無人機在橋梁檢測中的應用與發展研究

吳厚鑫

摘 要：作為大型土木工程的一種，橋梁工程的結構是非常復雜的，由于橋梁結構需要發揮荷載的作用，所以必須防止其出現老化、腐舊的情況，達到排除橋梁質量隱患、安全隱患的目的。當橋梁投入使用后，后續也會出現很多問題，例如損傷累積、抗力衰退等，因此為了提高橋梁檢測成效，我們通常借助無人機進行輔助。基于此，本文主要分析無人機在橋梁檢測中的應用與發展。

關鍵詞：無人機;橋梁檢測;應用與發展

在改革開放不斷深化的過程中，我國交通基礎設施建設發展迅速，其中橋梁以平均每年2萬座的速度在快速地增長，截至2020年，我國公路橋梁數量遠超85萬座，儼然成為國際橋梁第一大國[2]。在公路橋梁建設快速發展的過程中，如何保證橋梁的安全性以及耐久性是亟待解決的一個問題，因此我們必須加強對橋梁的監測和檢測力度。

1 傳統橋梁檢測方式概述

1.1 橋梁檢測作業分類

橋梁檢測一般是對橋梁結構以及橋梁外觀進行檢測，并結合相關檢測數據進行結果評定。在對橋梁結構性能進行檢測的時候通常需要應用力學實驗輔助;而在檢測橋梁外觀的時候，一般是借助肉眼或其他輔助工作完成，例如望遠鏡、橋檢車等。在進行橋梁檢測作業的時候，可以將作業內容分成四個部分，分別是日常巡檢、經常巡檢、定期檢測和專項檢測。

在進行日常巡檢的時候一般是通過目測的方式，檢查橋梁上是否出現零部件缺失、損壞等問題，判定橋梁結構是否出現異變。而經常檢測需要添加相應的輔助工具，對橋梁各部件進行檢測，判斷橋梁部件損傷程度。定期檢測表示全面對橋梁進行檢測。而專項檢測一般是出現特殊情況的時候才會使用的一種檢測方式，例如車禍、洪水、地震等。

1.2 傳統橋梁檢測相關設備

在進行橋梁檢測的時候最常用的方法是目視，儀器一般是對人工進行輔助。常用的橋梁檢測設備有望遠鏡、梁下檢修桁車、登高車、橋塔檢修吊臺等，是當前大部分橋梁保養單位的工作方式。其中登高車主要是將檢測人員送到檢測位置，在具體進行橋梁損壞測量的時候還需要借助專業的手段進行檢測。在橋梁檢測技術不斷發展的背景下，其檢測方式和手段也越來越多，正逐漸朝著智能化的方向發展，其中纜索機器人、水下機器人、無人機等設備是很常見的。

2 無人機橋梁檢測特征

2.1 無人機橋梁檢測系統構成

應用無人機對橋梁進行檢測，應當構建完整的無人機橋梁檢測系統，通過無人機、任務荷載系統、地面站系統、數據傳輸系統等不同結構的結合，有效發揮對橋梁的檢測作用。從飛行結構對無人機進行劃分，當前可用于橋梁檢測的民用無人機可以分成三類：旋翼無人機、撲翼無人機以及固定翼無人機。旋翼無人機主要是通過旋翼的高速旋轉產生動力的一種飛行棋，其結構相對簡單，可以進行垂直起降，能夠在有限時間內懸停在空中，能夠在比較復雜的空間環境下完成對圖像的采集，因此使用無人機對橋梁進行檢測通常采用的是旋翼式無人機。采用無人機對橋梁進行檢測，可以將GPS等檢測設備配置到無人機上。與專用于航拍的無人機比起來，橋梁檢測的無人機將三軸增穩云臺放置在機體上方，而航拍無人機其云臺則置于機體下方。

2.2 無人機橋梁檢測技術優勢

和傳統的橋梁檢測方式相比，無人機能夠掛載檢測設備在空中進行作業，其技術優勢更為突出，本身具有較強的機動性，能夠快速檢測到傳統檢測方式觸及不到的地方，彌補傳統檢測的短板和死角。在具體操作過程中，無人機的構造相對簡單，其具有小巧、輕便的特點，在進行運輸和維護的時候非常便捷。和傳統檢測設備相比，無人機的成本更低，使用無人機對橋梁進行檢測不用封閉交通，不會影響正常交通秩序。從安全方面考了，無人機完全可以代替人工高工作業的方式，相關人員能夠在相對安全的地方完成對橋梁的檢測，人身安全進一步得到保障。無人機檢測一般會用在對橋梁的經常性檢測作業中，并通過望遠鏡等設備進行輔助，能夠提高養護人員的巡檢效率[3]。在進行定期檢測以及特殊檢測的時候，無人機能夠提高檢測的安全性，通過與專業檢測設備的精確結合，有效完成檢測作業，提高橋梁檢測效率與成效，達到降低檢測成本的效果。

2.3 無人機橋梁檢測技術流程

無人機橋梁檢測技術的實施是否規范，直接影響檢測結果的準確性。以美國無人機橋梁檢測技術為例，其將無人機橋梁檢測分成了五個步驟，分別是橋梁信息分析、場地風險評估、準備無人機、無人機實施檢測、識別損傷。而韓國的交通運輸部門將無人機檢測分成了三個步驟，分別是檢測前準備、檢測階段以及檢測后數據處理階段。在檢測準備期間，主要是制定檢測方案并初步對掌握橋梁基本信息;檢測期間由相關技術人員控制無人機到達指定檢測點，具體開展圖像采集工作;檢測完畢對數據進行處理的過程中，主要通過圖像數據進行分析和評估，判定橋梁狀態和損傷程度。這兩個國家雖然將無人機橋梁檢測技術分成了不同的步驟，但是其基本檢測流程以及內容基本是相同的。

3 無人機在橋梁檢測中的優劣勢分析

3.1 優勢分析

和傳統的橋梁檢測手段相比，無人機橋梁檢測技術的優勢主要體現在以下幾點[4]。

3.1.1 整體性好，效率高

無人機能夠輕松到達人力難以觸及的部位，能夠對細節部位進行反復采樣，檢測效率非常高，極大縮減橋梁檢測的時間，多方面控制檢測成本。

3.1.2 靈活性強

無人機檢測方案具有較強的靈活性，檢測人員能夠在后臺對檢測方案進行調整和修改，通常會配備多種預備方案，會結合現場實際情況對方案作出調整。

3.1.3 成本低

使用無人機進行橋梁檢測，不需要投入大量物力、人力成本，只需要打造一個具備無人機操控技術的團隊即可，通過使用無人機對橋梁病害情況進行初篩，可以極大縮減精簡設備費用。

3.1.4 安全性強

無人機幾乎可以完全替代人力在橋座、橋墩、橋腹等較危險地段進行檢測，能夠最大程度降低人工風險。

3.2 劣勢分析

3.2.1 容易受環境因素影響

常規配置的無人機在對橋梁進行檢測的時候，很容易受到周邊環境的影響，例如大風天氣、電磁環境以及物理環境，這些因素都會對無人機的穩定性造成影響，進而影響檢測數據的準確性。

3.2.2 受無人機配置條件影響較大

無人機的配置不同，其負載能力、穩定性、續航、防風等能力的差別比較大，直接影響橋梁檢測的結果。所以為了達到良好的檢測效果，在制定檢測方案的時候，通常會考慮橋梁類型和環境因素，進而選擇合適的無人機。例如在對大型橋梁進行檢測的時候，續航能力強的無人機為首選;如果被檢測橋面過寬，應當考慮無人機是否會出現信號弱的問題，適當為無人機施加雷達避阻、紅外測距等技術手段。

3.2.3 對操作人員要求較高

因為橋梁檢測需要較高的專業度，從一定程度上講在進行無人機操作的時候操作人員需要具備一定的專業素養，具備有效識別橋梁病害的能力。因為無人機操作具有一定難度，因此操作人員的門檻比較高，進而限制了無人機橋梁檢測技術的推廣。

4 無人機橋梁檢測硬件設備要求

無人機對橋梁進行檢測與其他領域的無人機相比有很大不同，用于橋梁檢測的無人機需要在未配備GPS的情況下穩定懸停，同時還需要搭載高精度的相機采集橋梁病害數據。使用無人機檢測橋梁需要用到的硬件設備可以分為以下五種。

4.1 飛行器主體

因為橋梁結構非常復雜，無人機在采集圖像數據的時候需要完成穩定懸停拍攝，通常采用穩定性較強的旋翼無人機，要考慮無人機在飛行過程中可能會出現的碰撞問題，所以應當施加一定的保護措施，避免無人機與橋梁結構碰撞時發生炸機風險。

4.2 橋下定位

橋梁下方空間以及橋梁鋼鐵結構都會對無人機產生磁干擾，會對GPS信號造成影響，進而影響無人機飛行的穩定性。因此要充分考慮橋梁檢測過程中，橋梁鋼鐵結構、地板等復雜環境，應當為無人機配備超聲波、視覺定位系統、慣性導航系統等技術，確保無人機可以在無人操作的情況下完成作業。

4.3 上置云臺

橋梁檢測期間，對橋梁支座等結構進行檢測需要使用上置相機收集圖像數據，所以應當在無人機上端安裝三軸穩定云臺，便于通過無人機對橋梁特殊結構進行拍攝。

4.4 變焦相機

在橋梁病害當中，裂縫是很難被觀測到的，將變焦相機配置到上置云臺上，可以在相應的距離范圍內通過光學變焦拍攝到清晰的圖片，為后續軟件處理和分析提供良好的幫助。

4.5 圖像傳輸

在檢測大型橋梁的時候，出于安全性和數據準確性考慮，檢測人員應當及時獲取無人機信息，應用穩定的圖像傳輸技術，能夠保證橋梁檢測的安全和效率。

5 橋梁檢測技術發展展望

和傳統的橋梁檢測技術相比，無人機能夠彌補橋梁檢測中的效率和經濟短板，同時還能夠在復雜環境下進行作業，降低橋梁檢測的難度。但是在當前橋梁檢測中，無人機通常被當作空中信息采集站，如何對采集的信息進行識別、管理和跟蹤，將無人機檢測的潛能充分發揮出來還是一個亟待解決的問題。筆者認為未來無人機橋架檢測技術可能會朝著以下幾個方向發展。

5.1 實景三維以及BIM結合應用

通過3D視角對橋梁的數據進行展示，結合所展示的數據有效對橋梁進行管理和維護，橋梁檢測的效率得到進一步提升。

5.2 橋梁檢測朝智能化發展

在科學技術不斷發展的背景下，未來橋梁檢測將會朝著智能化的方向發展，無人機將會搭載智能化功能，逐漸取代人工對橋梁進行檢測，最大程度降低作業風險，提高檢測效率[1]。

5.3 自動化水平提升

未來通過無人機對橋梁病害數據進行采集，其數據采集的方式逐漸朝自動化方向發展，結合多種定位技術，根據提前設計好的飛行航線無人機能夠自主完成采集工作，降低人工操作的難度。

6 結語

綜上所述，在科學技術日漸成熟的今天，無人機橋梁檢測技術已經逐漸取代了傳統橋梁檢測技術。應用無人機對橋梁進行檢測，能夠高效檢測出橋梁病害問題，實現對橋梁病害的精準識別。無人機在橋梁檢測中的應用，能夠極大縮減橋梁檢測成本，提高檢測效率，在未來科技發展的過程中，無人機橋梁檢測技術也將朝著自動化、智能化的方向發展。

參考文獻：

[1]余陽.專業模塊化無人機在橋梁檢測中的應用與發展[J].市政技術，2020，38（6）：78-79+83.

[2]王嘯林.試論無人機在橋梁檢測中的應用與發展[J].中國水運（下半月），2018，18（4）：199+207.

[3]馮源.無人機在橋梁檢測中的應用與發展[J].居業，2017（10）：31+33.

[4]彭玲麗，黃少旭，張申申，等.淺談無人機在橋梁檢測中的應用與發展[J].交通科技，2015（6）：42-44.