中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
在特殊結(jié)構(gòu)橋梁（如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等）或者大跨高墩橋梁的檢測過程中，常規(guī)檢測手段存在局限性,比如檢查盲區(qū)。盲區(qū)的檢測效率低、難度大、危險系數(shù)高，而且檢測精細度遠遠不夠。因此，采用先進的無人智能檢測技術(shù)開展養(yǎng)護檢測工作變得越來越有必要。本文簡單介紹了4種在長大橋梁檢測中的無人智能檢測技術(shù)，包括無人機、高清攝像、纜索機器人、水下機器人，以及無人智能設(shè)備綜合應(yīng)用案例。
常規(guī)檢測手段的局限
橋梁檢測主要是對橋梁外觀和結(jié)構(gòu)性能進行檢查評定，通常對結(jié)構(gòu)性能的檢查是通過一系列的力學(xué)試驗完成，而對其外觀的檢查主要依靠肉眼或者輔助工具（如橋檢車、望遠鏡等），來檢測橋梁主要構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。
隨著我國公路建設(shè)里程不斷增加，大型橋梁數(shù)量增多，養(yǎng)護維護和檢測工作的難度也不斷提高。截至2016年底，全國公路橋梁共有80.53萬座，4916.97萬米。特大橋梁4257座，大橋86178座，二者長度約占橋梁總長的61.1%。
對于特殊結(jié)構(gòu)橋梁(如斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等)或者大跨高墩橋梁來說,常規(guī)檢測手段存在局限性,有檢查盲區(qū),而盲區(qū)檢測效率低、難度大、危險系數(shù)高。如對斜拉橋拉索的檢測,人工爬上拉索向下進行檢測作業(yè),不僅效率低、難度大、危險系數(shù)高,而且檢測精細度遠遠不夠,而采用纜索機器人檢測拉索能很好地解決這個問題。為了保證橋梁使用的安全和問題隱患的有效消除,采用先進的智能檢測技術(shù)開展養(yǎng)護檢測工作變得越來越有必要。以下主要介紹無人機檢測技術(shù)、高清攝像檢測技術(shù)、纜索機器人檢測技術(shù)、水下機器人檢測技術(shù)這4種無人智能檢測技術(shù)。
無人智能檢測技術(shù)
無人機
無人機橋梁快速檢測系統(tǒng)主要由無人機、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、其他設(shè)備等組成。無人機一般采用起降平穩(wěn)的多旋翼無人機，利于數(shù)據(jù)采集和觀測。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于系統(tǒng)控制信號、檢測數(shù)據(jù)的傳輸。地面站系統(tǒng)則用于實時監(jiān)控無人機飛行、檢查拍攝情況，利于及時糾正飛行軌跡和發(fā)現(xiàn)橋梁明顯病害。其他設(shè)備除了常規(guī)的維修保養(yǎng)工具外，還包含檢測結(jié)果分析處理系統(tǒng)。用于橋梁檢測的無人機與常規(guī)航拍無人機的任務(wù)荷載系統(tǒng)略有不同，前者的三軸增穩(wěn)云臺、高清攝像機置于飛行器上方，航拍用云臺一般布置在下方。常用于橋梁檢測的多旋翼無人機系統(tǒng)如圖1。
2.無人機特點
相比傳統(tǒng)橋梁檢測技術(shù),無人機檢測技術(shù)具有以下優(yōu)點：
①無人機可以直接到達檢測部位，無須其他輔助措施，節(jié)省費用；
②檢測橋墩、橋座、橋腹等危險場所，無須搭架或者吊籃配合人員檢測，極大地提高了安全性；
③對于部分無法企及的橋腹、拉索等部位，無人機可以抵近觀察了解更多細節(jié)；
④定點懸停觀測、實時傳輸畫面、效率高、基本不影響正常交通；
⑤在天氣情況允許的前提下，實施檢測橋梁具備較高的及時性；
缺點是梁體狹小空間處無法檢測，需傳統(tǒng)檢測方式；續(xù)航能力一般；工作環(huán)境受天氣環(huán)境影響大。
高清攝像
高清攝像綜合使用了攝影測量與圖像識別技術(shù)，從影像中提取待病害位置、尺寸等信息。高清攝像系統(tǒng)主要由攝像部分、成像放大部分、轉(zhuǎn)動控制部分、圖像處理分析部分4部分組成。
攝像部分：主要用于現(xiàn)場拍照，將病害以圖像的形式記錄下來。
成像放大部分：使用高倍率的望遠鏡頭，對拍攝的病害進行放大處理，使圖像滿足檢測精度要求。
轉(zhuǎn)動控制部分：將拍攝區(qū)域網(wǎng)格化處理，轉(zhuǎn)動控制部分可自動將鏡頭對準待拍攝區(qū)域，大幅度提高拍攝速率。
圖像處理分析部分：首先將斜視圖像轉(zhuǎn)換為正視圖像，而后使用先進的圖像處理技術(shù)，識別出病害長度、寬度等尺寸信息。
1.高清攝像檢測應(yīng)用
高清攝像技術(shù)主要應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)物的表觀檢測，如橋梁、火電站冷卻塔、水壩、核電站反應(yīng)殼等。在長大橋梁檢測中，高清攝像技術(shù)多用于斜拉橋、懸索橋的索塔外觀檢查和不易檢測到的橋梁側(cè)面底面等。
2.高清攝像特點
高清攝像機具有以下優(yōu)點：
①操作簡單快捷。設(shè)備總重不超過15kg，現(xiàn)場2人即可順利操作。從開箱到組裝完畢，總共不超過10分鐘。
②檢測精度高。50m距離范圍內(nèi)，有效精度可達到0.1mm。
③安全可靠。操作人員在陸地空曠區(qū)域拍攝，避免在支架或掛籃上登高作業(yè)，有效保證檢測人員的人身安全。
④不干擾結(jié)構(gòu)物的正常運營。該方法為非接觸性量測手段，不干擾被測物自然狀態(tài)。例如橋梁檢測中無須封路，避免了道路審批的繁瑣辦理流程。
⑤拍攝影像可長期保存。便于與歷史缺陷進行對比，掌握病害的演變規(guī)律。
⑥展示效果好。檢測結(jié)果以高清漫游的方式呈現(xiàn)出來，還原現(xiàn)場，猶如身臨其境。
纜索機器人
纜索是斜拉橋的主要承重部分，其造價約占全橋造價的25％～30％。但其長期暴露在大氣之中，受到風(fēng)吹、日曬、雨淋和環(huán)境污染的侵蝕，其表面會受到較嚴重的破壞，這會對整座斜拉橋帶來不利的影響。然而大型斜拉橋纜索都存在安裝后難以進行健康檢測的問題，導(dǎo)致嚴重安全隱患。為了降低安全隱患，必須對橋梁纜索進行定期的檢測，并對其中有損傷的纜索進行涂裝、修復(fù)或更換。
纜索機器人是一種能夠攜帶相關(guān)設(shè)備攀爬纜索，并對其進行高空作業(yè)的爬行機器人，它是專門針對高空斜拉索進行設(shè)計和應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)纜索準確、及時、快速、方便地檢查。利用其作為載體，安裝高清攝像裝置和鋼絲探傷傳感器，能進行纜索外觀和內(nèi)部鋼絲情況的詳細檢測。
檢測機器人包括檢測裝置、爬行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、電源、電機等幾個部分，其在纜索上的安裝圖如圖3所示。
圖3 纜索機器人安裝示意圖
檢測裝置的作用是檢測橋梁纜索外表及內(nèi)部是否有損傷，可以是電渦流檢測裝置、磁漏檢測裝置、超聲波檢測裝置等。檢測的結(jié)果由控制和監(jiān)視系統(tǒng)負責采集并存儲。
爬行機構(gòu)是機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，它的任務(wù)是帶動整個機構(gòu)按設(shè)定的任務(wù)自主地在纜索上運動。
控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的中樞，它要完成同地面操作人員的通訊、采集檢測裝置檢測的結(jié)果、控制并驅(qū)動爬行機構(gòu)按照要求運動。
圖4 纜索機器人檢測到的斜拉索破損照片
水下機器人
橋梁基礎(chǔ)是橋梁的重要結(jié)構(gòu)之一,它不僅承受著橋梁的恒載和活載,還將它傳遞給地基。然而橋梁經(jīng)過一段時間運營后,往往會因為基礎(chǔ)混凝土澆筑質(zhì)量差或流水長期沖刷侵蝕等原因而出現(xiàn)病害,如基礎(chǔ)淘空、傾斜、下沉、混凝土沖蝕、磨損、破損、露筋、銹蝕、夾泥、開裂和縮徑等,這些病害均會危及橋梁的正常使用。由于基礎(chǔ)往往位于水面以下或埋置在土體之中,成橋后,基礎(chǔ)頂面以上已修筑墩臺、梁板等結(jié)構(gòu)物。另外,基礎(chǔ)位于水面之下,人工檢測作業(yè)存在很大的安全隱患。這些現(xiàn)實情況給橋梁檢測的順利實施帶來了很大的困難,檢測單位無法及時了解成橋后基礎(chǔ)的病害情況。針對上述狀況,使用水下機器人檢測橋梁基礎(chǔ)成為長大跨海、跨江橋梁樁基檢測的必要手段。
水下遙控機器人(英文縮寫ROV)潛水有多種，通常可分為小型觀察型和作業(yè)型兩種。按動力范圍和作業(yè)水深分類，作業(yè)型又可分為輕型、中型、大型和超深型幾種。目前在水下遙控機器人的基礎(chǔ)上，已經(jīng)研制成功更為先進的水下LBC多功能運動車，它是ROV和水下爬行器的完美結(jié)合，它具有普通ROV的功能外，還具有爬行器功能。如果需要仔細觀察某一個平面物體，LBC可以轉(zhuǎn)換到爬行器模式，借助4個輪子在平面上自由爬行，可以仔細檢查物體表面。在水下爬行時，顯示器上會顯示里程表。另外還具有成像聲吶和水下定位系統(tǒng)。檢測人員應(yīng)根據(jù)不同的檢測環(huán)境、檢測目的，選擇合適的水下機器人。
水下機器人檢測作業(yè)的優(yōu)點在于能深水檢測，這是水下攝像儀檢測、潛水檢測無法比擬的優(yōu)勢；缺點是目前水下機器人的推進器動力還不足，一般水下檢查作業(yè)型的抗水能力是2～4節(jié)。因此，檢查型的水下機器人目前適合于流速較低的跨海橋梁以及庫區(qū)橋梁的基礎(chǔ)檢測，對于流速較大的橋梁基礎(chǔ)尚不能完成檢測任務(wù)。
綜合應(yīng)用顯身手
杭州灣跨海大橋是我國G15沈海高速的重要組成部分，北起嘉興海鹽鄭家埭，跨越杭州灣海域后止于寧波慈溪水路灣，全長約36km。大橋主要工程包括北引線、北引橋、北航道橋、中引橋、南航道橋，海中平臺及匝道橋、南引橋和南引線，其中北航道橋為主跨448m的鉆石形雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，南航道橋為主跨318m的A形單塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。大橋受海洋環(huán)境影響顯著，運營環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)耐久性問題突出。為了有效掌握橋梁運營使用情況，需要對主要結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進行詳細、有效的檢測。另外，南、北航道橋采用斜拉橋的結(jié)構(gòu)型式，橋梁包括斜拉索、索塔、鋼管樁等特殊和易損構(gòu)件，常規(guī)方法無法滿足檢測的需要。
圖5 無人智能設(shè)備綜合應(yīng)用——杭州灣跨海大橋北航道橋
為解決航道橋檢查檢測問題，在杭州灣跨海大橋上對無人智能設(shè)備進行了綜合應(yīng)用。根據(jù)航道橋結(jié)構(gòu)特點、構(gòu)件類型和位置，安排不同的無人檢測設(shè)備，現(xiàn)場工作和成果分析由專業(yè)檢測單位承擔。以北航道橋為例，無人智能設(shè)備的綜合應(yīng)用情況如下。
3.杭州灣跨海大橋所在海域具有潮差大、潮流急、沖刷深的特點，采用傳統(tǒng)人工水下樁基探摸作業(yè)具有較大風(fēng)險。為有效掌握大橋樁基礎(chǔ)的運營狀況，特別是鋼管樁的腐蝕以及河床的沖刷深度，大橋每年利用水下機器人抽檢部分鋼管樁基礎(chǔ)。通過水下機器人上的拍攝設(shè)備，可知目前所檢樁基與承臺結(jié)合位完好，樁身整體結(jié)構(gòu)完整，鋼管樁表面防腐涂層未發(fā)現(xiàn)有明顯脫落及銹蝕的地方。另外，利用機器人上安裝的聲吶掃描裝置，對樁基所在河床進行了掃描，確定了沖刷深度。
1.利用高清攝像設(shè)備對北航道橋的索塔外表面進行全面檢查，檢查頻率每年1次。由于高清攝像設(shè)備的特點，檢查范圍可涵蓋索塔上、下塔柱的各個側(cè)面。通過遠距離拍攝，對平時采用常規(guī)檢測手段、難以抵近的部位進行了詳細檢查；同時利用配套的圖像識別和處理系統(tǒng)，不僅將索塔表面的裂縫、破損、滲水等病害，進行準確、有效的識別和記錄，還對拍攝照片進行拼接，形成了索塔表面病害的三維展示圖。通過系統(tǒng)形成的檢測成果，一方面便于直觀查看病害位置和類型，另一方面形成了索塔外表面病害基準數(shù)據(jù)庫，在后續(xù)的檢查過程中方便對相同病害進行跟蹤觀測。
2.利用纜索機器人對北航道橋全部112根拉索進行檢查，檢查頻率為每年1次。應(yīng)用纜索機器人檢測斜拉索，檢測過程不需封橋，不影響橋梁正常通行；還能夠檢測到高空段人工無法檢測到的斜拉索部位，檢測更詳細；檢測中，機器人負責測量過程的采集數(shù)據(jù)，操控人員負責安裝和控制，大大減輕了檢測人員的工作量，且安全性好。因此，采用纜索機器人能夠有效滿足杭州灣跨海大橋斜拉索外觀的檢測需要。
圖7 杭州灣大橋水下機器人檢測成果
4.在大橋的檢測過程中，無人機的作用主要包括橋梁整體巡檢和配合檢查。一方面，利用無人機對航道橋進行整體巡檢，了解橋梁安全保護區(qū)內(nèi)有無違法現(xiàn)象、航道輔助設(shè)施是否齊全完善。另一方面，利用無人機輔助高清攝像設(shè)備對索塔外表面進行檢查，對需要復(fù)核的病害進行抵近拍攝，確保了高清攝像檢測結(jié)果的準確性。
綜上，通過在杭州灣跨海大橋航道橋上綜合應(yīng)用無人智能設(shè)備，有效解決了跨海纜索橋梁結(jié)構(gòu)的檢查檢測問題。利用無人智能設(shè)備的專項檢測結(jié)果，結(jié)合大橋現(xiàn)有外觀檢查資料，可以更加科學(xué)、全面、準確地評價橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況和運營使用情況。
未來，隨著社會科技水平的不斷提高，應(yīng)用在橋梁檢測領(lǐng)域的檢測方法和手段也將逐步智能化。采用橋梁智能化檢測技術(shù)能夠保障橋梁結(jié)構(gòu)在運營過程中的安全性，確保使用者的生命財產(chǎn)安全。在科學(xué)技術(shù)、人工智能飛速發(fā)展，逐漸普及的今天，已經(jīng)有越來越多的新型智能化檢測技術(shù)運用于橋梁檢測養(yǎng)護工作中。有關(guān)單位應(yīng)當對這些信息技術(shù)加強了解，結(jié)合實際情況，合理、科學(xué)地引入，提升橋梁檢查工作的有效性。
