新型無人機檢測技術在橋梁檢測工程中的應用

崔龍

安徽省建設工程測試研究院有限責任公司 安徽 合肥 230000

引言

為了延長橋梁壽命，提高橋梁安全性，對橋梁檢測方法和技術的研究必不可少。橋面的裂縫、拱起、坑洞、剝落及梁體裂縫等是橋梁檢測的重要內容。傳統的檢測方法基于人工視覺檢測，輔助搭建腳手架，掛籃，或者使用專門的橋梁檢測車，人力物力財力耗費較大，檢測效率低，還會妨礙交通運營。在此背景下，隨著無人機技術的發展，將無人機應用于橋梁外觀檢測，對橋梁各部位進行數據采集，利用數字圖像處理技術和深度學習方法等人工智能技術，進行分析處理，可以有效提高橋梁外觀檢測水平，降低檢測成本，提高檢測效率。

1 橋梁檢測技術的應用價值

第一，橋梁本身可能因為年久失修還有長期頻繁使用，導致其某一節部位出現了錯位、裂縫和沉降等不同程度的損傷。然而這些都是需要根據相關人員利用技術對橋梁結構和受損部位的嚴謹勘測來進行判斷的，以此來解析目前橋梁本身可以承受的重量大小。第二，很早之前我國就建設了很多橋梁，所以目前有些大橋的使用時間是非常久遠的，而整個橋梁結構和荷載都是根據當年的實際情況來進行設計建造的。但是隨著我國社會經濟逐漸的增長，交通流量逐漸增加，各種交通工具帶來了更復雜的交通體系，所以隨著車輛荷載的增加我們對橋梁的結構和承載能力又有了新的標準和要求。對這種橋梁的有效檢測工作，讓我們可以以此為據來判斷整個橋梁的結構和荷載能量是否可以滿足現在社會發展的需求，同時是否可以在修復加固橋梁的時候對橋梁的荷載能力進行一個全面的提高。第三，應該完善我們的橋梁信息數據，對所有有關橋梁技術的數據進行收集存檔，同時讓這些數據與當代技術相結合，來對橋梁工程進行更加合理的修復和維護，同時深入分析橋梁養護方面出現的問題，并根據當時的實際情況進行有效的指導，為橋梁養護措施提供更加合理的意見，以此來對橋梁的加固和研究進行更好的施工。第四，對于一些新型結構的橋梁，通過有效使用橋梁檢測技術，能夠對相關理論的實踐性和可靠性進行相應的判斷和分析，當橋梁在使用過程中發生問題的時候，就可以及時解決，并同時判斷橋梁結構的形式和設計理論。因此加強橋梁檢測技術研究具有重要的意義，需給予更多的關注[1]。

2 傳統橋梁檢測問題

①傳統的橋梁檢測方式很難直接檢測到預期位置，而需要借助一些輔助措施，操作十分困難。首先，對于某些危險場所如橋座、橋腹等，傳統方式對于人員都有一定的安全隱患;考慮到地形限制，涉水高空橋梁的傳統檢測，安全性也極低。其次，有些橋梁具有特殊的結構例如懸索橋、大跨、高墩橋梁、斜拉橋以及拱橋的斜拉橋鋼索、橋梁底部、高塔柱頂等部位進行檢測時，存在檢測盲區，在視線能力之外，而傳統的檢測必須搭架或吊籃進行檢測，方法十分局限，效率也非常低。②傳統橋梁檢測都為人工檢測，通常使用肉眼直接觀察，主觀性會影響觀測結果，或者使用橋梁檢查車、雙筒望遠鏡、裂縫觀測儀等工具去檢測橋梁是否有裂縫、開裂破損、氧化腐蝕等病害。然而對于輕微病害，當橋梁出現輕微損傷甚至在陰暗處時，無法近距離觀察，細節常常會被忽略，檢測精度不高，效率太低。另外，傳統的橋梁檢測裂縫通過敲擊或者聽聲來辨別，無法精確到病害具體位置，存在很大的局限性。③傳統橋梁檢測以人工為主體，每個人工的技術、能力存在差異，在檢測的途中，人工有一定的風險，無論是時間還是精力，都得不償失。首先，在進行橋梁檢測時需要封閉道路，中斷交通，對周邊群眾、城市造成影響。檢測時間長，耗費人力物力，安全性也極低。其次，傳統檢測占用時間較長，容易受天氣影響[2]。

3 無人機檢測方法分析

3.1 傳統無人機檢測技術

最初將無人機檢測技術運用到建筑外部檢測的是國外企業，初期也被理解為是一種外行介入的模式。在此背景下，不僅會提升橋梁檢測工作的困難程度，同時傳統無人機檢測都是先由一些航模愛好者進行操作，再將這些所拍攝的照片交給工程建設方或者工程養護團隊作為后續工程建設的基礎，但是傳統無人機檢測的缺點是：整體系統效率較低，并且沒有較強的抗風能力，難以應對一些復雜或者惡劣的天氣情況；并且存在技術缺陷的影響，這些攝影設備難以結合云平臺的輔助作用來進行檢測，檢測精準度難以提升；另外在早期的無人機檢測設備試用期間，其操作難度相對較高。

3.2 任務規劃模塊

任務規劃模塊最主要的功能是規劃飛行航線，根據任務地圖、任務需求以及各種約束條件，規劃一條滿足需求的最優或次優航線。航線規劃功能離不開航線規劃算法，本地面站需要控制無人機檢測橋梁病害，需求比較特殊，現有的航線規劃算法無法達到要求，因此，針對橋梁結構特點以及橋梁病害的發生趨勢，設計了一種新的全覆蓋路徑規劃算法，并將其嵌入任務規劃模塊中，實現自動任務規劃。電子地圖采用集成的地圖接口實現，可以調用各大廠商的電子地圖，通過鼠標實現電子地圖的放大、縮小、拖動、添加航點等功能在加載完成的地圖上，創建新的圖層，實現無人機位置的實時顯示以及航跡顯示[3]。

3.3 中繼無人機

中繼無人機是為了避免在橋底檢測過程中信號丟失或者受到強烈磁場干擾期間，拍攝精度受損，因此其可以增強GPS信號，并且可以精準提供磁羅盤校準作業。

3.4 無人機結合數字圖像處理技術解決橋梁檢測精度問題

在傳統橋梁檢測中，對于裂縫等病害通常采用肉眼觀察或者人工輔助測量儀器進行測量，不僅精度不高而且人工作業難度大，諸多因素影響檢測結果。本研究將無人機傳回的照片應用圖像識別技術，實現自動識別橋梁病害種類，確定病害的精確位置，測量裂縫寬度等諸多功能，精度高誤差小。首先對無人機采集到的橋梁病害的數字圖像，進行灰度轉換、銳化、邊緣檢測、去噪、直方圖修正等處理，得到增強效果良好的圖像，完成圖像預處理。然后利用卷積神經網絡，設計科學、高效的圖像識別算法，完成裂縫的識別及裂縫寬度測量，實現橋梁裂縫的自動識別與檢測，顯著提高橋梁檢測的精度與效率。

3.5 任務規劃模塊

任務規劃模塊主要功能為自動規劃任務航線，并在電子地圖上標示出航點、航線位置，將任務地圖導入地面站中，通過航線規劃算法自動生成航線，操作人員微調后，上傳至無人機的飛控中，無人機根據此航線飛行，完成相應任務。使用無人機檢測橋梁病害需要規劃三維全覆蓋航線，現有的自動規劃算法無法滿足任務需求，因此，針對橋梁病害檢測任務開發一款專業航線規劃程序，該程序能根據三維橋梁地圖以及任務需求，自動規劃一條無人機航線，并且生成航點文件。將該程序嵌入任務規劃模塊中，成為該模塊中的一個功能組件，實現航線規劃、任務管理一體化，大大提高了地面站的工作性能[4]。

3.6 建筑信息化模型地面站系統

該系統是根據BIM技術所建立的信息化模型演變而來的，其在提供安全檢查的同時，也可用二維采集的照片來形成三維立體模型，再實施建筑外部表面損壞情況的檢測作業。本論述主要采用PLX4D系列的軟件，軟件使用過程中，結合其本身所具有的各種配套設備，可實現全天候、無限制的建筑檢測工作。并且在目前所使用的新版系統中，其可在3D模型上建立信息檢測模型，提前導入有關信息數據，最后將需要進行重復拍攝的內容再次融入信息化模型中實現高精度拍攝效果。

3.7 無損傷識別技術

①小波損失識別法，因為小波損失識別法中的小波信號有很強的穩定性，所以這種方法就適用在損失識別的波段，通過小波的反射和傳導出的特征因子，來判斷橋梁結構損傷的部位和程度。小波分析在起義信號檢測、識別信噪、分析頻帶等多種損傷識別中被廣泛地使用。②神經網絡損傷識別法，神經網絡識別法的工作原理是：利用無損傷系統的振動數據所形成的數據網絡，在經過數學方法確定出相關參數后，輸入數據。如果輸入的數據是正確的，那系統將不會發生什么變化，證明網絡數據與系統數據是一樣的。反之，就證明整個橋梁結構是有損傷部位的，需要及時維護[5]。

4 橋梁檢測技術發展趨勢

現如今有關橋梁工程界的巨大挑戰主要包括，橋梁的安全性、橋梁的耐久性和橋梁的使用功能。橋梁工程技術的發展在基于建設的基礎上也同時向建設和養護一起轉型。因為對橋梁結構的要求和長期使用的性能要求都在逐步提高，所以，關于橋梁的檢測或者監測及其相關的損害判斷與分析技術的研究也有了新的趨勢，主要體現在了深入化、集成化、標準化和智能化4個方面：①深入化。橋梁結構損傷機理研究將從短期到長期、微觀到宏觀、單因素到多因素逐步耦合發展。②集成化。無損檢測、維修和保養省的小型化、專業化和一體化變得越來越重要，在BIM的平臺上，將設計、施工、檢測、監測、維護和維修的信息緊密集成融合，將傳感、采集、與傳輸設備強有力的納入健康檢測系統中也是一個主要趨勢。③標準化。要將檢測、監測、維護動作和質量評定的方法在傳統的意義上進行標準化，還要將數據互聯互通的信息標準化。④智能化。隨著對機理的深入研究了解，數據的累積、信息整合的日益增多和加強，以及云計算、海量數據分析和機器學習的科學技術的提高，橋梁養護智能化研究備受關注，人們也會通過智能化，能夠對橋梁結構的病害進行早期識別，趨勢推演、自動進行監測評分、自動排序安全風險、智能優化養護資金配置或者橋梁的壽命預測等功能，從沒可能變成有可能。

5 結束語

綜上所述，設想未來深入的研究可以實現無人機從地面起飛后，在區域內向不同方向飛行自動尋找橋梁位置進行巡航檢測，由此可以形成一種多無人機全區域橋梁檢測系統，完成檢測后將自動尋找下一個待檢測目標，無須工作人員到達橋梁地點并進行設備遷移，使用更加快捷高效。降低橋梁檢測工作人員的要求程度，為我國相關工程的檢測技術應用提供重要的技術支持。