中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、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)。
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施和交通路網(wǎng)建設(shè)不斷擴(kuò)大和完善，橋梁逐漸成為現(xiàn)代交通不可或缺的重要組成部分，對(duì)于人們的生產(chǎn)和生活發(fā)揮著越來越重要的作用。據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，“十三五”期間中國(guó)建成鐵路橋梁14039座、總里程8864.1公里；截至2022年底，中國(guó)公路橋梁數(shù)量已達(dá)96.11萬座，位居世界首位。我國(guó)已從名副其實(shí)的交通大國(guó)闊步邁向交通強(qiáng)國(guó)。
在復(fù)雜惡劣的外界環(huán)境及載荷的長(zhǎng)期作用下，大型基礎(chǔ)設(shè)施不可避免出現(xiàn)損傷積累，特別是橋墩的損傷會(huì)給整個(gè)橋梁的完整性和安全性造成嚴(yán)重影響，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)其病害并進(jìn)行干預(yù)，很有可能會(huì)引發(fā)橋梁的坍塌事故。通過對(duì)橋墩的病害檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋墩的缺陷和損傷，并采取修復(fù)或加固措施，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，降低維護(hù)成本，提高橋梁的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)能夠?qū)蚨盏慕Y(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評(píng)估，為橋墩的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。
橋墩表觀病害檢測(cè)方法主要包括人工檢查法、無人機(jī)巡檢法與爬壁機(jī)器人檢測(cè)法。人工檢查法是通過檢測(cè)車的吊籃或桁架裝置將檢測(cè)人員及設(shè)備送到橋墩附近進(jìn)行觀測(cè)，此方法會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，存在檢測(cè)精度低、效率低下等缺點(diǎn)。而無人機(jī)巡檢法在進(jìn)行橋墩表面病害檢測(cè)時(shí)因受到拍攝距離的限制，存在無法平穩(wěn)懸停與續(xù)航的問題?，F(xiàn)有的爬壁機(jī)器人在病害檢測(cè)過程中仍然需要人工進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制或路徑規(guī)劃，無法保證其運(yùn)動(dòng)精度。在橋墩表觀病害智能無損檢測(cè)中，目前尚無穩(wěn)定、高效的病害檢測(cè)系統(tǒng)，嚴(yán)重制約著橋墩病害檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。因此，急需研發(fā)新型橋墩病害檢測(cè)系統(tǒng)，改進(jìn)和解決目前橋墩病害檢測(cè)的不足。在傳統(tǒng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合多足協(xié)同控制算法與機(jī)器視覺，構(gòu)建了墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形可重構(gòu)攀爬作業(yè)檢測(cè)機(jī)器人，提出了基于環(huán)形視覺掃描的橋墩全域病害圖像獲取新技術(shù)，研發(fā)了相關(guān)樣機(jī)與產(chǎn)品，有效推動(dòng)了我國(guó)橋墩病害檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。
墩柱結(jié)構(gòu)表觀病害檢測(cè)機(jī)器人新技術(shù)
機(jī)器視覺是使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠模擬和理解人類視覺系統(tǒng)的學(xué)科。它結(jié)合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別和人工智能等多個(gè)領(lǐng)域，旨在開發(fā)算法和技術(shù)，使計(jì)算機(jī)能夠感知、分析及理解圖像或視頻數(shù)據(jù)。
基于以上原理，長(zhǎng)安大學(xué)的一支研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人），設(shè)計(jì)了可重構(gòu)環(huán)形框架機(jī)器人，并根據(jù)其特點(diǎn)，開發(fā)出多足協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，保障環(huán)形框架機(jī)器人的平穩(wěn)爬升，最后搭載多模式病害圖像獲取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋墩病害的非接觸、全域、高效檢測(cè)。
墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由環(huán)形框架機(jī)器人本體、多足機(jī)器人控制系統(tǒng)、多模式病害圖像獲取系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。環(huán)形框架機(jī)器人本體包含可重構(gòu)環(huán)狀架體以及多個(gè)爬行機(jī)構(gòu)，它是病害圖像獲取系統(tǒng)的載體，是整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐；多足機(jī)器人控制系統(tǒng)通過多足協(xié)同控制算法，為每個(gè)爬行機(jī)構(gòu)分配速度，保證機(jī)器人能夠平穩(wěn)爬升；多模式病害圖像獲取系統(tǒng)為多通道圖像采集單元、環(huán)帶面陣相機(jī)掃描單元及環(huán)帶線陣CCD掃描單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)病害圖像的高清獲取；信息交互系統(tǒng)包含系統(tǒng)工作模式及相關(guān)工作參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；圖像處理與病害識(shí)別系統(tǒng)包含對(duì)病害圖像的校正，病害的識(shí)別與量化，完成整個(gè)橋墩表觀病害的數(shù)字化建檔。
圖1 環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)總體框圖
墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
1.便捷性好。環(huán)形框架機(jī)器人采取分體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證機(jī)器人拆卸與運(yùn)輸時(shí)的便捷性。
2.適應(yīng)能力強(qiáng)?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)直徑1.2m-1.5m、柱體上下直徑變換≤70mm范圍內(nèi)所有墩柱結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。
3.檢測(cè)效率高。以10m橋墩為例,進(jìn)行一次無盲區(qū)檢測(cè),時(shí)間不超過40分鐘,且系統(tǒng)具備自動(dòng)化作業(yè)能力。
4.檢測(cè)精度高?？蓪?shí)現(xiàn)0.1mm精度級(jí)別的病害檢測(cè)。
5.定位誤差小。位置定位誤差垂直方向不超過±5cm，水平方向不超過±5mm。
6.通訊能力強(qiáng)。機(jī)器人與地面上位機(jī)之間的通訊距離≥500m。
7.病害識(shí)別速度快。網(wǎng)絡(luò)模型識(shí)別病害速度快，可達(dá)20張/ s。
基于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與機(jī)器視覺的墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高。系統(tǒng)可以兼容大多數(shù)墩柱結(jié)構(gòu)的檢測(cè),包括直徑并不統(tǒng)一的墩柱結(jié)構(gòu)。在圖像采集系統(tǒng)安裝了補(bǔ)光燈板,在采集圖像時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟,不受光線的限制,可實(shí)現(xiàn)全天候、惡劣天氣下的橋梁病害的檢測(cè)。采集的圖像通過SD卡保存至工控機(jī)內(nèi),當(dāng)檢測(cè)結(jié)束后可拆卸下來,便于后期的圖像處理與分析。
工程應(yīng)用
墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人
性能測(cè)試
為驗(yàn)證作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性，在西安市浐灞區(qū)廣運(yùn)橋進(jìn)行了墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人性能測(cè)試，包括機(jī)器人的爬升平穩(wěn)性測(cè)試、爬升高度的精準(zhǔn)性及爬升速度測(cè)試。驅(qū)動(dòng)環(huán)形框架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，通過計(jì)算各個(gè)從電機(jī)相對(duì)于主電機(jī)的高度偏差來測(cè)試機(jī)器人的爬升平穩(wěn)性。通過比較環(huán)形框架機(jī)器人的目標(biāo)爬升高度與實(shí)際爬升高度來測(cè)試爬升高度的精準(zhǔn)性。現(xiàn)場(chǎng)組裝如圖2所示，機(jī)器人性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖3所示。
圖2 現(xiàn)場(chǎng)組裝
圖3 機(jī)器人性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)
測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器人爬升過程中，各個(gè)從電機(jī)相對(duì)于主電機(jī)的高度誤差均在±5cm內(nèi)，沒有出現(xiàn)傾斜程度過大的情況，且運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)會(huì)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的平穩(wěn)爬升。環(huán)形框架機(jī)器人實(shí)際爬升高度有時(shí)略小于期望爬升高度,但誤差最大僅為3cm，爬升10m高的橋墩進(jìn)行全域圖像采集的總時(shí)間不超過40分鐘。實(shí)驗(yàn)表明視覺掃描檢測(cè)機(jī)器人爬升過程穩(wěn)定，爬升速度快，測(cè)試精度高，極大地高了橋梁檢測(cè)的工作效率。
病害圖像采集及病害
識(shí)別測(cè)試
壽春淮河特大橋位于安徽省淮南市,全長(zhǎng)11.84公里,其中主橋長(zhǎng)440米,最大跨度200米,是目前安徽省內(nèi)跨度最大的矮塔斜拉橋。壽春淮河特大橋部分墩柱出現(xiàn)大幅度表觀病害，使用視覺掃描檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行了病害圖像采集測(cè)試與裂縫普查檢測(cè)，在軟件端實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)橋墩的實(shí)時(shí)圖像顯示與存儲(chǔ)。病害檢測(cè)上位機(jī)軟件界面如圖4所示。
圖4 上位機(jī)軟件界面
測(cè)試結(jié)果表明，攀爬機(jī)器人系統(tǒng)能將采集到的圖像按位置信息保存在工控機(jī)中。針對(duì)龐大的橋墩表觀病害圖像，通過構(gòu)建墩柱結(jié)構(gòu)表觀病害數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)病害識(shí)別模型。經(jīng)過訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)模型可以精準(zhǔn)地識(shí)別橋墩?qǐng)D像中的病害，并輔以圖像處理算法進(jìn)行病害的精準(zhǔn)量化，并在軟件端實(shí)現(xiàn)了被檢測(cè)橋梁病害的在線識(shí)別與數(shù)字化建檔。圖5為橋墩病害識(shí)別系統(tǒng)軟件端，圖6為橋墩病害識(shí)別結(jié)果。
圖5 橋墩病害識(shí)別系統(tǒng)軟件界面
圖6 橋墩病害識(shí)別結(jié)果
測(cè)試結(jié)果表明，基于深度學(xué)習(xí)與圖像處理的病害智能識(shí)別與量化系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)、快速地識(shí)別出橋墩表觀病害與數(shù)字化建檔。
綜上所述，墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋墩表觀病害圖像的全域采集，基于深度學(xué)習(xí)與圖像處理的病害智能識(shí)別與量化系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)、快速地識(shí)別出橋墩表觀病害與數(shù)字化建檔。墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)為未來大型基礎(chǔ)設(shè)施的信息化提供了基礎(chǔ)，對(duì)提高墩柱結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)效率，保障墩柱結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
基于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與機(jī)器視覺的墩柱攀爬檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了墩柱結(jié)構(gòu)表觀圖像全域采集,為墩柱結(jié)構(gòu)表觀病害實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)提供一種新的手段。該技術(shù)具有穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，安裝方便、成本低等特點(diǎn)。
建立在深度學(xué)習(xí)與圖像處理基礎(chǔ)上的病害智能識(shí)別與量化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了病害圖像識(shí)別和分析，并進(jìn)行數(shù)字化建檔。該技術(shù)具有病害識(shí)別速度快、病害精度高等特點(diǎn)，為未來橋墩數(shù)字孿生模型的構(gòu)建及病害全生命周期演化追溯的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
目前，墩柱結(jié)構(gòu)環(huán)形視覺掃描攀爬作業(yè)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)大型橋梁工程的病害檢測(cè)和周期性養(yǎng)護(hù)中推廣應(yīng)用，其優(yōu)良的病害檢測(cè)效果與性能指標(biāo)得到應(yīng)用單位的高度認(rèn)可，具有廣闊的工程應(yīng)用前景和技術(shù)推廣價(jià)值。
本文刊載 / 《大橋養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營(yíng)》雜志
2023年 第3期 總第23期
作者 / 王會(huì)峰 趙煜 杜浩
作者單位 / 長(zhǎng)安大學(xué)
