由于高清攝像設(shè)備的特點(diǎn)，檢查范圍可涵蓋索塔上、下塔柱的各個(gè)側(cè)面。通過遠(yuǎn)距離拍攝，對(duì)平時(shí)采用常規(guī)檢測(cè)手段、難以抵近的部位進(jìn)行了詳細(xì)檢查；同時(shí)利用配套的圖像識(shí)別和處理系統(tǒng)，不僅將索塔表面的裂縫、破損、滲水等病害，進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的識(shí)別和記錄，還對(duì)拍攝照片進(jìn)行拼接，形成了索塔表面病害的三維展示圖。通過系統(tǒng)形成的檢測(cè)成果，一方面便于直觀查看病害位置和類型，另一方面形成了索塔外表面病害基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，在后續(xù)的檢查過程中方便對(duì)相同病害進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。
2.利用纜索機(jī)器人對(duì)北航道橋全部112根拉索進(jìn)行檢查，檢查頻率為每年1次。應(yīng)用纜索機(jī)器人檢測(cè)斜拉索，檢測(cè)過程不需封橋，不影響橋梁正常通行；還能夠檢測(cè)到高空段人工無法檢測(cè)到的斜拉索部位，檢測(cè)更詳細(xì)；檢測(cè)中，機(jī)器人負(fù)責(zé)測(cè)量過程的采集數(shù)據(jù)，操控人員負(fù)責(zé)安裝和控制，大大減輕了檢測(cè)人員的工作量，且安全性好。因此，采用纜索機(jī)器人能夠有效滿足杭州灣跨海大橋斜拉索外觀的檢測(cè)需要。
圖7 杭州灣大橋水下機(jī)器人檢測(cè)成果
4.在大橋的檢測(cè)過程中，無人機(jī)的作用主要包括橋梁整體巡檢和配合檢查。一方面，利用無人機(jī)對(duì)航道橋進(jìn)行整體巡檢，了解橋梁安全保護(hù)區(qū)內(nèi)有無違法現(xiàn)象、航道輔助設(shè)施是否齊全完善。另一方面，利用無人機(jī)輔助高清攝像設(shè)備對(duì)索塔外表面進(jìn)行檢查，對(duì)需要復(fù)核的病害進(jìn)行抵近拍攝，確保了高清攝像檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
綜上，通過在杭州灣跨海大橋航道橋上綜合應(yīng)用無人智能設(shè)備，有效解決了跨海纜索橋梁結(jié)構(gòu)的檢查檢測(cè)問題。利用無人智能設(shè)備的專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合大橋現(xiàn)有外觀檢查資料，可以更加科學(xué)、全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況和運(yùn)營使用情況。
未來，隨著社會(huì)科技水平的不斷提高，應(yīng)用在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域的檢測(cè)方法和手段也將逐步智能化。采用橋梁智能化檢測(cè)技術(shù)能夠保障橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中的安全性，確保使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全。在科學(xué)技術(shù)、人工智能飛速發(fā)展，逐漸普及的今天，已經(jīng)有越來越多的新型智能化檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用于橋梁檢測(cè)養(yǎng)護(hù)工作中。有關(guān)單位應(yīng)當(dāng)對(duì)這些信息技術(shù)加強(qiáng)了解，結(jié)合實(shí)際情況，合理、科學(xué)地引入，提升橋梁檢查工作的有效性。
