季云峰，王曉菲

（1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海市 200092；2.寧波交投公路營運(yùn)管理有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

近三十年來，斜拉橋因其優(yōu)美的外形、強(qiáng)大的跨越能力，逐步成為大跨徑橋梁中的最重要形式之一。斜拉索作為斜拉橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其在運(yùn)營狀態(tài)下的可靠性是至關(guān)重要的。在長期環(huán)境因素下，斜拉索護(hù)套會出現(xiàn)不同程度的缺陷，比如老化、開裂、坑洞等，從而影響內(nèi)部斜拉索鋼絲的耐久性甚至力學(xué)性能，給斜拉橋的安全運(yùn)營帶來不利。因此，有必要對斜拉索進(jìn)行定期的檢測，以確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

目前，斜拉索檢測技術(shù)主要分為表觀缺陷檢測與內(nèi)部狀況檢測。表觀缺陷檢測主要通過檢測拉索護(hù)套表面的缺陷情況來推測拉索的受力性能。內(nèi)部狀況檢測通常使用無損檢測技術(shù)，例如：射線法、磁通量法等。傳統(tǒng)拉索檢測包括：人工目測法、搭設(shè)支架法、卷揚(yáng)機(jī)探傷法，以及吊籃檢測維護(hù)四類。這四種方法效率低，成本高，存在安全隱患，其結(jié)果也具有較大的主觀性，只能作為輔助檢測手段?，F(xiàn)開發(fā)了能夠自動沿拉索爬升并完成斜拉索表觀檢測任務(wù)的智能檢測機(jī)器人。該機(jī)器人能夠很好地解決斜拉索表觀檢測中存在的主觀、效率、安全等局限性，促進(jìn)了橋梁智能化檢測技術(shù)的發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

近年來，國內(nèi)外在斜拉索表觀檢測機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)上已經(jīng)做了一定的探索，并累積了不少經(jīng)驗，其中部分也已經(jīng)應(yīng)用到工程實(shí)例中，取得了一定的效果。

上海交通大學(xué)的Jun Luo 等[1]研發(fā)了可進(jìn)行表觀檢測的爬索機(jī)器人，但該裝置自重較大，安裝繁瑣，速度較慢，效率較低。袁建明等[2]基于漏磁法開發(fā)了斜拉索檢測機(jī)器人，可對拉索的內(nèi)部銹蝕、斷絲病害進(jìn)行檢測，但其仍存在自重大，速度慢的問題。江蘇法爾勝公司[3]開發(fā)的爬索機(jī)器人，可在復(fù)雜的拉索表面運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，已應(yīng)用于實(shí)際工程。Xinke Li 等[4]開發(fā)了一種基于視覺檢測技術(shù)的拉索機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)拉索表觀缺陷圖像的識別，但其構(gòu)造較為復(fù)雜。

總的來說，斜拉索表觀檢測機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，其特征趨勢也向著輕型化、便捷安裝、行進(jìn)快速、缺陷自動識別的方向發(fā)展。

2 斜拉索表觀檢測機(jī)器人的研究與開發(fā)

現(xiàn)以斜拉索表觀缺陷檢測為研究對象，開發(fā)了能夠自動沿拉索爬升并高質(zhì)量完成斜拉索表觀檢測任務(wù)的智能檢測機(jī)器人，具備了自重輕、速度快、續(xù)航長、效率高、安全度高等主要優(yōu)點(diǎn)，具有較大的工程實(shí)用價值。

2.1 總體設(shè)計

斜拉索表觀檢測機(jī)器人主要可分為驅(qū)動系統(tǒng)與圖像系統(tǒng)，同時包含了障礙檢測模塊，無線傳輸通信模塊等，如圖1 所示。

圖1 斜拉索表觀檢測機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)圖示

驅(qū)動系統(tǒng)具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力，使機(jī)器人能克服自重在不同傾斜角度的斜拉索上自主爬升。同時，驅(qū)動系統(tǒng)能夠克服一定程度的拉索振動和表面雨水的影響。圖像系統(tǒng)的功能是穩(wěn)定地采集斜拉索的表觀狀況，并對斜拉索表觀典型缺陷進(jìn)行自動化識別。此外，為保證檢測機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)用中的正常運(yùn)行，配備了障礙檢測系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、里程定位系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)等，以提高裝置的實(shí)用性。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

該項目開發(fā)的斜拉索表觀檢測機(jī)器人具備了輕型化、便捷安裝和拆卸、行進(jìn)速度快等特點(diǎn)。主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）平臺尺寸：800 mm×260 mm×420 mm；（2）本體重量：12 kg；（3）負(fù)載能力：10 kg；（4）適用纜索斜度：0°～90°；（5）適用纜索直徑范圍：90～160 mm；（6）驅(qū)動方式：電機(jī)驅(qū)動；（7）最大爬升速度：18 m/min；（8）滿電量有效運(yùn)行距離：≥1 000 m；（9）遙控器可控距離：≥1 000 m；（10）最大跨越障礙能力10 mm；（11）圖像最高分辨能力0.2 mm。

2.3 驅(qū)動系統(tǒng)

該裝置驅(qū)動系統(tǒng)采用前后雙輪驅(qū)動方式，2 個驅(qū)動輪和2 個輔助輪的設(shè)計可適應(yīng)不同直徑和不同螺旋線分布的拉索檢測場景。相機(jī)支架采用碳纖維桿結(jié)構(gòu)，重量輕、強(qiáng)度高。大面積可調(diào)遮光板能遮擋直射相機(jī)的光線，使相機(jī)成像較為清淅。機(jī)器人側(cè)面支架上增加導(dǎo)向輪，使機(jī)器人在斜拉索上運(yùn)行時更不易跑偏，跑偏時也能保證正常爬行。同時，該系統(tǒng)將機(jī)器人平臺的重心放在索體下方，確保機(jī)器人運(yùn)行的姿態(tài)穩(wěn)定性。驅(qū)動系統(tǒng)的基本構(gòu)造見圖2 所示。

圖2 驅(qū)動系統(tǒng)基本構(gòu)造圖

2.4 圖像系統(tǒng)

圖像系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)由直流電源、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、工業(yè)相機(jī)、遮光組件、輔助支架構(gòu)成。整個圖像采集系統(tǒng)均布在拉索徑向表面，并且可根據(jù)拉索的直徑大小調(diào)整相機(jī)位置。圖像處理系統(tǒng)能夠自動存儲采集系統(tǒng)的照片，并對圖像進(jìn)行缺陷的自動化識別。圖3 為圖像采集系統(tǒng)架構(gòu)與圖像處理系統(tǒng)的軟件界面。

圖3 圖像采集與分析系統(tǒng)圖示

圖像處理系統(tǒng)中對于斜拉索表觀缺陷的識別包括以下幾個步驟：光照補(bǔ)償、異常提取、剔除護(hù)套邊緣、剔除護(hù)套螺旋線和缺陷提取。現(xiàn)分別對其介紹如下。

2.4.1 光照補(bǔ)償

圖像處理中的光照補(bǔ)償方式是直方圖均衡法。通過改變所采集圖像的直方圖來改變圖像中各像素的灰度，增強(qiáng)動態(tài)范圍偏小的圖像的對比度，便于后續(xù)的處理。

2.4.2 異常提取

將光照補(bǔ)償后的圖像，通過高斯濾波、邊緣檢測，再進(jìn)行圖像二值化處理得到異常區(qū)域。

首先，斜拉索表觀病害信息一般在圖像里都是高頻信息，采集到的圖像經(jīng)過光照補(bǔ)償處理后仍存在一定的噪聲。這里采用高斯濾波器對于圖像先進(jìn)行平滑處理。處理后的圖像就會過濾掉因采集原因帶來的高頻毛刺等干擾信息，并且保留因下拉索而缺陷的信息。

其次，用Sobel 算子對圖像進(jìn)行邊緣檢測，提取斜拉索圖像特征區(qū)域。

最后，對邊緣檢測后圖像進(jìn)行二值化處理。邊緣檢測結(jié)果表示灰度值低的邊緣信息弱、灰度值高的地方邊緣信息強(qiáng)。故需濾掉邊緣檢測出較弱的響應(yīng)，從而提取出圖像的異常區(qū)域。

2.4.3 剔除護(hù)套邊緣

圖像處理系統(tǒng)在識別出異常區(qū)域后，采用Hough直線檢測算法來一步剔除護(hù)套兩側(cè)的邊緣線。

2.4.4 剔除護(hù)套螺旋線

斜拉索表觀異常區(qū)域中包含了表面正常的、防風(fēng)雨振的螺旋線信息，處理系統(tǒng)采用模板匹配算法來剔除上述信息。將典型螺旋線的目標(biāo)圖片作為模板，在采集到的斜拉索圖片中進(jìn)行遍歷匹配，提取匹配響應(yīng)較強(qiáng)區(qū)域，作為螺旋線區(qū)域，即可將其在圖像中剔除。

2.4.5 缺陷提取

采集的圖像經(jīng)過以上步驟的處理后，計算保留下來的像素區(qū)域大小，若大于一定閾值，則認(rèn)為原始圖像中存在缺陷區(qū)域，作出提示并保留最終的缺陷識別后圖像結(jié)果。

圖像處理系統(tǒng)對于識別出的表觀缺陷，可以計算出其病害數(shù)量、病害長度及病害面積，最終生成一個病害統(tǒng)計表。具體計算流程如下：（1）進(jìn)行圖像膨脹處理；（2）計算連通域，根據(jù)閾值過濾掉面積較小的連通域，并統(tǒng)計病害實(shí)例個數(shù)；（3）進(jìn)行輪廓提取，用有序的輪廓點(diǎn)來表示病害形狀；（4）根據(jù)輪廓點(diǎn)信息進(jìn)行長度面積計算；（5）生成檢測任務(wù)的病害統(tǒng)計表。

2.5 實(shí)橋測試

為了測試斜拉索表觀檢測機(jī)器人的現(xiàn)場作業(yè)性能，在寧波象山港大橋和清水浦大橋共選取了3 根代表性的斜拉索進(jìn)行了實(shí)橋測試。3 根斜拉索基本情況分別為：1# 斜拉索——象山港大橋A21 斜拉索，長度345 m 傾斜角26.7°；2#斜拉索——象山港大橋A1 斜拉索，長度101 m，傾斜角78.8°；3# 斜拉索——清水浦大橋MCW17 斜拉索，長度223 m，傾斜角23.8°。

在3 根斜拉索現(xiàn)場測試過程中，智能檢測機(jī)器人工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠自動爬升和下降，爬升和下降過程中無較大幅度的晃動和打滑現(xiàn)象（甚至在小雨環(huán)境下），行走速度15～18 m/min，下降速度較爬升速度略快，機(jī)器人行走速度隨著斜拉索角度的增大略有降低，且整個測試過程圖像采集平穩(wěn)。缺陷識別結(jié)果如下所列。

（1）對于1#斜拉索，1#相機(jī)在141.06 m 處，識別出凹槽形態(tài)病害；在243.56 m 處，識別出起皮形態(tài)病害，形態(tài)范圍都較準(zhǔn)確。3#相機(jī)在3.44 m 處，識別出深度劃痕形態(tài)病害。

（2）對于2# 斜拉索，3# 相機(jī)在14.25 m 處，識別出坑洞形態(tài)病害；在2.14 m 處，識別出凹槽形態(tài)病害。1#相機(jī)在2.29 m 處，識別出腐蝕形態(tài)病害。

（3）對于3# 斜拉索，1# 相機(jī)在3.34 m 處，識別出凹槽形態(tài)病害。3# 相機(jī)在6.71 m 處，識別出深劃痕形態(tài)病害。2#相機(jī)在30.66 m 處，識別出坑洞形態(tài)病害。

以3# 斜拉索缺陷識別結(jié)果為例，表1 列出了斜拉索檢測機(jī)器人檢測出的凹槽、劃痕、坑洞缺陷識別過程與結(jié)果。

表1 3# 斜拉索典型表觀缺陷識別結(jié)果表

實(shí)橋測試的結(jié)果表明：檢測機(jī)器人沿著在不同傾角和不同表面干濕狀態(tài)的斜拉索快速而平穩(wěn)地爬升和下降，在接近橋塔表面后自動返回，在接近橋面時自動停止；機(jī)器人的圖像系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地、完整地采集斜拉索表面的典型缺陷，并能夠自動識別缺陷和其幾何特性。

3 結(jié)語

本文以斜拉索表觀檢測為研究對象，開發(fā)了能夠自動沿拉索爬升并完成斜拉索表觀檢測任務(wù)的智能檢測機(jī)器人，具備了小型化、快速自爬行、高質(zhì)量圖像采集、缺陷自動化識別等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的工程應(yīng)用價值。