橋梁復雜結構安全巡檢的應用模式研究

覃巍巍

【摘 ? ?要】：針對目前橋梁巡檢工作中過于依賴人工、數據處理不及時、無人機供電困難、巡視點遺漏的問題，提出一種無人機自動巡檢、自動停機艙、數據管理平臺的應用模式。工程應用表明，該應用模式保障了橋梁巡檢作業的高效性、安全性、準確性和連貫性。

【關鍵詞】：智慧橋梁；缺陷檢測；巡檢；復雜結構；無人機

【中圖分類號】：U445.7【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-12-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.003

Research on the Application Mode of Safety Inspection for

Complex Bridge Structures

QIN Weiwei

（OVM Machinery Co. Ltd.，Liuzhou 545000，China）

【Abstract】：Focused on problems such as over-reliance on manpower， untimely data processing， difficulty in UAV power supply， and missing patrol points. The paper proposes an application mode based on UAV automatic patrol， UAV cabin， data platform for complex structure components of bridges. Verified by project application， this mode guarantes efficiency， safety， precision and consistency of bridge inspection tasks.

【Key words】：smart bridges; defect detection; inspection; complex structures;UAV

橋梁定期檢測與維護工作量巨大，如何快速、準確進行巡維是困擾行業的一大難題；因此，開展橋梁缺陷精益化自動巡檢技術研究，對豐富橋梁管養手段具有重要意義。在非接觸自動采集傳感技術及監測數據平臺技術支撐下實現橋梁自動巡檢是智慧橋梁領域的主要研究趨勢[1]。目前，激光點云和傾斜攝影等技術結合實現高精度橋梁三維建模，可用于無人機巡視點標定，是實現無人機自動巡檢的基礎[2～3]。朱志超等[4]實現橋梁部件細化、智能拍照識別，但未采用自動停機艙，因此需要有人參與實時操控。通過“計算機+運動控制卡”的控制系統架構，以模塊化設計理念開發停機艙控制系統硬件及軟件的思路已得到驗證[5～6]。

上述研究均為某一方面技術的應用，未見將多種技術綜合起來應用而實現自動無人干預的巡檢系統研究。為此，本文結合工程應用，探究無人機在橋梁監控運維中的全自動應用模式，通過對無人機的自主飛行及橋梁部件缺陷智能識別、數據平臺等的研究，在無人機端、停機艙端、平臺軟件端等多個環節形成自動化控制，令無人機無需人工干預便可自主完成橋梁巡檢任務。

1 自動巡檢模式的實現

1.1 巡視點的標定

巡視點的標定依賴三維模型。橋梁實體三維模型包括橋梁本身及外周所有的實體所在位置、所占空間信息，通過笛卡爾三維坐標系來表示，操作人員可以在三維坐標系中進一步指定用于控制無人機定點采集巡檢圖像的空間向量。上述三維模型加上所指定的一系列空間向量，便具備了控制無人機在指定點位、以指定方向采集圖像所需的足夠信息。空間向量的生成過程，即是巡視點標定的過程。

1.2 無人機自主飛行控制

自動巡檢無需人員干預，因此無人機應具備完全自主控制功能。將無人機飛行控制器劃分為兩個組件。

1）飛行支持組件：通過高性能MCU實現基本的飛行動作閉環控制。為保證穩定性不受上層應用的影響，該組件對無人機硬件具有最高控制權限并且支持僅通過單一入口接收上層指令。

2）智能調度組件：是指揮無人機執行作業的大腦，以微型工控機為載體，實現配置和數據存儲、與數據平臺通信等功能。通過將高層指令轉譯為飛行控制指令發往飛行支持組件，實現按巡視控制點指揮飛行、控制拍照及返航等功能。

1.3 自動停機艙設計

為實現無人機自動巡檢，除自主飛行控制外，還需要戶外自動停機艙作為無人機停放、充電和故障處理的場所。自動停機艙可部署在橋頭或者橋梁監控中心等位置。

自動停機艙內的核心部件包括升降平臺、供電模塊、停機引導控制系統及設置在升降臺的正負充電極板、鉤爪。

1.4 自動巡檢工作流程

通過巡檢調度系統進行任務排程，將用戶指定的巡檢任務計劃輸入至巡檢調度系統。系統按既定的時間周期或按事件觸發控制無人機執飛，按預定的航線、點位控制指令等進行巡檢任務；再將采集的數據自動回送至巡檢數據平臺進行分析。見圖1。

1.5 巡檢數據管理平臺

巡檢數據管理平臺包括巡視點整合與優化、編制巡檢計劃、無人機遠程交互、巡視結果生成等模塊。

平臺系統由遠程控制平臺和巡視報表平臺兩部分組成，采用Java語言及相關的開發工具來實現；可實時遠程監測顯示無人機自身各項數據，對巡檢數據進行反饋分析，對圖片、視頻加以分類，通過機器學習功能進行智能識別診斷，生成巡檢結果報表，方便相關技術人員維修管理。

平臺服務器采用Docker資源隔離部署系統，將核心軟件和數據庫劃分為兩個相對的Docker微服務，以提高系統功能組件的內聚性、可擴展性和故障隔離能力。

1.6 基于圖像智能的檢測算法

橋梁不同部位、不同部件的缺陷模式不同；為實現多種缺陷信息的全息智能識別，需要盡可能建立缺陷的特征庫。

采用YOLOv3深度神經網絡建立缺陷分類模型，根據缺陷圖像智能判斷缺陷類別，輸入圖片像素統一。為了避免梯度飽和效應的發生，采用ReLU函數作為激活函數

[rectifier（x）=max0，x=x if x≥00 if x<0] （1）

另外，采用梯度下降法訓練網絡，定義初始學習率[η0]和學習率衰減變化率[s]，以交叉熵為損失函數

[Jθ=-1Ni=1Ny（i）loghθx（i）+ ? ? ? ? ? ? ?1-y（i）log1-hθx（i）] （2）

式中：[θ]為標簽；[hθ]為標簽[θ]出現的概率；[N]為樣本數量；[y]是期望輸出；[x]為輸入變量。

1.7 半自動巡檢模式

對于不需要高頻巡檢或不需投入過多成本在自動停機艙等基礎設施上的需求，可選擇半自動巡檢的模式。見圖2。

半自動巡檢的模式具有如下特點：

1）不需要自動停機艙，每次檢測需人工搬運無人機往返；

2）工作時，需通過配套軟件執行一鍵巡檢，而不是巡檢條件出發方式。

2 工程測試

一座超千米級的跨江特大斜拉橋，需要在短時間內完成拉索、橋塔、梁底的巡檢工作并迅速給出巡檢報告。

2.1 全自動巡檢模式

2.1.1 巡視點標定

此次巡檢任務共標定有95個巡視點，覆蓋索塔、部分拉索、橋墩。見圖3。

2.1.2 自動停機艙的應用

在自動巡檢模式中，將停機艙布置在距離橋頭約400 m的監控中心前空曠平地上。停機艙除作為自動巡視模式中用于無人機停放、充電、維護的場所，還具備與無人機交互的能力，這是自動巡檢模式不需人工參與的關鍵。在自動巡檢模式中，設定滿足飛行條件或間隔飛行時間即可出發巡檢。停機艙采用150 W的太陽能板進行光伏發電，內置24 V50 A·h鋰電池。見圖4。

根據控制點標定數據，無人機可從停機艙自動起飛前往作業區中相應點位執行巡檢任務，完成后自動返回停機艙。若電量不足以支持完成一次完整作業，則無人機將自動進行分階段作業，即電量較低時先保存當前狀態，待返航充電后再繼續工作，保證了巡檢的連續性。

2.1.3 巡檢數據平臺

缺陷檢測算法模型訓練過程中設置初始學習率[η0=0.001]、學習率衰減變化率[s=0.1]、樣本數量[N=6 500]，圖片分辨率統一為480×480。

無人機在控制點處拍照并將數據回送至巡檢數據平臺進行缺陷檢測，采用4G網絡進行數據連接。為顯示智能識別效果，實際測試中對橋墩、索塔、拉索等部位缺陷進行了自動識別。見圖5。

作業過程中及完成后，可從巡檢數據平臺查看無人機狀態、巡檢結果等數據，見圖6和圖7。

2.2 半自動巡檢模式

在半自動巡檢模式中，人員通過遙控器加載巡視點數據并通過手持遙控器應用軟件（APP）發往無人機。無人機根據所述數據進行巡檢，完畢后返航，人工回收無人機。

在本測試中，基于橋塔的半自動巡檢模式執行一遍約耗時38 min（僅為無人機滯空時間），要完成整個橋梁的巡檢需要多次返回并充電。

3 結語

對于橋梁這樣的復雜結構，依賴人工控制的無人機巡檢，會造成巡視點遺漏、數據難以管理的問題。本文提出的應用模式經過工程驗證，在高精度自動巡檢的基礎上，結合自動停機艙、數據平臺可以實現高效、準確、安全、連貫的巡檢，保障巡檢的準確性。同時，針對減少設備建設投入成本的考量，還補充了一種半自動巡檢模式。

參考文獻：

[1]王凌波，王秋玲，朱釗，等. 橋梁健康監測技術研究現狀及展望[J]. 中國公路學報，2021，34（12）：25-45.

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[3]陳金橋，李佳穎，李慧樂，等.無人機在橋梁檢測中的應用初探[J].交通世界，2018，（32）：103-106.

[4]朱志超，王勇，顧傳焱. 無人機技術在橋梁養護檢測中的應用[C].中國公路學會養護與管理分會第八屆學術年會論文集，2018.

[5]焦宏麟. 無人機地面站停機艙的設計與控制[D].北京：北方工業大學，2022.

[6]李宇程，王業柱，黃禹銘.基于電極轉換的無人機巡航作業能量補給停機艙[J].電氣開關，2020，58（6）：68-70+101.