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(tuán)企業(yè)。
目前我國橋梁水下結(jié)構(gòu)的檢測仍讓處于起步階段，甚至在相關(guān)規(guī)范中沒有明確的規(guī)定和要求。既有橋梁水下墩臺、基礎(chǔ)的沖刷以及結(jié)構(gòu)的外觀缺陷如何進(jìn)行檢測和評估也是橋梁檢測的重要內(nèi)容，隨著技術(shù)的進(jìn)步這也是我們橋梁管理、養(yǎng)護(hù)應(yīng)該關(guān)注的問題。我們近幾年也經(jīng)常能看到“蛙人”對橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測的新聞，其實“蛙人”也就是我們常說的潛水員。潛水員對橋梁進(jìn)行檢測通過潛入水下通過觸摸、觀察等手段來實施檢測，而檢測人員通過潛水員的描述來判斷橋梁水下結(jié)構(gòu)的病害和缺陷。由于橋梁檢測的專業(yè)性很強，因此潛水員的檢測有點類似于“盲人摸象”。本文對橋梁水下結(jié)構(gòu)的檢測方法進(jìn)行簡單的總結(jié)，以起到拋轉(zhuǎn)引玉引的作用來推動我國橋梁水下檢測技術(shù)的發(fā)展。
一、水下視頻檢測的方法
水下攝像系統(tǒng)一般包括水下攝像機/攝像探頭、傳輸線纜和圖像采集設(shè)備，水下攝像機和連接線纜要求具有水密性。水下視頻檢測系統(tǒng)檢測時將水下攝像機/攝像探頭下放至水下待檢測的部位，水下攝像機連接的數(shù)據(jù)線纜將圖像傳輸至圖像采集設(shè)備，通過圖像采集設(shè)備來顯示攝像機在水下的位置以及實時采集的圖像。在實施橋梁水下檢測時圖像采集設(shè)備可以進(jìn)行全過程的錄像，檢測人員可以通過視頻播放來進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)病害的分析，此外在檢測時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的病害可以進(jìn)行視頻的截屏，并記錄病害的位置以及截屏病害圖像的編號。圖1是某橋梁水下墩柱采用水下視頻檢測的截圖，圖中顯示攝像機下水至水下的距離為8.7m，從圖中能明顯看出墩柱表面有大量的附著物。
圖1 墩柱視頻檢測的截圖
水下視頻檢測系統(tǒng)檢測橋梁時可以采用以下幾種方法：（1）以船只或皮劃艇為載體，將圖像采集設(shè)備放置在船只或皮劃艇上，行至測試位置將水下攝像機通過絞車逐漸下放至水中檢測；（2）水下視頻檢測系統(tǒng)通過潛水員在指定位置下潛，攜帶攝像機對橋梁水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測；（3）采用水下橋梁結(jié)構(gòu)檢測時，水下視頻監(jiān)測系統(tǒng)采用水下機器人搭載的方式（見圖2）。
圖2 水下機器人視頻系統(tǒng)
二、水下機器人檢測的方法
前面在介紹水下視頻系統(tǒng)時介紹了機器人搭載視頻系統(tǒng)的方式，此外水下機器人檢測橋梁水下結(jié)構(gòu)時還可以搭載超短基線定位系統(tǒng)、單波束聲吶、多波束聲吶系統(tǒng)進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)物的掃描、定位和測量工作。
采用水下機器人搭載視頻及多波速二維掃描聲納掃描成像的方法進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)物的檢測。該系統(tǒng)主要功能應(yīng)包括以下幾個方面：
1、水下機器人（ROV）：能夠下潛深度滿足水下檢測要求，能夠通過控制臺控制機器人的運動，機器人應(yīng)采用觀察級機器人；
2、機器人應(yīng)配備導(dǎo)航定位系統(tǒng)，目前通長采用超短基線水聲定位系統(tǒng)。
3、視頻監(jiān)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要搭載在機器人上對結(jié)構(gòu)物的進(jìn)行監(jiān)測，視頻系統(tǒng)能通過控制系統(tǒng)的顯示屏進(jìn)行適時顯示，并按要求能進(jìn)行控制拍攝結(jié)構(gòu)損傷、缺損的照片或視頻資料；
4、二維多波速聲納：在水質(zhì)混濁或想獲得結(jié)構(gòu)物缺損詳細(xì)資料時，聲納對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行二維掃面，對結(jié)構(gòu)的缺損進(jìn)行相對精細(xì)的掃描。
5、水下機器人應(yīng)配備機器手 水下檢測可能會在水中遇到復(fù)雜的檢測環(huán)境，配備基本的機器手可以在檢測過程中進(jìn)行必要的控制和操作。
水下機器人一般包括水下潛器、臍帶纜、水面控制臺、附件工具等幾個部分（見圖3）。水下潛器包括電子倉、起落架、推進(jìn)器、照明燈、視頻攝像系統(tǒng)等部分；水面控制臺包括控制筆記本電腦、液晶顯示屏、完整系統(tǒng)控制軟件、USB手動控制器等部分。目前常見的水下機器人的結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 水下機器人系統(tǒng)
三、水下三維激光掃描系統(tǒng)
目前，雖然水下激光掃描測量系統(tǒng)的作用距離還比較近，但其百倍于聲納的分辨率使得該革命性的技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，國外已經(jīng)廣泛用于水下建模、仿真、目標(biāo)重建、水下結(jié)構(gòu)檢測、大壩橋梁安全評估、海洋油氣、核電站檢測、管道變形檢測等領(lǐng)域。水下激光三維掃描產(chǎn)品目前最好的產(chǎn)品水下激光掃描儀精度能達(dá)到mm級，但其測試距離距結(jié)構(gòu)物距離較近，測試距離在1~5m，而且測試的點云數(shù)據(jù)在構(gòu)建實體模型需要通過CAD或其它專用軟件進(jìn)行處理。
通過三維激光掃描儀安放在待測橋梁結(jié)構(gòu)物附近的不同的測站進(jìn)行三維掃描，并將不同測站的數(shù)據(jù)拼接進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的建?？梢詫崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的檢測。三維激光掃描技術(shù)在實際橋梁水下結(jié)構(gòu)的應(yīng)用案例較少。圖4為三維激光掃描水下結(jié)構(gòu)物的結(jié)果，左側(cè)為水下結(jié)構(gòu)物的實際照片，右側(cè)為采用三維激光掃描生成的掃描圖。
圖4 水下結(jié)構(gòu)物激光掃描結(jié)果對比圖
四、聲吶檢測技術(shù)
目前國內(nèi)外水下目標(biāo)聲納探測技術(shù)已經(jīng)有很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多不同類型、功能各異的聲吶，其中具有高測量效率、高測量精度、高分辨率的多波束勘測技術(shù)適合于大面積的水下測繪作業(yè)。側(cè)掃聲納也是人們常用的水下探測工具。它分為低頻側(cè)掃聲納、高頻側(cè)掃聲納和雙頻側(cè)掃聲納。低頻側(cè)掃聲納非常適合于對水下管線、大推進(jìn)器、沉船等進(jìn)行搜索定位。高頻側(cè)掃聲納可提供高分辨率的圖像，盡管其作用距離比低頻側(cè)掃聲納近一些，但較低頻系統(tǒng)能更詳細(xì)地顯示目標(biāo)的細(xì)微特征，雙頻側(cè)掃聲納同時具有低頻系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離和高頻系統(tǒng)的高精度兩個優(yōu)點。此外還有合成孔徑聲吶掃描技術(shù)也可以用于水下結(jié)構(gòu)物的檢測。
主動聲吶的原理是利用發(fā)射基陣向水中發(fā)射聲脈沖，通過這些脈沖而產(chǎn)生的回聲對水下目標(biāo)進(jìn)行測距、定位以及識別。水下機器人利用搭載的聲吶對水下橋墩進(jìn)行檢測，將機器人游到兩橋墩之間進(jìn)行360°掃描，并且盡量使機器人靜止不動。如下圖5為某橋采用機器人搭載聲吶掃描的圖像，通過對圖像進(jìn)行分析可以對結(jié)構(gòu)物的病害情況進(jìn)行分析。
圖5 某橋墩柱聲吶掃描圖像
此外三維聲吶掃描成像檢測技術(shù)可以通過船舶將聲吶掃描系統(tǒng)隨三角架安放在水下橋梁待測結(jié)構(gòu)物的合適位置進(jìn)行掃描測量，從而對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。三維全景成像聲納可生成水下地形、結(jié)構(gòu)和目標(biāo)的高分辨率圖像。聲吶采用緊湊型低重量設(shè)計，便于在三腳架ROV上進(jìn)行安裝，只需觸動按鈕，三維掃描聲納就會生成水下景象的三維點云。掃描聲納頭和集成的云臺可以生成扇區(qū)掃描和球面掃描數(shù)據(jù)。有史以來第一次，在水下，甚至在低照度或者零可見度的水下環(huán)境，我們可以獲得陸地三維激光掃描一樣的圖像。而且，這種圖像可以與傳統(tǒng)的激光掃描圖像無縫拼接。圖6~圖9為橋梁下部結(jié)構(gòu)采用聲吶進(jìn)行掃描成像的過程圖。
圖6 測量船就位
圖7 聲吶系統(tǒng)安放就位
圖8 聲吶系統(tǒng)掃描工作
圖9 聲吶三維掃描成像結(jié)果
