彭玲麗　黃少旭　張申申　李　乾

(湖北省交通運(yùn)輸廳鄂西高速公路管理處　武漢　430051)

淺談無人機(jī)在橋梁檢測中的應(yīng)用與發(fā)展

彭玲麗黃少旭張申申李乾

(湖北省交通運(yùn)輸廳鄂西高速公路管理處武漢430051)

摘要為了解決常規(guī)檢測手段在橋梁檢測中的局限性，以無人機(jī)檢測四渡河大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，介紹了無人機(jī)橋梁檢測系統(tǒng)的組成及工作原理，通過無人機(jī)在特殊結(jié)構(gòu)橋梁檢測中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)檢測手段對比分析了優(yōu)缺點(diǎn)，探討了無人機(jī)在橋梁檢測中的應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞無人機(jī)橋梁檢測應(yīng)用

隨著航拍技術(shù)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用更多地滲透到各行各業(yè)。無人飛行器可分許多類別，其中無人多旋翼飛行器因結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格相對低廉，可應(yīng)用于公路橋梁檢測、線路巡檢等領(lǐng)域[1-3]。

管養(yǎng)部門通常定期對橋梁進(jìn)行檢查，多采用傳統(tǒng)檢測手段，依靠肉眼或者輔助工具(如橋檢車、望遠(yuǎn)鏡等)來檢測橋梁主要構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。而對于特殊結(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，在梁底板、塔柱、索纜、斜拉索、塔頂避雷針等可及范圍以外，常規(guī)檢測手段和方法存在局限性，可操作的難度非常大，存在檢查盲區(qū)。其中局部盲區(qū)可采取人工現(xiàn)場察看檢查，但效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，而應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行輔助檢測，將在很大程度上解決這些難題。

1無人機(jī)橋梁快速檢測系統(tǒng)組成及工作原理

無人機(jī)橋梁快速檢測系統(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。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于系統(tǒng)控制信號、檢測數(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，還包含檢測結(jié)果分析處理系統(tǒng)。用于橋梁檢測的無人機(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、高清攝像機(jī)置于飛行器上方，航拍用云臺一般布置在下方。無人機(jī)橋梁檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1，用于橋梁檢測的八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，見圖1。

表1　無人機(jī)橋梁檢測系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

圖1　用于橋梁檢測的八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)橋梁快速檢測系統(tǒng)主要利用無人機(jī)可高空任意地點(diǎn)懸停的特點(diǎn)，借助高像素專業(yè)拍照采集系統(tǒng)，在已知位置和距離對檢測對象局部拍照，數(shù)據(jù)存儲于機(jī)身，后期專業(yè)人員通過已知空間位置、時(shí)間軸線、高清照片或錄像來分析病害位置和危害程度。

2無人機(jī)橋梁檢測工程應(yīng)用實(shí)例

2.1　應(yīng)用實(shí)例簡介

以無人機(jī)檢測滬渝高速四渡河大橋?yàn)槔?。四渡河大橋?yàn)橹骺?00 m的單跨雙鉸鋼桁架加勁梁懸索橋，主橋采用鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，橋面長1 365 m。主橋加勁鋼桁梁由主桁架、上下平聯(lián)、橫向桁架組成。桁梁采用整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)，利用高強(qiáng)螺栓拼裝連接。塔頂至峽谷谷底高差達(dá)650 m，橋面距谷底560 m，被譽(yù)為“世界第一高橋”，同時(shí)也是滬渝高速的控制性特殊結(jié)構(gòu)橋梁。

無人機(jī)橋梁檢測主要針對四渡河大橋鋼桁梁、索塔、節(jié)點(diǎn)板、高橋墩、纜索、常規(guī)檢查盲區(qū)，對常規(guī)檢查易遺漏點(diǎn)進(jìn)行檢查，全面判定橋梁技術(shù)健康狀況。主要檢測項(xiàng)目和內(nèi)容見表2。

表2　四渡河大橋無人機(jī)檢測部位和內(nèi)容

2.2　無人機(jī)檢測方法

無人機(jī)檢測一般由2名專業(yè)技術(shù)人員分別控制機(jī)身運(yùn)動、檢測攝像2部分進(jìn)行飛行和數(shù)據(jù)采集。起飛前，無人機(jī)需放置平穩(wěn)，調(diào)試各系統(tǒng)確保開機(jī)運(yùn)行正常后，統(tǒng)一指令調(diào)度起飛。在飛行過程中，根據(jù)檢測對象的差異控制不同的安全距離。橋墩和塔柱一般控制在5 m左右，纜索和鋼構(gòu)件等地形復(fù)雜部位一般控制在10 m左右，具體安全距離需結(jié)合現(xiàn)場情況確定。

無人機(jī)空間位置信息、攝錄畫面實(shí)時(shí)顯示在地面站系統(tǒng)的監(jiān)控屏幕上，檢測人員根據(jù)監(jiān)控初步判斷檢測對象是否存在病害。若存在，檢測人員根據(jù)病害程度，選擇無人機(jī)懸停進(jìn)行局部高清拍照或繼續(xù)前進(jìn)。無人機(jī)飛行控制、攝像系統(tǒng)采用無線傳輸信號進(jìn)行控制，檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存儲在無人機(jī)機(jī)身，有效避免長距離無線傳輸引起的數(shù)據(jù)衰減或干擾。

無人機(jī)上升過程較為緩慢，下降速度則較快，檢測主要在上升過程中進(jìn)行，一般控制在5～20 m/min，上升速度主要與檢測對象病害分布、周圍環(huán)境、風(fēng)速等有關(guān)。如圖2所示，為無人機(jī)快速檢測系統(tǒng)對四渡河大橋宜昌側(cè)索塔進(jìn)行檢測。

圖2　無人機(jī)快速檢測系統(tǒng)對四渡河

檢測過程受日照方向、風(fēng)速、天氣狀況等影響較大，一般應(yīng)選擇檢測對象迎光面，采集圖像數(shù)據(jù)較為清晰，避免出現(xiàn)逆光，提高數(shù)據(jù)采集成功率。一般選擇在晴天無風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行檢測，盡量減少環(huán)境因素影響，降低檢測過程的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3　檢測結(jié)果處理與分析

通過現(xiàn)場無人機(jī)數(shù)據(jù)采集后，將圖像等數(shù)據(jù)下載，利用視頻和圖像處理軟件，分析并確定發(fā)現(xiàn)病害的具體位置和病害尺寸等，然后根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011)等相關(guān)規(guī)范，對檢測對象的構(gòu)件進(jìn)行評定[4]。

例如圖3所示的無人機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)渝滬向側(cè)面E10號處缺失1顆高強(qiáng)螺栓。該病害位置，屬于常規(guī)檢查和定期檢查的檢查盲區(qū)，無人機(jī)的應(yīng)用很好地彌補(bǔ)了常規(guī)檢查手段的不足。

圖3　無人機(jī)檢測到渝滬向側(cè)面E10號

3無人機(jī)檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測手段對比

橋梁檢查一般分為經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊檢查，不同的檢查方式要求的檢查儀器和頻率也不一樣。常規(guī)的橋梁檢測設(shè)備比較單一，主要檢測設(shè)備或方法有望遠(yuǎn)鏡、遠(yuǎn)程拍攝、橋檢車、預(yù)置軌道視頻檢測等。除了常規(guī)檢查設(shè)備，有條件的還配備有高倍望遠(yuǎn)鏡對橋梁進(jìn)行檢查。表3列舉了各種檢測設(shè)備或方法的優(yōu)、缺點(diǎn)和適用情況。

表3　各種檢測設(shè)備或方法的優(yōu)、缺點(diǎn)和適用情況對比

由表3可見，無論是傳統(tǒng)檢測手段還是新型的無人機(jī)檢測方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前，各管養(yǎng)單位普偏采用常規(guī)檢測手段進(jìn)行檢查，橋梁檢查長期存在檢查死角。隨著檢測手段的發(fā)展，全面掌握橋梁的健康技術(shù)狀況，不能單獨(dú)依托一種檢測方法，需要多種方法配合使用。

無人機(jī)能夠任意位置定點(diǎn)懸停觀測、使用靈活、使用成本較低、檢測精度高、模塊化維修保養(yǎng)方便、效率高、安全風(fēng)險(xiǎn)相對較低，可有效彌補(bǔ)常規(guī)檢查的不足與短板。但對于梁體狹小空間處，仍需要常規(guī)檢測方法進(jìn)行檢查。

4結(jié)語

無人機(jī)橋梁檢測系統(tǒng)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測手段不足的同時(shí)，也存在諸多不足之處，仍需要不斷完善。橋梁檢測工作需要管養(yǎng)單位采取多種檢測手段、多元化管理，多種檢測方法優(yōu)勢互補(bǔ)，才能全面掌握橋梁的健康技術(shù)狀況。

無人機(jī)在四渡河大橋檢測的成功運(yùn)用，為鄂西山區(qū)高速公路公路多元化、精細(xì)化的橋梁養(yǎng)護(hù)管理提供了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及橋梁檢測領(lǐng)域的迫切需要，無人機(jī)技術(shù)會越來越多地在橋梁檢測作業(yè)中使用，有助于提高橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平，更好地維護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

參考文獻(xiàn)

[1]李磊,熊濤,胡湘陽,等.淺論無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域及前景[J].地理空間信息，2010(5):7-9.

[2]常德強(qiáng),黃海峰.小型無人機(jī)在公路巡查中的應(yīng)用前景觀望[J].科技視界，2014(20):319-320.

[3]鄒長慧,謝曉堯,周忠發(fā).無人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)在貴州高原山區(qū)的應(yīng)用前景探討[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011(2):24-28.

[4]楊潤書,吳亞鵬,李加明,等.無人機(jī)航攝系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景探討[J].地礦測繪, 2011(1):8-10.

[5]JTG/T H21-2011公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社,2011.

Discussion on UAV Application and Development in Bridge Inspection

PengLingli,HuangShaoxu,ZhangShenshen，LiQian

(E'Xi Highway Management Office of Hubei Province Department of Transportation, Hubei, Wuhan, 430056)

Abstract：Based on engineering project of Siduhe Bridge UAV inspection, the composition and working principle of UAV bridge inspection system are introduced. By application of the special structure bridge inspection, the advantages and disadvantages were analyzed with traditional detection methods, and also the application and development trend of UAV bridge detection were discussed.

Key words:UAV; bridge inspection; applications

收稿日期：2015-10-12

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.013