無人機(jī)檢測橋梁解決方案及實例
更新時間：2021-04-10 17:51
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我國共有公路橋梁近100萬座，此外2.2萬公里的高速鐵路中，高鐵橋梁的累積長度超過線路總長的50%。目前中國40%的橋梁已經(jīng)進(jìn)入使用超過25年的老齡期，存在一定的安全隱患需要進(jìn)行檢測。橋梁作為國民經(jīng)濟(jì)的重要樞紐，為保障安全，結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好的橋梁也至少每三年檢測一次。然而橋梁的檢測仍存在諸多問題，如檢測范圍不夠全面細(xì)致、阻塞交通、作業(yè)效率低下、成本高昂、檢測人員存在人身安全隱患等等。如何及時有針對性地進(jìn)行路橋檢測是路橋相關(guān)部門面臨的現(xiàn)實問題。
傳統(tǒng)的“ 體檢” 方式是，將橋梁檢測車開到橋面上，通過伸展出的支架，工作人員爬上工作平臺，然后緩緩降到橋面下，對橋梁進(jìn)行檢測。動輒就要占用幾股車道， 檢查速度慢，工人的安全也面臨風(fēng)險。此外，采用人工望遠(yuǎn)鏡或高倍望遠(yuǎn)鏡對橋梁進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測的方式也在橋梁檢測中有所應(yīng)用。這種方式成本低，易于實施，無安全隱患，且基本不影響正常交通。但由于距離檢測目標(biāo)較遠(yuǎn)，不易發(fā)現(xiàn)橋梁裂縫、結(jié)構(gòu)件脫落等病害，且病害不易準(zhǔn)確定位和描述，也存在檢測盲區(qū)，導(dǎo)致檢測人員工作量巨大。
傳統(tǒng)方法的弊端：
管養(yǎng)部門通常定期對橋梁進(jìn)行檢查，多采用傳統(tǒng)檢測手段，依靠肉眼或者輔助工具（如橋檢車、望遠(yuǎn)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。
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，在梁底板、塔柱、索纜、斜拉索、塔頂避雷針等可及范圍以外，常規(guī)檢測手段和方法存在局限性，可操作的難度非常大，存在檢查盲區(qū)，其中局部盲區(qū)采取人工現(xiàn)場察看檢查，但效率低、難度大、危險系數(shù)高。
隨著航拍技術(shù)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用更多地滲透到各行各業(yè)。以無人機(jī)為載體、人工智能為核心的橋梁智能檢測方案，首先解決無人機(jī)在橋梁底部的精確定位問題，然后通過航線規(guī)劃使無人機(jī)在橋梁底部自主飛行，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行病害自動識別和模型三維重建， 將橋梁的各種病害標(biāo)記在橋梁模型中。
通過橋梁檢測，我們可以確保橋梁的使用安全；及早發(fā)現(xiàn)橋梁病害及異?，F(xiàn)象；為橋梁的維修養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，以適時采取合理的維修加固方法，延長橋梁的使用壽命、提高其承載能力，降低橋梁的維護(hù)費用，或拆除重建；考察橋梁是否能滿足將來運輸量的要求；為橋梁設(shè)計、規(guī)范修訂和完善等提供依據(jù)。
無人機(jī)檢測的優(yōu)勢：
無人機(jī)能夠定點懸停觀測，實時傳輸畫面，且能自控飛行，與常規(guī)檢測相比，具有較多優(yōu)勢。
1、使用成本低。所用的技術(shù)均為比較成熟的技術(shù)，在各領(lǐng)域都已大規(guī)模應(yīng)用，如GNSS導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)碼影像技術(shù)、無線電遙控等技術(shù)等，所有設(shè)備只需電池供電，沒有額外費用，使用成本遠(yuǎn)低于搭架檢測和橋梁檢測車。
2、檢測精度高。多軸飛行器可以搭載高分辨率攝像機(jī)對各種橋梁病害進(jìn)行細(xì)致拍攝，能隨時操控拍攝位置，可進(jìn)行多次，反復(fù)檢測。
3、使用靈活，適應(yīng)范圍廣。外業(yè)只需一臺越野車、一臺筆記本電腦及一臺遙控裝置就可以對大型橋梁進(jìn)行檢測，且不需要專用起降場地，有利于橋梁檢測的日?；M(jìn)行。
4、維修保養(yǎng)方便。機(jī)體為模塊化結(jié)構(gòu)，便于運輸，所搭載的的設(shè)備均為外設(shè)，可方便靈活進(jìn)行升級或更換。
無人機(jī)橋梁快速檢測系統(tǒng)主要由無人機(jī)、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(jī)檢測內(nèi)容：
針對橋梁的鋼索、橋墩、橋墩支座、橋塔、橋腹等部位及螺栓脫落的檢測，無人機(jī)具備諸多的優(yōu)勢。
1. 無人機(jī)可以直接到達(dá)檢測部位，無需其它輔助措施,節(jié)省費用；
2. 檢測橋墩、橋座、橋腹等危險場所，無需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(jī)可以抵近觀察了解更多細(xì)節(jié)；
4. 在橋梁日常巡查時，尤其是城市橋梁,無需封閉道路中斷交通；
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；
6. 隨著無人機(jī)本身技術(shù)的日漸成熟,尤其是飛行安全性得到了保障,無人機(jī)用于橋梁檢測進(jìn)入實用階段。
無人機(jī)在橋梁檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀：
檢測過程通常由兩名技術(shù)人員（一人掌控飛行控制系統(tǒng)，另外一人控制云臺控制系統(tǒng)拍攝照片）配合完成無人機(jī)的飛行和拍攝，然后將獲取到的數(shù)據(jù)回傳至后臺系統(tǒng)中加以處理。目前應(yīng)用無人機(jī)開展橋梁檢測的機(jī)構(gòu)主要是各大科研院所，檢測內(nèi)容主要包括以下幾個方面。
1. 無人機(jī)沿橋梁被檢測面飛行，通過手機(jī)或遙控器等控制設(shè)備完成橋梁底面、柱面及橫梁等結(jié)構(gòu)面的拍攝取證，將采集到的數(shù)據(jù)回傳，為專業(yè)人員分析橋梁裂縫狀態(tài)提供依據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)險情，極大減輕橋梁維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高橋梁檢測維護(hù)效率。裂縫識別精度能達(dá)到亞毫米級，即使0.1毫米的縫隙也可以被識別出來。
2. 無人機(jī)和傳感器配合完成橋梁數(shù)據(jù)采集。其方法是在橋墩和接合處上安放無線傳感器，收集車輛往來時的結(jié)構(gòu)振動等數(shù)據(jù)。無人機(jī)定期在傳感器上方盤旋獲取數(shù)據(jù)，并且航拍橋梁的細(xì)節(jié)照片，上傳到中央計算機(jī)完成數(shù)據(jù)分析。
3. 無人機(jī)在橋梁管理中起到非常重要的補(bǔ)充作用。主要是借助無人機(jī)的空中優(yōu)勢，通過搭載高清照相機(jī)或夜視傳感器設(shè)備，可以有效監(jiān)控橋梁路面病害、堵車、載荷等諸多情況。
現(xiàn)有無人機(jī)平臺在橋梁檢測應(yīng)用中的局限性：
1. 在進(jìn)行特殊橋梁特定部位的檢測時，無法進(jìn)行有效的航線規(guī)劃，尤其是規(guī)劃精度無法達(dá)到橋梁檢測的需求；
2. 目前通常的做法是采用人工飛行來滿足橋梁日常檢測，但是在抵近觀察的同時，人工控制也存在諸多問題，如飛行員近距離長時間觀看視頻會產(chǎn)生眩暈感；
3. 當(dāng)飛行達(dá)一定高度和遠(yuǎn)度后，易與遠(yuǎn)空背景形成融合，無法有效的對飛行狀況進(jìn)行監(jiān)控；
4. 飛行位置與觀察部件的距離無法進(jìn)行有效地把控；
5. 由于橋梁結(jié)構(gòu)的相似性，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)無法與橋梁實體結(jié)構(gòu)具體部位關(guān)聯(lián)。
無人機(jī)橋梁檢測系統(tǒng)介紹：
地面站系統(tǒng)。整個地面站系統(tǒng)基于客戶端/服務(wù)器模式(C/S)，客戶端完成數(shù)據(jù)采集、控制和接入功能，服務(wù)器端完成數(shù)據(jù)管理、分析的核心功能。同時支持系統(tǒng)的在線、離線顯示。
與無人機(jī)通訊功能。地面站隨時保證與無人機(jī)平臺系統(tǒng)的通訊，具備信息的收、發(fā)功能，在整個飛行過程中暢通無阻，實時、可靠地傳輸所有數(shù)據(jù)。
遇險自動返航/一鍵返航。智能判斷非正常的控制信號丟失情況，做出適當(dāng)?shù)氖Э乇Ｗo(hù)處理。當(dāng)飛機(jī)全自動執(zhí)行飛行任務(wù)時，即使無線信號丟失，飛機(jī)也會繼續(xù)完成預(yù)設(shè)的航線飛行任務(wù)；當(dāng)飛機(jī)處于使用者手動控制下，而發(fā)生丟失控制信號的情況后，飛機(jī)會保持原地自主懸停，并在超過10秒后信號仍未恢復(fù)情況下，精確找到起飛點，以最安全的路線和高度，自動返回起飛點上空懸停，給飛行系統(tǒng)設(shè)備提供一個強(qiáng)大的安全保障。除此以外，用戶也可以隨時點擊返航按鈕，系統(tǒng)將立即中斷當(dāng)前的飛行任務(wù)，命令飛機(jī)開始返航。
橋梁三維模型(3D) 導(dǎo)入?；跇蛄簷z測的實際應(yīng)用，支持將橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的3D圖導(dǎo)入到地面站系統(tǒng)中，并且在導(dǎo)入的3D圖中可以實現(xiàn)對橋梁檢測點的自助構(gòu)件編號。
基于3D模型圖進(jìn)行路徑規(guī)劃。在系統(tǒng)中導(dǎo)入的3D坐標(biāo)可以直接轉(zhuǎn)換為無人機(jī)接入的坐標(biāo)，無人機(jī)在飛行和航線定制時，可以直接參考該坐標(biāo)，完成路徑規(guī)劃、自主飛行功能。
視頻回傳。在無人機(jī)飛行過程中，系統(tǒng)可以實時將無人機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)回傳到地面站系統(tǒng)，客戶可以將應(yīng)用軟件安裝在移動端，如手機(jī)或者平板電腦，然后通過手機(jī)或平板電腦在線查看圖像數(shù)據(jù)。
微定位。在無人機(jī)飛行過程中，通過系統(tǒng)指定3D坐標(biāo)結(jié)合飛行數(shù)據(jù)，如飛行高度、距離、速度等綜合數(shù)據(jù)計算出無人機(jī)當(dāng)前的飛行位置，完成微坐標(biāo)定位。在得到自動定位后根據(jù)部件指定的拍攝點自動開啟圖像采集功能。
告警及處置?？蓪崟r接收顯示空中視頻圖像和詳盡的飛行器遙測數(shù)據(jù)，對信號不良、電池電量不足、空中風(fēng)力變化等重要問題自動報警提示和處理。
自動避障系統(tǒng)。采用全新的視覺傳感導(dǎo)航系統(tǒng)，可感知附近障礙物，讓飛行器主動躲避。內(nèi)置功能強(qiáng)大的處理核心，配備五組視覺超聲波組合傳感器，輔以先進(jìn)的視覺算法，保證整個檢測航線的安全飛行。
高精度視覺定位。系統(tǒng)提供高精度立體視覺算法，近地面定位精度可達(dá)厘米級。在復(fù)雜地形和高速飛行條件下均可提供定位信息。視覺定位系統(tǒng)的有效高度高達(dá)20米。
多方向感知障礙物。將飛控系統(tǒng)與自動避障系統(tǒng)結(jié)合，讓自動飛行更加安全可靠，使飛行平臺具備自動躲避障礙能力的同時，通過視覺和超聲波傳感器，能實 時監(jiān)測周邊環(huán)境信息。視覺傳感器可以遠(yuǎn)距離、高精度感測多種障礙物，而超聲波傳感器作為補(bǔ)充，可識別玻璃、樹葉等難以感測的障礙物。避障系統(tǒng)將數(shù)據(jù)反饋回飛行控制系統(tǒng)后，飛行平臺停止往障礙物方向飛行。
多傳感器融合帶來更高可靠性。避障系統(tǒng)的五個視覺傳感模塊的數(shù)據(jù)被自動融合，并且自動選擇單目或者雙目視覺算法以達(dá)到出色的定位效果。因此某個方向的感應(yīng)信息缺失不會對整個系統(tǒng)造成影響，給飛行平臺帶來了強(qiáng)大的避障可靠性。
橋梁檢測航線規(guī)劃。在系統(tǒng)輸入橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合包含地理信息數(shù)據(jù)的3D結(jié)構(gòu)圖，針對需要檢測的部位對飛行航線進(jìn)行規(guī)劃。
1)根據(jù)實際檢測需要，系統(tǒng)可以定點標(biāo)注航點，線路規(guī)劃支持設(shè)置多個航點，航點間設(shè)置航向，完成整個自動檢測線路的規(guī)劃。
2)飛行選擇設(shè)置自適應(yīng)協(xié)調(diào)模式，在自適應(yīng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎模式下，飛行器會為不偏離航線而自動減速，完成最優(yōu)橋梁外側(cè)檢查點檢測及圖像獲取。
3)無人機(jī)通過地面站控制，完成定點拍照功能，通過定點拍照可以更加精確的獲取指定部位的靜態(tài)照片，得到更加清晰的圖像數(shù)據(jù)。
4)支持飛行任務(wù)導(dǎo)出功能，在完成整個復(fù)雜的航線任務(wù)規(guī)劃后，系統(tǒng)支持將當(dāng)前所有的航線參數(shù)導(dǎo)出并保存為文件。
5)支持飛行任務(wù)導(dǎo)入功能，根據(jù)飛行軌跡,形成完整的檢測航線記錄。作為下次檢測航線。
模擬航點及指定拍攝點設(shè)置示意圖如下：
橋梁模擬航線及拍攝點邏輯示意圖
全自動與人工控制：
1)可沿自動設(shè)置的線路飛行。
自動飛行及數(shù)據(jù)采集處理示意圖
2)手動飛行。
人工搖控?zé)o人機(jī)橋梁飛行現(xiàn)場
自動病害識別。通過對視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析處理，確定所檢測對象是否達(dá)標(biāo)，各關(guān)鍵節(jié)點是否出現(xiàn)病害等。
自動生成檢測報告。
對所有檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比之后，得出檢測的初步結(jié)果，并對所有的結(jié)果按格式錄入報告系統(tǒng)。
報告系統(tǒng)主要集成如下幾個功能：
（1）橋梁健康狀況評估。根據(jù)檢測結(jié)果與參考結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)合BCIm計算模型進(jìn)行判定。II~IV得出橋梁健康狀況A~E級，I類為合格或者不合格。
?。?）報告模板編輯功能?？啥x橋梁常規(guī)或定期檢測報告?；灸０灏ㄈ缦聨撞糠?
（a）工程概況；
?。╞）檢測目的、內(nèi)容及依據(jù)；
?。╟）儀器設(shè)備及參加人員；
?。╠）橋梁部件、構(gòu)件劃分及編號；
?。╡）檢查結(jié)果；
?。╢）無損檢測；
?。╣）橋梁技術(shù)狀況評定；
?。╤）病害匯總及成因分析；
?。╥）結(jié)論與建議；
?。╦）詳細(xì)檢測結(jié)果附錄等。
?。?）數(shù)據(jù)調(diào)用及報告成生。完成報告模板建立后，系統(tǒng)自動檢索數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)項目數(shù)據(jù)并填充至報告中，自動完成報告。
?。?）歷史定期檢測數(shù)據(jù)展示。建立橋梁測量數(shù)據(jù)檔案，對在案的橋梁數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，將橋梁日常變遷及所有參數(shù)變化軌跡進(jìn)行記錄和展示。
應(yīng)用實例：
螺栓脫落檢測：通過視頻處理將脫落的螺栓點進(jìn)行對比后，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的脫落點。采用原始圖像數(shù)據(jù)對脫落點進(jìn)行展示并形成最終報告。
螺栓脫落病害視頻幀截圖
橋體裂縫檢測：通過高清攝像頭拍攝對應(yīng)裂縫，經(jīng)過圖片分析后，生成檢測，對于裂縫長度、寬度可進(jìn)行集中標(biāo)注，使審閱者在審查橋梁結(jié)構(gòu)時，可以針對索搭、橋塔、橋腹、支座等特殊部位進(jìn)行有效分析，評估裂縫對整個橋梁結(jié)構(gòu)造成的病害更加直觀、清晰。
橋梁裂縫病害
纜索PE護(hù)層破損檢測：對PE護(hù)層進(jìn)行實時圖像抓取，可以及早有效的發(fā)現(xiàn)PE防護(hù)層的開裂及脫落情況，及時有針對性的對受損部位進(jìn)行修復(fù)處理，預(yù)防內(nèi)部受力件受侵蝕而失效或者損壞。
纜索PE護(hù)層脫落病害
支座滑移檢測：通過無人機(jī)對構(gòu)件進(jìn)行多角度拍攝，由軟件自動生成支座的三維立體圖形，通過對圖形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對支座滑移病害進(jìn)行有效分析及展示。
橋梁支座滑移病害
橋梁三維輪廓生成：通過對橋梁構(gòu)件多角度拍攝，根據(jù)圖像由軟件自動生成三維立體圖形，將三維圖形導(dǎo)出后可形成高精度的橋梁三維模型，橋梁三維模型可作為公路橋梁檔案保存，以便將來為維修工作提供技術(shù)參考。
注意事項：
1、無人機(jī)檢測一般由２名專業(yè)技術(shù)人員分別控制機(jī)身運動、檢測攝像２部分進(jìn)行飛行和數(shù)據(jù)采集。起飛前，無人機(jī)需放置平穩(wěn)，調(diào)試各系統(tǒng)確保開機(jī)運行正常后，統(tǒng)一指令調(diào)度起飛。在飛行過程中，根據(jù)檢測對象的差異控制不同的安全距離。橋墩和塔柱一般控制在５米左右，纜索和鋼構(gòu)件等地形復(fù)雜部位一般控制在10米左右，具體安全距離需結(jié)合現(xiàn)場情況確定。
2、無人機(jī)空間位置信息、攝錄畫面實時顯示在地面站系統(tǒng)的監(jiān)控屏幕上，檢測人員根據(jù)監(jiān)控初步判斷檢測對象是否存在病害。若存在，檢測人員根據(jù)病害程度，選擇無人機(jī)懸停進(jìn)行局部高清拍照或繼續(xù)前進(jìn)。無人機(jī)飛行控制、攝像系統(tǒng)采用無線傳輸信號進(jìn)行控制，檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存儲在無人機(jī)機(jī)身，有效避免長距離無線傳輸引起的數(shù)據(jù)衰減或干擾。
3、檢測過程受日照方向、風(fēng)速、天氣狀況等影響較大，一般應(yīng)選擇檢測對象迎光面，采集圖像數(shù)據(jù)較為清晰，避免出現(xiàn)逆光，提高數(shù)據(jù)采集成功率。一般選擇在晴天無風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行檢測，盡量減少環(huán)境因素影響，降低檢測過程的安全風(fēng)險。
4、通過現(xiàn)場無人機(jī)數(shù)據(jù)采集后，將圖像等數(shù)據(jù)下載，利用視頻和圖像處理軟件，分析并確定發(fā)現(xiàn)病害的具體位置和病害尺寸等，然后根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（ＪＴＧ／Ｔ Ｈ２１－ ２０１１）等相關(guān)規(guī)范，對檢測對象的構(gòu)件進(jìn)行評定。
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