車載移動式橋梁上部結構質量檢測視頻圖像采集裝置的設計研究

李月玲

（云南云路工程監理咨詢有限公司，云南 昆明 650100）

0 引言

“十三五”“十四五”期間，公路建設作為交通基礎建設的一個重要板塊，近幾年大批高等級公路，特別是高速公路逐步開工建設。

云南省屬于山區省份，地形、地勢、地質均十分復雜，在建設高等級公路中，橋隧比重大，橋梁質量檢測任務重。因此，在公路橋梁檢測中，通過不斷分析并總結橋梁檢測裝置、方法等，改進和克服當前橋梁檢測裝置的不足，研究提出高效、可靠、實用的橋梁新型裝置，具有十分重要的現實意義。

1 現有檢測裝置及其存在的問題

目前公路橋梁上部結構質量檢測時，通常采用的方法是檢測人員通過橋梁質量檢測車的檢測架對橋梁上部結構的各部件進行檢測。通過多年橋梁檢測發現現行檢測裝置存在以下不足：

第一，缺少完整的視頻圖像[1]記錄，在檢測過程中，對混凝土外觀質量只能通過檢測人員視覺檢測，缺少相關視頻圖像資料，不能客觀反映受檢橋梁上部混凝土外觀整體質量。

第二，檢測現場適應能力差，工作效率低，受客觀條件限制多。

第三，高處作業風險高，安全保障性差。檢測人員發生意外事故傷害的風險高，如易遭受雷擊、高空墜落、機械撞擊、野蜂螞蟻攻擊等。

第四，節能減排效果差，消耗資源多。

2 新裝置適用范圍

新裝置為一種橋梁上部結構質量檢測視頻圖像采集裝置[2]，屬橋梁檢測設備技術領域，其應用領域主要針對以下四類橋梁：一是在建橋梁或者即將通車橋梁；二是遭受過自然災害（地震、洪水、泥石流）或交通事故（車輛、船只沖撞等）的橋梁；三是一些需要長期監控的特殊橋梁，特別是一些樁基基礎承載力下降或是河道沖刷嚴重的橋梁；四是已通車需養護檢測的公路橋梁。

3 新裝置結構

為克服現有橋梁上部結構質量檢測裝置所存在的缺點，現提供一種全新的橋梁上部結構質量檢測視頻圖像采集裝置設計方案。該裝置由兼有辦公室功能的運輸車（12）、通過將能旋轉360°的底座轉盤（8）置于兼有辦公室功能的運輸車（12）上的視頻圖像采集部件組成，如圖1 所示。

圖1 橋梁檢測新裝置結構示意圖

其中：第一，兼有辦公室功能的運輸車（12）車身下部的前、后輪之間設有輪式距離編碼器（13），車身上置有電力供應系統（11）。第二，視頻圖像采集部件由能旋轉360°底座轉盤（8）、置于其上的鋼制檢測架底座（7）、置于鋼制檢測架底座（7）一端的可拆分的水平轉動接頭（5）、置于鋼制檢測架底座（7）上的垂直轉動接頭（6）、固定端能水平轉動的鋼制連接架（4）、置于能水平轉動的鋼制連接架（4）上的能伸縮的縱向垂直檢測桿（2）、置于能伸縮的縱向垂直檢測桿（2）上的水平轉動接頭（3）、通過水平轉動接頭（3）與能伸縮的縱向垂直檢測桿（2）連接的能伸縮的橫向水平檢測桿（1）構成。其中，橫向水平檢測桿（1）一端的下面裝有可移動攝像頭（10）。

4 新裝置的工作原理

4.1 檢測前裝置的展開與現場調試

檢查可移動攝像頭（10）和輪式距離編碼器（13）是否工作正常，啟動電力供應系統（11），把該設備開到受檢橋梁的護欄邊，將能旋轉360°底座轉盤（8）旋轉90°，把垂直轉動接頭（6）轉到靠近護欄一側，垂直轉動接頭（6）旋轉180°。把能夠伸縮橫向水平檢測桿（1）、能夠伸縮縱向垂直檢測桿（2）、水平轉動接頭（3）和固定端能水平轉動的鋼制連接架（4）轉到護欄外側，伸出縮縱向垂直檢測桿（2）；把能夠伸縮橫向水平檢測桿（1）和水平轉動接頭（3）放到超過梁板底面的位置；把水平轉動接頭（3）向橋下水平轉動90°，把能夠伸縮橫向水平檢測桿（1）放入橋下，伸出橫向水平檢測桿（1）；再將其伸到橋梁另一側最邊上的梁板下方，開動臨時辦公室及運輸車（12）把橫向水平檢測桿（1）緊靠一端的蓋梁或橋臺。

4.2 檢測視頻圖像數據采集與特殊情況處理

調整可移動攝像頭（10），把各個橫向攝像頭分別對準每片梁板的底面、左側面和右側面，把各個縱向攝像頭分別對準正前方或正后方（主要拍攝蓋梁、橫隔板和支座），開啟拍攝功能，輪式距離編碼器（13）與地面接觸數據調零，低速開動臨時辦公室及運輸車（12），把橫向水平檢測桿（1）從一端的蓋梁移動到另一端的蓋梁，用攝像頭（10）記錄橋下各個構件的外觀質量情況，并形成視頻圖像資料，用輪式距離編碼器（13）記錄視頻圖像資料對應的位置。

采集過程中所遇到的特殊情況包括裝置通過蓋梁和裝置通過裝有燈桿護欄兩種情況。在該裝置通過蓋梁時，要先收回橫向水平檢測桿（1）至最短位置，把水平轉動接頭（3）向橋外側水平轉動90°，再把橫向水平檢測桿（1）移動到橋外側位置，低速開動臨時辦公室及運輸車（12），把橫向水平檢測桿（1）的最頂端移動到超過所要通過蓋梁的另一個側面的位置，把水平轉動接頭（3）向橋下水平轉動90°，把能夠伸縮橫向水平檢測桿（1）放入橋下，伸出橫向水平檢測桿（1），再將其伸到橋梁另一側最外側的梁板下方，開動臨時辦公室及運輸車（12）使橫向水平檢測桿（1）緊靠一端的蓋梁或橋臺。裝置通過裝有燈桿護欄處理，當燈桿靠近固定端能水平轉動的鋼制連接架（4）時，打開最前端的第一個可拆分的水平轉動接頭（5）讓燈桿通過，當燈桿通過后，重新連接此最前端第一個水平轉動接頭（5），按此操作方法，將第二個、第三個水平轉動接頭進行“打開→關閉”的循環操作，使該裝置順利通過護欄安裝有燈桿的橋面。

4.3 檢測裝置的收縮與歸位

現場檢測完成后，先收回橫向水平檢測桿（1）至最短位置，把水平轉動接頭（3）向橋外側水平轉動90°，再將橫向水平檢測桿（1）移動到橋外側位置，然后收縮縱向垂直檢測桿（2）移動到最短位置，反向垂直轉動接頭（6）旋轉180°，然后將能夠伸縮橫向水平檢測桿（1）、能夠伸縮縱向垂直檢測桿（2）、水平轉動接頭（3）和固定端能水平轉動的鋼制連接架（4）放回到鋼制檢測架底座（7）上面，把能旋轉360°底座轉盤（8）反向旋轉90°，把垂直轉動接頭（6）轉到兼有辦公室功能的運輸車（12）后面，收回輪式距離編碼器（13）（不與地面接觸），關閉電力供應系統（11），最后開動兼有辦公室功能的運輸車（12），把裝置運出檢測現場。

4.4 數據的分析與保存

在檢測過程中通過安裝的監視器發現橋梁上部各個構件所存在的外觀質量問題，形成視頻圖像資料傳輸給內業資料組進行處理，統計出缺陷的類型、面積、數量等相關數據，再交給現場作業工作組對缺陷進行詳細系統的專項檢測。所采集的視頻圖像資料能夠作為橋梁交工、竣工、養護和專項檢測的原始資料進行長期系統保存。

5 裝置應用及其優點

5.1 裝置應用

5.1.1 裝置設計階段

2019 年初，云南云路工程監理咨詢有限公司及合作單位結合多年現場檢測工作實踐經驗，成立裝置研究小組，著手裝置的設計研究，期間咨詢并采納行業專家意見，形成裝置初步設計圖。在此基礎上，充分結合生產廠家意見，又進一步進行修改完成，數次邀請公路行業、儀器生產行業、儀器鑒定部門等專家進行研討，最終形成裝置生產設計圖。

5.1.2 裝置試用與驗證階段

當前，已生產出該裝置實體樣本，研究小組正在結合現行檢測標準及規范對橋梁上部結構按梁板、蓋梁、橡膠支座、支座墊石、防撞擋塊、拉桿等進行分類，按檢測規程、標準及規范，對各項指標進行對比檢測，驗證其檢測偏差、方差、精度的可靠性。具體對比原理為：

采用同一構建及部位，使用現有檢測設備和方法，由同一資深檢測師及其助手，按事前擬定的檢測指標進行數據檢測采集，得出對比檢測基礎數據；然后，用新裝置，在同樣檢測環境、同一檢測構建及部位、同一檢測參數指標、同一檢測人員等條件下，進行新的數據采集，對比前后數據的偏差性、誤差性、精度性，經對多構建、多次采集的數據進行對比分析，檢測指標的誤差和精度均能滿足現行標準要求。

在檢測精度滿足標準和規范的前提下，對檢測裝置設計進行進一步優化和改善。研究表明，該裝置在檢測時間、操作安全、影像圖片采集、數據后臺同步整理方面，有突出的優點。

5.1.3 裝置推廣階段

在檢測精度滿足標準和規范的前提下，目前在云南孟綠高速公路和彌玉高速公路橋梁上部結構質量檢測中，繼續開展檢測驗證，制訂儀器制造、出廠、維護、鑒定的參數指標，起草擬定檢測裝置使用手冊、操作規程等使用技術指南，各項工作完成后，下一步將按相關規定申請有關部門進行鑒定、驗收、備案，準備在行業中申請推廣應用。

5.2 裝置優點

結合應用驗證，通過分析與總結，與現有設備相比較，該裝置體現出以下明顯的幾個優點：

第一，能對橋梁上部混凝土及支座外觀質量進行全面的視頻圖像記錄。該裝置能通過安裝在縱向檢測桿上的攝像頭，檢測梁板、蓋梁、支座等上部構件各個角度的外觀質量情況，整個檢測過程會進行完整的視頻圖像記錄，記錄下的視頻圖像可作為橋梁質量檢測的原始數據長期保存。同時，對檢測中發現的質量缺陷，能夠通過輪式距離編碼器在橋面上留下標記點，再通過留下的缺陷標記點配合橋梁檢測車對發現的缺陷進行詳細檢測，生成視頻質量圖片[3]和數據，為橋梁修復決策提供堅實、可靠的數據支撐。

第二，檢測現場適應能力強，工作效率高。將上下橋檢架檢測改為攝像頭視頻檢測，大大減輕檢測車的整體重量，有利于在大橫坡橋面檢測裝置的行駛平衡。設計了可拆分的水平轉動接頭，能通過水平轉動接頭的開合通過側面安裝有路燈燈桿的橋梁。同時，該裝置因無須人員上下檢測架，所以在通過橋梁特殊結構時，檢測速度更快，工作效率更高[4]。

第三，安全性能高。將上下橋檢架檢測改為攝像頭視頻檢測，在結構上降低了檢測架頂高，減小了雷擊概率，同時因檢測人員不需上下橋檢架檢測，所以不會發生高空墜落、機械撞擊及毒蟲攻擊等意外事故。在通車路段檢測時，因檢測效率高，能縮短檢測人員及設備暴露在危險環境中的時間，從而降低行駛車輛撞擊的概率。

第四，具有操作簡單、成本低、節能減排效果好的顯著特點。該裝置在設計時減輕整車重量，能在運行時減少能源消耗，節能效果明顯。檢測人員數量明顯減少，可減少到3 人（1 人負責檢測車行駛，1 人負責檢測桿運行，1 人負責檢測采集）；裝置生產成本較現行檢測裝置大幅度降低。

第五，數據采集、整理分析實現一體化，具有工作效率高、檢測精度可靠等優點。在數據采集中，能夠通過網絡同步把數據上傳給辦公室內的數據分析組，這樣的流水化作業，能大大提高橋梁檢測的工作效率，縮短現場檢測時間。另外，從數據采集到數據整理分析，可以減少人員報數、記錄等失誤，降低人員手工計算誤差，對檢測精度具有明顯的可靠性。

第六，所采集數據為運營管養階段橋梁維修加固決策提供原始視頻圖片數據支撐。建設過程及竣（交）工階段所采集的數據經過分析整理，并將整理的原始圖片、檢測數據及數據整理分析結果拷貝在后臺大數據硬盤上，并按所需要保存期限進行分類保存，在后期橋梁運營管養階段中，為橋梁維修加固決策、加固設計提供調閱做參考，提供最原始數據支撐。

6 結語

與當前橋梁檢測裝置相比，該檢測裝置具有高分辨率圖像采集、環境適應能力強、檢測效率高、安全保障性強、操作簡單、數據長時間保存可靠等優點，在常規橋梁上部結構質量檢測中具有普遍適用性，是一種高效、可靠、實用新型檢測裝置，在橋梁工程上部結構質量檢測工作中具有廣泛的應用空間，下一步將結合日常檢測工作的開展，不斷改進和更新橋梁檢測裝置，使橋梁工程建設、管養等質量檢測技術邁向新的臺階。