新型無人機(jī)平臺(tái)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用研究

陳法輝、劉如意

（深圳高速工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

中國交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展需求將逐漸向養(yǎng)護(hù)管理轉(zhuǎn)變，借鑒發(fā)達(dá)國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，過渡期之后將以存量運(yùn)維為主，在役工程結(jié)構(gòu)的診治和提升將成為行業(yè)的重要任務(wù)。在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域中，主要依靠常規(guī)檢測(cè)平臺(tái)近距離對(duì)橋梁構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，存在高空危險(xiǎn)、自動(dòng)化低、效率低等弊端。應(yīng)對(duì)我國基礎(chǔ)設(shè)施巨大存量與運(yùn)維壓力集中、結(jié)構(gòu)服役安全需求突起，智能化、自動(dòng)化的運(yùn)維技術(shù)呼之欲出。

2017年5月16日，民航局宣布已經(jīng)初步完成民用無人機(jī)登記注冊(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。民用無人機(jī)已進(jìn)入高速發(fā)展階段，隨著技術(shù)逐漸成熟，無人機(jī)作為一種新型檢測(cè)平臺(tái)在橋梁檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用（見圖1）。

1 常規(guī)檢測(cè)平臺(tái)

1.1 輔助平臺(tái)

輔助平臺(tái)利用皮筏艇、伸縮梯、腳手架等作為工作平臺(tái)，近距離地對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。輔助檢測(cè)平臺(tái)存在如下不足之處：機(jī)動(dòng)靈活性差、應(yīng)用場(chǎng)景少、作業(yè)平臺(tái)狹小[1]。

1.2 橋檢車平臺(tái)

橋梁檢測(cè)車是應(yīng)用最廣泛的橋梁檢測(cè)平臺(tái)，大橋或特大橋基本上使用橋檢車作為檢測(cè)作業(yè)平臺(tái)。橋檢車存在如下不足之處：檢測(cè)區(qū)域局限，如高墩、塔柱、拉吊索、大跨拱橋拱圈等，橋檢車無法抵近；橋梁環(huán)境要求高，受橋面交通量、人行道寬度、路燈桿等影響；屬于高空危險(xiǎn)作業(yè)，如2019年廣西南寧三岸邕大橋“11.12”事故、2019年廣州鶴洞大橋檢測(cè)人員受困橋檢車事故等。

2 無人機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

無人機(jī)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)指利用具有靜態(tài)懸停、抗風(fēng)穩(wěn)定性、自動(dòng)定位導(dǎo)航等特點(diǎn)的新型無人機(jī)，搭載光學(xué)相機(jī)和其他檢測(cè)設(shè)備，通過人工智能或自動(dòng)化導(dǎo)航系統(tǒng)定位，采集橋梁表面圖像，然后以病害識(shí)別、定量、定位三層方法分析所采集圖像的一種智能化檢測(cè)系統(tǒng)。無人機(jī)視覺檢測(cè)平臺(tái)主要應(yīng)用于經(jīng)常性檢查、定期檢測(cè)、傾斜攝影、BIM 三維建模等領(lǐng)域[2]。

2.2 無人機(jī)視覺檢測(cè)流程

無人機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)工作流程如下：無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝、自主圖像識(shí)別、出具檢測(cè)報(bào)告。

無人機(jī)檢測(cè)階段主要?jiǎng)澐秩缦拢簶蛄簷z測(cè)路線規(guī)劃、飛行控制方式、橋梁圖像采集和圖像數(shù)據(jù)處理。

2.3 無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

對(duì)于橋梁檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，宜選用多旋翼無人機(jī)。

無人機(jī)檢測(cè)各階段涉及技術(shù)特點(diǎn)見表1。

表1 無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

無人機(jī)檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)詳述如下。

2.3.1 無人機(jī)定位、導(dǎo)航技術(shù)

無人機(jī)定位方法主要包括：GPS 定位、光流定位、視覺定位、UWB 定位、激光雷達(dá)定位、超聲波定位等方法。目前應(yīng)用較廣泛的為視覺定位、超聲波定位。

由于橋梁結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，當(dāng)無人機(jī)周邊受障礙物遮擋較嚴(yán)重時(shí)，無人機(jī)的GPS 定位數(shù)據(jù)存在丟失的風(fēng)險(xiǎn)且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，僅依靠GPS 信號(hào)進(jìn)行定位和導(dǎo)航難以滿足橋檢測(cè)需求，還需輔以其他定位導(dǎo)航技術(shù)。

計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)的原理是利用無人機(jī)搭載視覺傳感器采集各個(gè)方向的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算得到目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)的人或物體在靜態(tài)場(chǎng)景中的實(shí)際位置的。計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)是一種較為成熟的新型技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用，但是會(huì)受到環(huán)境中光線等因素的影響，且對(duì)圖像處理技術(shù)要求非常高。

超聲波定位技術(shù)的原理是利用超聲波的空間傳播特性，反演出超聲波發(fā)生器位置的，即確定無人機(jī)位置。該技術(shù)成本低、適用性強(qiáng)，但是測(cè)距較短，導(dǎo)航精度相對(duì)較差[3]。

2.3.2 無人機(jī)飛行路線智能規(guī)劃

橋梁檢測(cè)需近距離對(duì)橋梁進(jìn)行檢查，而旋翼式無人機(jī)耗電快、飛行時(shí)間短。此外，為規(guī)避橋下空間障礙物提高檢測(cè)水平和質(zhì)量，需預(yù)設(shè)飛行路線。

目前，無人機(jī)飛行路線規(guī)劃的算法多樣，目前多用于高空巡檢飛行，不適用于橋下地空飛行，無人機(jī)飛行路線智能規(guī)劃算法尚需進(jìn)一步研究發(fā)展。

2.3.3 無人機(jī)自主避障技術(shù)

橋下空間環(huán)境復(fù)雜定位困難，無人機(jī)進(jìn)行橋下檢測(cè)時(shí)，易發(fā)生意外損壞等。依靠操作員人工規(guī)避障礙物，與智能化、自動(dòng)化檢測(cè)的初衷相悖，因此無人機(jī)自主避障技術(shù)在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域中顯得尤為重要。

2.3.4 無人機(jī)高清攝影技術(shù)

無人機(jī)搭載多角度高清相機(jī)可獲取動(dòng)態(tài)視頻流和靜態(tài)照片，為了滿足后期的計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理要求，對(duì)無人機(jī)相機(jī)的信噪比、靈敏度、像素、傳感器動(dòng)態(tài)范圍等有一定要求。

大疆X5S 定焦鏡頭，無人機(jī)至結(jié)構(gòu)表面距離可控制至1m，可應(yīng)用于傾斜攝影建模；大疆的X7 變焦鏡頭，可應(yīng)用于裂縫或支座等細(xì)微病害的拍攝。拍攝光線條件允許的情況下，兩款鏡頭均能滿足橋梁檢測(cè)的要求。

2.3.5 傾斜攝影與BIM 技術(shù)的結(jié)合

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)基于無人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)上搭載的多角度高清相機(jī)，并集成定位系統(tǒng)獲取無人機(jī)的位置，實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)采集的影像數(shù)據(jù)精度高、分辨率高及三維場(chǎng)景重建，模型比例尺1∶1。無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模技術(shù)精度可達(dá)厘米級(jí)，且可在后期進(jìn)行單體化處理特例分析。

2.3.6 深度學(xué)習(xí)自主圖像識(shí)別技術(shù)

基于無人機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，采用自主圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)所采集數(shù)字圖像進(jìn)行病害識(shí)別與后處理非常有必要。

基于深度學(xué)習(xí)的病害圖像識(shí)別算法層出不窮，隨著數(shù)字圖像處理病害參數(shù)量化、病害空間定位與形態(tài)修正技術(shù)的發(fā)展，識(shí)別精度可不斷提升和迭代升級(jí)優(yōu)化。目前，可識(shí)別出寬度為0.1mm 的裂縫，適用于橋梁檢測(cè)數(shù)字圖像識(shí)別的需求。

2.4 無人機(jī)定位方法應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)不同橋梁部位進(jìn)行檢測(cè)，無人機(jī)應(yīng)配置符合該類場(chǎng)景飛行的定位系統(tǒng)：

對(duì)于混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)的病害檢測(cè)，宜采用GPS 定位；對(duì)于混凝土橋梁下部結(jié)構(gòu)的病害檢測(cè)，應(yīng)采用UWB 定位結(jié)合視覺定位；對(duì)于鋼制橋梁上部結(jié)構(gòu)的病害檢測(cè)，應(yīng)采用具備差分GPS 的定位方法，避免鋼結(jié)構(gòu)對(duì)無人機(jī)磁羅盤的干擾；對(duì)于鋼制橋梁下部結(jié)構(gòu)的病害檢測(cè)，無人機(jī)宜采用視覺定位；對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的情況，如鋼桁架橋的檢測(cè)，宜采用雙目視覺定位，并應(yīng)同時(shí)具備一定的避障功能；對(duì)于高度較低的小型城市道路橋梁，宜采用光流定位。

3 無人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

第一，檢測(cè)成本低。無人機(jī)檢測(cè)硬件設(shè)備所用技術(shù)大多較為成熟，用于橋梁檢測(cè)成本較低。

第二，高效作業(yè)。橋梁病害圖像采集期間，飛行員只需設(shè)計(jì)好無人機(jī)飛行路線，可多機(jī)同步飛行檢測(cè)，能在短時(shí)間內(nèi)采集大量數(shù)字圖像并應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行處理。

第三，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。無人機(jī)檢測(cè)無須進(jìn)行交通占道，無須架設(shè)輔助平臺(tái)，除受到天氣等自然因素影響外，比常規(guī)檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。

第四，技術(shù)路線趨于完善。新型無人機(jī)所用的高精度光學(xué)測(cè)量、三維建模、圖像識(shí)別與后處理等技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)路線趨于完善，橋梁病害圖像識(shí)別算法應(yīng)用層出不窮。

第五，與常規(guī)檢測(cè)平臺(tái)形成互補(bǔ)。無人機(jī)視野開闊，配備先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以彌補(bǔ)常規(guī)檢測(cè)平臺(tái)的不足，進(jìn)一步完善提升橋梁檢測(cè)的質(zhì)量。

4 無人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

4.1 傾斜攝影與720 云VR 全景技術(shù)相結(jié)合

基于無人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)采集病害圖像、傾斜攝影與720 云VR 全景技術(shù)相結(jié)合和“養(yǎng)護(hù)工程腦”智能檢測(cè)系統(tǒng)被成功應(yīng)用于“廣東省農(nóng)村公路橋梁安全保障整治工程WQCZ03 標(biāo)段舊橋項(xiàng)目”，并獲得一致好評(píng)。

為落實(shí)雙區(qū)建設(shè)要求，響應(yīng)交通強(qiáng)國發(fā)展目標(biāo)，做好橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)先行示范，結(jié)合深圳城市交通環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)設(shè)施處管養(yǎng)的3000 余座橋梁檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景為例，基于無人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)“養(yǎng)護(hù)工程腦”智能檢測(cè)系統(tǒng)被成功地應(yīng)用于深圳市橋涵定期檢測(cè)、迎接“2022年度國檢”橋涵檢測(cè)中（見圖2）。

4.2 傾斜攝影+BIM+GIS 技術(shù)結(jié)合

基于無人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)，將傾斜攝影建模技術(shù)與BIM、GIS 技術(shù)充分結(jié)合，充分挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息，實(shí)時(shí)在線地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別和損傷檢測(cè)，預(yù)警及時(shí)維修，有助于從根本上消除隱患及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)面向用戶的數(shù)字化大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功應(yīng)用于廣州市北二環(huán)高速聚龍?zhí)卮髽蚪】当O(jiān)測(cè)（見圖3）。

5 無人機(jī)視覺檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 高效檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)

目前，無人機(jī)能夠以搭載的高精度光學(xué)相機(jī)，紅外傳感器、激光雷達(dá)等檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)，有效提高檢測(cè)技術(shù)的識(shí)別精度和適用范圍。

5.2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的檢測(cè)

充分應(yīng)用VR 交互、大空間3D 識(shí)別、AR 虛擬數(shù)字和5G 等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化，可將數(shù)字圖像同步傳送至專家處進(jìn)行“會(huì)診”，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的AI 人工智能數(shù)字化大橋?qū)崟r(shí)可視化檢測(cè)，可有效提高無人機(jī)視覺檢測(cè)效果。

5.3 高水平自動(dòng)化檢測(cè)

基于定位巡航和飛行路線規(guī)劃，無人機(jī)檢測(cè)能逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集病害圖像，提高無人機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)水平。

5.4 自主圖像人工智能化識(shí)別

無人機(jī)檢測(cè)采集的數(shù)字圖像相對(duì)單一，傳統(tǒng)人工識(shí)別效率低且易出錯(cuò)。基于橋梁三維建模、數(shù)字圖像病害識(shí)別與后處理、圖像識(shí)別算法等人工智能的圖像識(shí)別，可有效提高病害圖像智能化識(shí)別水平。

6 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)檢測(cè)作為一種成熟的新型技術(shù)，具有自動(dòng)化、高效作業(yè)、應(yīng)用場(chǎng)景多、技術(shù)路線趨于完善等優(yōu)勢(shì)，與常規(guī)檢測(cè)平臺(tái)形成有效互補(bǔ)，提升在用橋梁運(yùn)維水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型無人機(jī)檢測(cè)平臺(tái)在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛。