橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全巡檢的應(yīng)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(shù)據(jù)處理不及時(shí)、無人機(jī)供電困難、巡視點(diǎn)遺漏的問題，提出一種無人機(jī)自動(dòng)巡檢、自動(dòng)停機(jī)艙、數(shù)據(jù)管理平臺的應(yīng)用模式。工程應(yīng)用表明，該應(yīng)用模式保障了橋梁巡檢作業(yè)的高效性、安全性、準(zhǔn)確性和連貫性。

【關(guān)鍵詞】：智慧橋梁；缺陷檢測；巡檢；復(fù)雜結(jié)構(gòu)；無人機(jī)

【中圖分類號】：U445.7【文獻(xiàn)標(biāo)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(hù)工作量巨大，如何快速、準(zhǔn)確進(jìn)行巡維是困擾行業(yè)的一大難題；因此，開展橋梁缺陷精益化自動(dòng)巡檢技術(shù)研究，對豐富橋梁管養(yǎng)手段具有重要意義。在非接觸自動(dòng)采集傳感技術(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺技術(shù)支撐下實(shí)現(xiàn)橋梁自動(dòng)巡檢是智慧橋梁領(lǐng)域的主要研究趨勢[1]。目前，激光點(diǎn)云和傾斜攝影等技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)高精度橋梁三維建模，可用于無人機(jī)巡視點(diǎn)標(biāo)定，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)巡檢的基礎(chǔ)[2～3]。朱志超等[4]實(shí)現(xiàn)橋梁部件細(xì)化、智能拍照識別，但未采用自動(dòng)停機(jī)艙，因此需要有人參與實(shí)時(shí)操控。通過“計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制系統(tǒng)架構(gòu)，以模塊化設(shè)計(jì)理念開發(fā)停機(jī)艙控制系統(tǒng)硬件及軟件的思路已得到驗(yàn)證[5～6]。

上述研究均為某一方面技術(shù)的應(yīng)用，未見將多種技術(shù)綜合起來應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無人干預(yù)的巡檢系統(tǒng)研究。為此，本文結(jié)合工程應(yīng)用，探究無人機(jī)在橋梁監(jiān)控運(yùn)維中的全自動(dòng)應(yīng)用模式，通過對無人機(jī)的自主飛行及橋梁部件缺陷智能識別、數(shù)據(jù)平臺等的研究，在無人機(jī)端、停機(jī)艙端、平臺軟件端等多個(gè)環(huán)節(jié)形成自動(dòng)化控制，令無人機(jī)無需人工干預(yù)便可自主完成橋梁巡檢任務(wù)。

1 自動(dòng)巡檢模式的實(shí)現(xiàn)

1.1 巡視點(diǎn)的標(biāo)定

巡視點(diǎn)的標(biāo)定依賴三維模型。橋梁實(shí)體三維模型包括橋梁本身及外周所有的實(shí)體所在位置、所占空間信息，通過笛卡爾三維坐標(biāo)系來表示，操作人員可以在三維坐標(biāo)系中進(jìn)一步指定用于控制無人機(jī)定點(diǎn)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(jī)在指定點(diǎn)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(diǎn)標(biāo)定的過程。

1.2 無人機(jī)自主飛行控制

自動(dòng)巡檢無需人員干預(yù)，因此無人機(jī)應(yīng)具備完全自主控制功能。將無人機(jī)飛行控制器劃分為兩個(gè)組件。

1）飛行支持組件：通過高性能MCU實(shí)現(xiàn)基本的飛行動(dòng)作閉環(huán)控制。為保證穩(wěn)定性不受上層應(yīng)用的影響，該組件對無人機(jī)硬件具有最高控制權(quán)限并且支持僅通過單一入口接收上層指令。

2）智能調(diào)度組件：是指揮無人機(jī)執(zhí)行作業(yè)的大腦，以微型工控機(jī)為載體，實(shí)現(xiàn)配置和數(shù)據(jù)存儲、與數(shù)據(jù)平臺通信等功能。通過將高層指令轉(zhuǎn)譯為飛行控制指令發(fā)往飛行支持組件，實(shí)現(xiàn)按巡視控制點(diǎn)指揮飛行、控制拍照及返航等功能。

1.3 自動(dòng)停機(jī)艙設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)巡檢，除自主飛行控制外，還需要戶外自動(dòng)停機(jī)艙作為無人機(jī)停放、充電和故障處理的場所。自動(dòng)停機(jī)艙可部署在橋頭或者橋梁監(jiān)控中心等位置。

自動(dòng)停機(jī)艙內(nèi)的核心部件包括升降平臺、供電模塊、停機(jī)引導(dǎo)控制系統(tǒng)及設(shè)置在升降臺的正負(fù)充電極板、鉤爪。

1.4 自動(dòng)巡檢工作流程

通過巡檢調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)排程，將用戶指定的巡檢任務(wù)計(jì)劃輸入至巡檢調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)按既定的時(shí)間周期或按事件觸發(fā)控制無人機(jī)執(zhí)飛，按預(yù)定的航線、點(diǎn)位控制指令等進(jìn)行巡檢任務(wù)；再將采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)回送至巡檢數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行分析。見圖1。

1.5 巡檢數(shù)據(jù)管理平臺

巡檢數(shù)據(jù)管理平臺包括巡視點(diǎn)整合與優(yōu)化、編制巡檢計(jì)劃、無人機(jī)遠(yuǎn)程交互、巡視結(jié)果生成等模塊。

平臺系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制平臺和巡視報(bào)表平臺兩部分組成，采用Java語言及相關(guān)的開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)；可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測顯示無人機(jī)自身各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋分析，對圖片、視頻加以分類，通過機(jī)器學(xué)習(xí)功能進(jìn)行智能識別診斷，生成巡檢結(jié)果報(bào)表，方便相關(guān)技術(shù)人員維修管理。

平臺服務(wù)器采用Docker資源隔離部署系統(tǒng)，將核心軟件和數(shù)據(jù)庫劃分為兩個(gè)相對的Docker微服務(wù)，以提高系統(tǒng)功能組件的內(nèi)聚性、可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立缺陷分類模型，根據(jù)缺陷圖像智能判斷缺陷類別，輸入圖片像素統(tǒng)一。為了避免梯度飽和效應(yīng)的發(fā)生，采用ReLU函數(shù)作為激活函數(shù)

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

另外，采用梯度下降法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，定義初始學(xué)習(xí)率[η0]和學(xué)習(xí)率衰減變化率[s]，以交叉熵為損失函數(shù)

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

式中：[θ]為標(biāo)簽；[hθ]為標(biāo)簽[θ]出現(xiàn)的概率；[N]為樣本數(shù)量；[y]是期望輸出；[x]為輸入變量。

1.7 半自動(dòng)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(dòng)停機(jī)艙等基礎(chǔ)設(shè)施上的需求，可選擇半自動(dòng)巡檢的模式。見圖2。

半自動(dòng)巡檢的模式具有如下特點(diǎn)：

1）不需要自動(dòng)停機(jī)艙，每次檢測需人工搬運(yùn)無人機(jī)往返；

2）工作時(shí)，需通過配套軟件執(zhí)行一鍵巡檢，而不是巡檢條件出發(fā)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(shí)間內(nèi)完成拉索、橋塔、梁底的巡檢工作并迅速給出巡檢報(bào)告。

2.1 全自動(dòng)巡檢模式

2.1.1 巡視點(diǎn)標(biāo)定

此次巡檢任務(wù)共標(biāo)定有95個(gè)巡視點(diǎn)，覆蓋索塔、部分拉索、橋墩。見圖3。

2.1.2 自動(dòng)停機(jī)艙的應(yīng)用

在自動(dòng)巡檢模式中，將停機(jī)艙布置在距離橋頭約400 m的監(jiān)控中心前空曠平地上。停機(jī)艙除作為自動(dòng)巡視模式中用于無人機(jī)停放、充電、維護(hù)的場所，還具備與無人機(jī)交互的能力，這是自動(dòng)巡檢模式不需人工參與的關(guān)鍵。在自動(dòng)巡檢模式中，設(shè)定滿足飛行條件或間隔飛行時(shí)間即可出發(fā)巡檢。停機(jī)艙采用150 W的太陽能板進(jìn)行光伏發(fā)電，內(nèi)置24 V50 A·h鋰電池。見圖4。

根據(jù)控制點(diǎn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，無人機(jī)可從停機(jī)艙自動(dòng)起飛前往作業(yè)區(qū)中相應(yīng)點(diǎn)位執(zhí)行巡檢任務(wù)，完成后自動(dòng)返回停機(jī)艙。若電量不足以支持完成一次完整作業(yè)，則無人機(jī)將自動(dòng)進(jìn)行分階段作業(yè)，即電量較低時(shí)先保存當(dāng)前狀態(tài)，待返航充電后再繼續(xù)工作，保證了巡檢的連續(xù)性。

2.1.3 巡檢數(shù)據(jù)平臺

缺陷檢測算法模型訓(xùn)練過程中設(shè)置初始學(xué)習(xí)率[η0=0.001]、學(xué)習(xí)率衰減變化率[s=0.1]、樣本數(shù)量[N=6 500]，圖片分辨率統(tǒng)一為480×480。

無人機(jī)在控制點(diǎn)處拍照并將數(shù)據(jù)回送至巡檢數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行缺陷檢測，采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。為顯示智能識別效果，實(shí)際測試中對橋墩、索塔、拉索等部位缺陷進(jìn)行了自動(dòng)識別。見圖5。

作業(yè)過程中及完成后，可從巡檢數(shù)據(jù)平臺查看無人機(jī)狀態(tài)、巡檢結(jié)果等數(shù)據(jù)，見圖6和圖7。

2.2 半自動(dòng)巡檢模式

在半自動(dòng)巡檢模式中，人員通過遙控器加載巡視點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過手持遙控器應(yīng)用軟件（APP）發(fā)往無人機(jī)。無人機(jī)根據(jù)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行巡檢，完畢后返航，人工回收無人機(jī)。

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

3 結(jié)語

對于橋梁這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，依賴人工控制的無人機(jī)巡檢，會造成巡視點(diǎn)遺漏、數(shù)據(jù)難以管理的問題。本文提出的應(yīng)用模式經(jīng)過工程驗(yàn)證，在高精度自動(dòng)巡檢的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)停機(jī)艙、數(shù)據(jù)平臺可以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、安全、連貫的巡檢，保障巡檢的準(zhǔn)確性。同時(shí)，針對減少設(shè)備建設(shè)投入成本的考量，還補(bǔ)充了一種半自動(dòng)巡檢模式。

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