橋梁水下檢測設備采集方案研究

王 超

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166； 2.遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110166)

0 引言

在歐美等發達國家，橋梁水下檢測技術的發展經歷了曲折的過程。以美國為例，其水下檢測的萌芽是隨著一次又一次橋梁安全事故的發生，逐漸開始的。二十世紀五六十年代間，美國洲際公路建設掀起熱潮，橋梁建設也廣泛發展，當時還沒有相應的橋梁檢測計劃，只有一些地方性檢測條例。直到2004年，在美國聯邦公路署最新修訂的全美橋梁檢測標準中，已明確將橋梁水下檢測列入橋梁常規檢測體系中，并對其檢測范圍、頻率、項目、手法、報告等進行了詳細規定，目前美國的水下檢測正逐步規范化和系統化。緊隨其后，英、法、德、丹麥、瑞典、芬蘭、南非、印度也制定了水下檢測的指南或規程[1]。

水下結構的病害損傷大多從結構的表面開始顯露。早期的表觀檢測主要是人工目視檢測。后來，水下視頻采集及成像技術得到發展[2]。同時，隨著圖像傳感器小型化與高集成化以及機器人技術的發展，無人水下錄像以及水下照相變得可行。

但水下橋梁結構附件水流湍急，傳統的潛水員或機器人都難以使用視頻采集設備實現穩定定位，致使拍攝的圖像不穩定[3]。如何在這種外部時變的強干擾條件下進行水下圖像采集設備的穩定控制，使采集系統能夠適應復雜的水下環境作業是需要解決的難點問題；橋梁水下結構所處的環境較為渾濁，透明度低，水中微小的無機物和有機顆粒含量高，由于這些微小顆粒對光線的散射作用，使得拍攝的影像效果模糊不清[4]，如何在水質渾濁能見度低的情況下，采集到清晰的橋梁水下結構圖像，亦是需要解決的一個難點問題[5]。

1 水下機器人控制研究目標

隨著國內交通的迅速發展，跨河、跨海大橋在交通運輸中所占的比例日益增長。為了橋梁運行的安全性以及穩定性，這些特定環境中的橋梁檢測需求日益增長，一般檢測分為：常規檢測、長期結構檢測、水下結構件檢測。常規檢測分為：橋梁面系的檢測、上部結構檢測、下部結構檢測；長期結構檢測分為：例如混凝土強度、碳化程度、保護層厚度、鋼筋位置；水下結構件檢測分為：主要檢測內容為水下柱基表面檢測、柱基沖刷檢測。近年來，國內橋梁水下結構損傷的情況多有發生，但因結構處于水面以下，這些現實情況給橋梁檢測的實施帶來了極大的困難，檢測單位無法利用常規檢測手段及時了解成橋后水下結構的病害情況，該區域通常被視為檢查盲區。為了保障橋梁水下結構的安全，采用必要的手段和方法對水下結構物進行檢測和安全評估顯得尤為必要。

目前國內尚沒有完善的水下結構物檢測的專用設備，在檢測時仍需要潛水員眼觀察、探摸，或者攜帶水下攝像機對結構進行拍攝。由于潛水員并非專業技術人員，使目測方法具有檢測能力有限、檢測可靠性低、檢測時間長、費用高等缺點。通過攜帶高清攝像機拍攝后將錄像展示給相關人員后再進行損傷診斷，依舊有著檢測能力有限、可靠性低、檢測時間長、費用高等缺點。有時因為水太深，潛水員無法到達，從而給測量帶來限制。更重要的是，潛水員在水下長時間停留會給生命和財產帶來極大的安全威脅。為了探索更有效的檢測手段和方法，提高檢測效率與精度，降低勞動強度，節省檢測費用，研制一套橋梁水下結構表觀缺陷檢測設備具有重要現實意義。

因此，需要開發一款簡單、方便的機器人代替潛水員做水下橋梁缺陷檢測；工作水深最多30 m，水質渾濁，有水流。代替潛水員進行水下作業，在寒冷的季節依然可以進行水下檢測。本體的顏色可以盡量使用兩種或兩種以上的鮮艷顏色，使得機器在水的表面容易分清楚前后。具體技術要求：系統需要有清理機構，可進行橋墩表面清理；系統能夠吸附在橋墩上，在橋墩上可以上下左右移動；能夠采集剝落/脫落、露筋、裂縫、麻面等病害；能夠實時的查看橋梁水下狀況，并能控制系統定深、定向、采集照片。耐壓水深：150 m；抗擾流能力：3 knot；在渾濁的水域(透明度0.2 m)中使用；工作溫度 0 ℃～+40 ℃。

2 履帶爬行水下機器人

橋梁水下結構所處的環境較為渾濁，透明度低，水中微小的無機物和有機顆粒含量高，由于這些微小顆粒對光線的散射作用，使得拍攝的影像效果模糊不清。本項目設計渾水成像算法，基于DCP的一種改進水下增強技術，針對傳統DCP無法通過暗通道獲得圖像的景深信息，采用亮通道與暗通道的差值，得到景深信息，以完成后續的圖像增強。在工程化方面，搭配高亮度照明和水下清水箱、進一步提高觀測效果。

履帶爬行水下機器人載體方案：垂直兩個推進器，水平2個推進器，吸盤2個，履帶2個。系統由浮游驅動系統，爬行驅動系統，觀測系統，吸附系統等部分組成。機器人本體包括：垂直2個推進器，水平2個推進器，吸盤2個，履帶2個。工作過程：在橋梁和岸邊布放ROV，浮游機構驅動機器人到橋梁附近，翻轉90°，開吸盤，機器人吸附到橋梁表面，關閉螺旋槳，依靠履帶在橋梁表面進行爬行(見圖1)。

方案特點：操作方便，機器人整體重量輕、采用模塊化結構，采用可更換的組件，實現輪式驅動和履帶式驅動的快速互換(適應不同的環境)，可以從船、岸等進行布放、兩人即可操作；安全可靠，機器人采用磁藕傳動，無機械密封件，無泄露風險，容易清洗，外露部件全部為免維護，完全代替潛水員進行水下作業，即使在寒冷的季節依然可以進行水下檢測；搭載探測能力強，機器人系統可以根據作業任務要求搭載外置攝像頭、聲吶、激光等多種檢測傳感器。作業方式：在進行橋梁水下部分檢測時，需要有一定作業順序。由于橋梁橋基大小不一，為了更為全面及準確的完成測量任務，首先將機器人布放至水面，對機器人進行配平及頂流測試，如果符合機器人工作能力范圍內，根據圖紙確定橋梁檢測面的位置，根據水質的具體情況選擇光學手段或者聲學手段進行檢測，定向，自上而下對橋基進行檢測，完成一個側面后，根據相應的水下參照物進行艏向的更正，繼續自上而下進行橋基檢測，直至整個橋基拼接完成檢測任務。圖2為根據橋基圖進行任務的下潛的布置。

3 舵輪爬行機器人

系統由浮游驅動系統，爬行驅動系統，觀測系統，吸附系統等部分組成。機器人本體包括：垂直2個推進器，水平2個推進器，吸盤2個，舵輪2個。每個舵輪具有兩個自由度，既可以前進后退又可以轉向。工作過程：在橋梁和岸邊布放ROV，浮游機構驅動機器人到橋梁附近，翻轉90°，開吸盤，機器人吸附到橋梁表面，關閉螺旋槳，依靠舵輪在橋梁表面進行爬行(見圖3)。

4 無人船

系統由無人船、吸盤、絞車、觀測系統、無線通信系統、蓄電池等部分組成。無人船本身帶有吸盤和驅動輪，可以吸附在橋梁上并沿橋墩表面進行圓周運動。絞車可以帶著觀測系統上下運動，觀測系統帶有吸盤，滾刷，攝像頭?？梢晕皆跇蛄罕砻娌㈦S著絞車的上下進行運動。這種無人船可以在橋上或岸邊進行布放，遙控到橋梁邊，吸附到橋墩表面，吸附好后放下絞車，絞車帶著觀測系統沿著橋墩垂直運動，進行拍攝。垂直方向拍攝結束后回到無人船響應位置，無人船帶著絞車沿著橋墩表面到下一個位置，絞車繼續沿著橋墩垂直運動，直至無人船環繞一周。

5 環繞爬行結構

爬行機器人由若干個爬行模塊組成(見圖4)，根據橋梁的直徑選擇模塊的數量。每個模塊的基本組成包括：驅動輪，鎖緊機構，張緊機構，協調運動部分，攝像頭，供電部分。工作過程：根據直徑選擇模塊數量，利用鎖緊機構把模塊連接好，通電后張緊機構把各個模塊穩定的保持在橋梁表面，通過遙控器控制機器人運動，機器人可以上下和繞橋梁運動。通過滾刷清除橋梁表面附著物，通過攝像頭觀察橋梁表面缺陷。需要人工開船把機器人帶到橋梁附近，安裝過程相對有些煩瑣。

6 結語

本文首先明確了水下機器人的控制研究目標，對比了履帶爬行機器人、舵輪爬行機器人、無人船、環繞爬行結構的結構形式、控制方法、檢測方法，以及主要構件設計方法，得到了不同形式水下檢測機器人檢測的優缺點。其中履帶爬行機器人布置簡便，現場檢測方便，但受到水流影響，鏡頭拍攝過程中可能因為在水中發生的抖動而無法進行連續清楚的拍攝。舵輪爬行機器人布置簡便、現場檢測方便、可吸附到橋墩上拍攝效果相對穩定。但是舵輪爬行機器人需要水中直行、水中轉彎、水中翻轉、橋墩吸附、橋墩爬行等功能，操作與研制都相對復雜。無人船機器人可以在水中行駛，布置簡便，絞車可以上下運動拍攝相對穩定。但是絞車與無人船連接部分的材料選擇有固定要求，剛性結構節點受力隨著深度的增加而增大，柔性材料因水流擾動絞車可能發生抖動，若絞車自重較大影響整體爬行。環繞爬行機器人自身拍攝穩定，但現場布設相對復雜。