智能檢測長大橋梁

文/圖 浙江省寧波市杭州灣大橋發展有限公司 王金權 肖龍

在特殊結構橋梁（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過程中，常規檢測手段存在局限性，存在檢查盲區，而盲區檢測效率低、難度大、危險系數高，而且檢測精細度遠遠不夠。因此，采用先進的無人智能檢測技術開展養護檢測工作變得越來越有必要。文章介紹了四種在長大橋梁檢測中的無人智能檢測技術，包括無人機、高清攝像、纜索機器人、水下機器人。

橋梁檢測主要是對橋梁外觀和結構性能進行檢查評定，通常對結構性能的檢查是通過一系列的力學試驗完成，而對其外觀的檢查主要依靠肉眼或者輔助工具（如橋檢車、望遠鏡等）來檢測橋梁主要構件是否出現裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。

隨著我國公路建設里程的不斷增加，大型橋梁數量增多，養護維護和檢測工作的難度也不斷提高。截至2016年年底，全國公路橋梁共有80.53萬座，長度4916.97萬米。特大橋梁4257座，大橋86178座，兩者長度約占橋梁總長的61.1%。

對于特殊結構橋梁（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，常規檢測手段存在局限性，存在檢查盲區，而盲區檢測效率低、難度大、危險系數高。如對斜拉橋拉索的檢測，人工爬上拉索向下進行檢測作業，不僅效率低、難度大、危險系數高，而且檢測精細度遠遠不夠，而采用纜索機器人檢測拉索能很好地解決這個問題。為了保證橋梁的使用安全和有效消除質量問題隱患，采用先進的智能檢測技術開展養護檢測工作變得越來越有必要。以下主要介紹無人機檢測技術、高清攝像檢測技術、纜索機器人檢測技術、水下機器人檢測技術四種無人智能檢測技術。

常用于橋梁檢測的八旋翼無人機

無人機“看病”

無人機橋梁快速檢測系統主要由無人機、數據傳輸系統、任務荷載系統、地面站系統、其他設備等組成。無人機一般采用起降平穩的多旋翼無人機，利于數據采集和觀測。數據傳輸系統用于系統控制信號、檢測數據的傳輸。地面站系統則用于實時監控無人機飛行、檢查拍攝情況，利于及時糾正飛行軌跡、發現橋梁明顯病害。其他設備除了常規的維修保養工具外，還包含檢測結果分析處理系統。用于橋梁檢測的無人機與常規航拍無人機的任務荷載系統略有不同，前者的三軸增穩云臺、高清攝像機置于飛行器上方，航拍用云臺一般布置在下方。

無人機檢測方法

無人機檢測鋼桁梁和橋塔

無人機檢測一般由2名專業技術人員分別控制機身運動、檢測攝像2部分進行飛行和數據采集。起飛前，無人機需放置平穩，調試各系統確保開機運行正常后，統一指令調度起飛。在飛行過程中，根據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米左右，纜索和鋼構件等地形復雜部位一般控制在10米左右，具體安全距離需結合現場情況確定。無人機空間位置信息、攝錄畫面實時顯示在地面站系統的監控屏幕上，檢測人員根據監控初步判斷檢測對象是否存在病害。若存在，檢測人員根據病害程度，選擇無人機懸停進行局部高清拍照或繼續前進。無人機飛行控制、攝像系統采用無線傳輸信號進行控制，檢測系統采集數據存儲在無人機機身，有效避免長距離無線傳輸引起的數據衰減或干擾。

無人機特點

相比傳統橋梁檢測技術，無人機檢測技術具有直接到達檢測部位，無需其他輔助措施，節省費用；檢測橋墩、橋座、橋腹等危險場所，無需搭架或者吊籃配合人員檢測，極大地提高了安全性；對于部分無法企及的橋腹、拉索等部位，無人機可以抵近觀察了解更多細節；定點懸停觀測、實時傳輸畫面、效率高、基本不影響正常交通；在天氣情況允許的前提下，實施檢測橋梁具備較高的及時性。

目前，無人機檢測也存在不足，比如梁體狹小空間處無法檢測，需傳統檢測方式；續航能力一般；工作環境受天氣環境影響大。

高清攝像“把脈”

高清攝像綜合使用了攝影測量與圖像識別技術，從影像中提取待病害位置、尺寸等信息。高清攝像系統主要由攝像部分、成像放大部分、轉動控制部分及圖像處理分析部分等四部分組成。

攝像部分，主要用于現場拍照，將病害以圖像的形式記錄下來；成像放大部分，使用高倍率的望遠鏡頭，對拍攝的病害進行放大處理，使圖像滿足檢測精度要求；轉動控制部分，將拍攝區域網格化處理，轉動控制部分可自動將鏡頭對準待拍攝區域，大幅度提高拍攝速率；圖像處理分析部分，首先將斜視圖像轉換為正視圖像，而后使用先進的圖像處理技術，識別出病害長度、寬度等尺寸信息。

高清攝像技術主要應用于高聳結構物的表觀檢測，如橋梁、火電站冷卻塔、水壩、核電站反應殼等。在長大橋梁檢測中，高清攝像技術多用于斜拉橋、懸索橋的索塔外觀檢查和不易檢測到的橋梁側面底面等。

高清攝像機具有以下優點：

操作簡單快捷

高清攝像的攝像部分

高清攝像機整體

索塔高清攝像檢測

主梁底面和側面高清攝像檢測

設備總重不超過15公斤，現場2人即可順利操作。從開箱到組裝完畢，總共不超過10分鐘。

檢測精度高

50米距離范圍內，高清攝像有效精度可達到0.1毫米。

安全可靠

操作人員在陸地空曠區域拍攝，避免在支架或掛籃上登高作業，有效保證檢測人員的人身安全。

不干擾結構物的正常運營

該方法為非接觸性量測手段，不干擾被測物自然狀態。例如，橋梁檢測中無需封路，避免了道路審批的繁瑣辦理流程。

拍攝影像可長期保存

影像信息便于與歷史信息進行對比，掌握病害的演變規律。

展示效果好

檢測結果以高清漫游的方式呈現出來，還原現場，猶如身臨其境。

纜索機器人“會診”

纜索是斜拉橋的主要承重部分，其造價約占全橋造價的25%至30%。但其長期暴露在大氣之中，受到風吹、日曬、雨淋和環境污染的侵蝕，其表面會受到較嚴重的破壞，這會對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行健康檢測的問題，存在嚴重安全隱患。為了降低安全隱患，必須對橋梁纜索進行定期的檢測，并對其中有損傷的纜索進行涂裝、修復或更換。

纜索機器人安裝示意圖

纜索機器人是一種能夠攜帶相關設備攀爬纜索并對完成高空作業的爬行機器人，它是專門針對高空斜拉索進行設計和應用，能夠實現纜索準確、及時、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，能進行纜索外觀和內部鋼絲情況的詳細檢測。

檢測機器人從整體上包括檢測裝置、爬行機構、控制系統、電源、電機等部分。

檢測裝置的作用是檢測橋梁纜索外表及內部是否有損傷，可以是電渦流檢測裝置、磁漏檢測裝置、超聲波檢測裝置等。檢測的結果由控制和監視系統負責采集并存儲。

爬行機構是機器人的驅動系統，它的任務是帶動整個機構按設定的任務自主地在纜索上運動。

控制系統是整個系統的中樞，它要完成同地面操作人員的通訊、采集檢測裝置檢測的結果、控制并驅動爬行機構按照要求運動。

纜索機器人檢測現場

纜索機器人檢測到的斜拉索破損

應用纜索機器人檢測斜拉索，檢測過程不需封橋，不影響橋梁正常通行；還能夠檢測到高空段人工無法檢測到的斜拉索部位，檢測更詳細；檢測中，機器人負責測量過程的數據采集，操控人員負責安裝和控制，大大減輕了檢測人員的工作量，且安全性高。

水下機器人“探秘”

橋梁基礎是橋梁的重要結構之一，它不僅承受著橋梁的恒載和活載，還將傳遞給地基。橋梁經過一段時間運營后，往往會因為基礎混凝土澆筑質量差或流水長期沖刷侵蝕等原因而出現病害，如基礎淘空、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，這些病害均會危及橋梁的正常使用。由于基礎往往位于水面以下或埋置在土體之中，成橋后，基礎頂面以上已修筑墩臺、梁板等結構物。另外，基礎位于水面底下，人工檢測作業存在很大的安全隱患。這些現實情況給橋梁檢測的順利實施帶來了很大的困難，檢測單位無法及時了解成橋后基礎的病害情況。針對上述狀況，使用水下機器人檢測橋梁基礎成為長大跨海、跨江橋梁樁基檢測的必要手段。

水下遙控機器人(英文縮寫ROV)潛水有多種，通常可分為小型觀察型和作業型兩種。按動力范圍和作業水深分類，作業型又可分為輕型、中型、大型和超深型幾種。目前在水下遙控機器人的基礎上，已經研制成功更為先進水下LBC多功能運動車，是ROV和水下爬行器的完美結合，它除了具有普通ROV的功能外，還具有爬行器功能。如果需要仔細觀察某一個平面物體，LBC能轉換到爬行器模式，借助四個輪子在平面上自由爬行，可以仔細檢查物體表面。在水下爬行時，顯示器上會顯示里程表。另外，還具有成像聲納和水下定位系統。檢測人員應根據不同的檢測環境以及檢測目的選擇合適的水下機器人。

水下機器人及其組件

水下機器人檢測作業的優點在于能深水檢測，這是水下攝像儀檢測以及潛水檢測無法比擬的優勢；缺點是目前水下機器人的推進器動力不足，一般水下檢查作業型的抗水能力是2節至4節。因此，檢查型的水下機器人目前適合于流速較低的跨海橋梁以及庫區橋梁的基礎檢測，對于流速較大的橋梁基礎尚不能完成檢測任務。

水下機器人檢測照片

展望

隨著社會科技水平的不斷提高，應用在橋梁檢測領域的檢測方法和手段也逐步智能化。采用橋梁智能化檢測技術能夠保障橋梁結構在運營過程中的安全性，確保使用者的生命財產安全。在科學技術、人工智能飛速發展，逐漸普及的今天，已經有越來越多的新型智能化檢測技術運用于橋梁檢測養護工作中。有關單位應當對這些信息技術加強了解，結合實際情況，合理、科學的引入，提升橋梁檢查工作的有效性。