孫欽剛

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

如何提高橋梁的安全性、耐久性和可靠性，是橋梁施工和維護的重點。為了防止事故的發(fā)生，必須采取行之有效的措施檢測和評價橋梁的安全性。目前，國內(nèi)對橋梁進行檢測大多還停留在傳統(tǒng)方法上。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，采用新技術(shù)、新設(shè)備，降低橋梁檢驗成本、提高橋梁檢驗質(zhì)量，已成為許多橋梁運營及維護單位追求的目標(biāo)。正是在此背景下，無人機橋梁檢測技術(shù)逐漸引起了人們的重視。本文以實際案例為基礎(chǔ)，對無人機在橋梁檢測中的應(yīng)用進行檢驗，并針對目前無人機在橋梁檢測中的優(yōu)勢和不足進行深入剖析，為橋梁的安全防護工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 傳統(tǒng)橋梁檢測方式概述

1.1 橋梁檢測作業(yè)分類

橋梁檢測主要是對橋梁的構(gòu)造和外觀進行評價。在檢測橋梁的性能時，往往需要借助望遠(yuǎn)鏡、真橋檢車等儀器設(shè)備。橋梁檢測作業(yè)可分為日常巡檢、經(jīng)常巡檢、定期檢測和專項檢測。

其一，在進行日常巡檢時，通常是采用目測的方法，查看橋梁有無構(gòu)件或部件損傷，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否有異常變化。

其二，經(jīng)常巡檢過程要的是“事實描述”,也就是只描述眼睛看到的是什么,不做過多追究。一般來講，經(jīng)常巡檢的破損情況主要包含正常、一般異常和嚴(yán)重異常三種。針對一般異常狀況需要給予及時監(jiān)測，以此來為后續(xù)檢測做準(zhǔn)備，對于嚴(yán)重異常的情況需要針對性地采取措施，而在巡檢之后無法確定具體破損原因的，需要進行定期檢測或者專項檢測。

其三，在進行定期檢測時，需要嚴(yán)格按照規(guī)定要求來對建筑結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)進行全方位檢測。定期檢測是為養(yǎng)護計劃的制訂提供依據(jù)，因此在進行定期檢測時，需要適當(dāng)?shù)妮o助工具設(shè)備,對發(fā)現(xiàn)的病害做“定量描述”,同時還要判斷病害的進一步發(fā)展趨勢。如,結(jié)構(gòu)裂縫,長多少?寬多少?深多少?是否會繼續(xù)發(fā)展?再比如,橋墩傾斜,傾斜程度多大?是否會繼續(xù)傾斜?還要留存必要的影像記錄。

其四，專項檢測，在進行專項檢測時，需要結(jié)合日常巡檢、經(jīng)常巡檢和定期檢查的具體結(jié)果來針對缺損與病害檢測，借助專項檢測能夠全面掌握破損病害的詳細(xì)信息，能夠為后續(xù)措施的實施提供依據(jù)。

1.2 傳統(tǒng)橋梁檢測相關(guān)設(shè)備

目前對橋梁的檢測主要采用目測和手工操作的方式，多數(shù)橋梁檢測單位會輔助使用望遠(yuǎn)鏡、梁下維修桁車、登高車、橋塔維修吊臺等常見的橋梁檢測設(shè)備。隨著橋梁檢測技術(shù)的發(fā)展，檢測方法及設(shè)備也在不斷豐富和增加，并逐步向智能化發(fā)展，新型檢測設(shè)備主要有纜索機器人、水下機器人、無人機等。

1.3 橋梁檢測手段發(fā)展方向

在橋梁檢測工作中，存在著任務(wù)重、風(fēng)險大、成本高等一系列難點。傳統(tǒng)人工檢測方法易受橋型和地理條件的影響，風(fēng)險成本高、效率低。為此，今后的橋梁檢測方法需要著重解決如下問題。

1.3.1 提升檢測效率

傳統(tǒng)橋梁檢測方式主要是以人力為主，檢測效率受個人的經(jīng)驗、能力、積極性、責(zé)任感及檢測平臺的移動速度等因素的影響，不能有效實現(xiàn)對懸索橋和大跨度高墩橋等特殊結(jié)構(gòu)橋梁的橋面底板、高聳塔柱、斜拉索和塔頂結(jié)構(gòu)的檢測。由于地形條件的限制，對于高凈空橋梁和涉水橋梁的日常檢測，以及對橋梁支座和橋下情況的全方位觀察都有一定的困難。由于受到監(jiān)測手段和監(jiān)測頻次的制約，傳統(tǒng)檢測方法很難建立起常規(guī)、高頻次的監(jiān)測機制，對于雖小但累積效應(yīng)明顯的損害，往往不能做到及時檢測，不利于風(fēng)險防控。

1.3.2 提高安全系數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，病害多樣，在進行檢測時，需要檢測人員靠近橋梁各檢測部位進行觀察，往往需要進行高空作業(yè)，存在一定的安全風(fēng)險，因此，可充分發(fā)揮無人機等機械設(shè)備的靈活性，完全覆蓋檢測盲區(qū)，對橋墩、橋腹、索塔等人工檢測存在較高風(fēng)險的部位進行檢測，可提高檢測工作的安全系數(shù)。

1.3.3 降低檢測成本

傳統(tǒng)的檢測方法往往需要采用輔助手段才能接近被測點，耗時、耗力，且需要配備較多檢測設(shè)備，綜合檢測成本較高。

1.3.4 提升數(shù)據(jù)分析保存效率

當(dāng)前，橋梁的檢測數(shù)據(jù)在分析與保存上存在著較大的不足。首先，在當(dāng)下的橋梁檢測過程中主要依靠人工對病害種類、部位和程度等進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，這樣的數(shù)據(jù)分析效率低，且受到工作人員技術(shù)水平的限制使得當(dāng)下的橋梁檢測數(shù)據(jù)分析保存效率無法得到突破。其次，當(dāng)下主要以圖檔和書面記錄的方式保存橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、構(gòu)件病害和其他技術(shù)數(shù)據(jù)，這樣的保存方式查閱起來很麻煩，且沒有直觀感覺。最后，由于橋梁的歷史資料，例如病害的演變過程、維修記錄等，分散在各個技術(shù)檔案中，且完整性較差，從而影響了維修工作的整體協(xié)調(diào)。

2 無人機橋梁檢測特征

2.1 無人機橋梁檢測系統(tǒng)構(gòu)成

將無人機用于橋梁的檢測，需要建立一套完善的無人機橋梁檢測系統(tǒng)，將無人機、任務(wù)載荷系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等有機地組合起來，才能更好地發(fā)揮其檢測功能。從無人機結(jié)構(gòu)分析，目前可用于橋梁檢測的民用無人機可分為旋翼無人機、撲翼無人機和固定翼無人機。旋翼無人機是一種利用螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)進行驅(qū)動的飛機，其構(gòu)造簡單，可垂直起降，可在較復(fù)雜的環(huán)境中工作，所以多采用旋翼無人機進行橋梁檢測。

2.2 無人機橋梁檢測技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的橋梁檢測方法比較，無人機可以掛載檢測裝置，并在空中進行檢測，其技術(shù)優(yōu)勢更加明顯。利用其強大的機動能力，可以方便快捷地檢測常規(guī)檢測方法無法檢測的區(qū)域，從而彌補了常規(guī)檢測方法存在的缺陷和盲區(qū)。從便捷性上分析，無人機結(jié)構(gòu)比較簡單，體積小，重量輕，便于攜帶和維修。相對于傳統(tǒng)的檢測儀器，無人機的造價要便宜很多，而且在檢測過程中不需要封鎖道路，也不會對交通造成干擾。從安全性上分析，檢測人員只需遙控?zé)o人機對橋梁進行檢測，從而降低了安全風(fēng)險。在進行日常巡檢、經(jīng)常巡檢時，無人機可以有效地提高維護人員的巡查工作效率。

2.3 無人機橋梁檢測技術(shù)流程

以美國的無人機橋梁檢測技術(shù)為例，將無人機橋梁檢測工作分為五個階段，即橋梁信息分析、場地風(fēng)險評估、無人機前期準(zhǔn)備、無人機檢測和損傷識別。韓國交管局將無人機的檢測工作分為三個階段，即測前準(zhǔn)備階段、檢測階段和測后數(shù)據(jù)處理階段。在測前準(zhǔn)備階段，主要是制訂檢測計劃，對橋梁的基礎(chǔ)資料進行初步的了解；在檢測階段，由相應(yīng)的技術(shù)人員操縱無人機前往所設(shè)定的檢測地點，進行具體的影像采集；在測后數(shù)據(jù)處理階段，主要是對圖像數(shù)據(jù)進行分析和評價，從而判斷橋梁狀態(tài)和損傷程度。兩國對無人機橋梁檢測技術(shù)流程進行了不同的階段劃分，不過檢測的過程和內(nèi)容卻是大同小異[1]。

3 無人機在橋梁檢測中的優(yōu)劣勢分析

3.1 優(yōu)勢分析

相對于傳統(tǒng)的檢測方法而言，無人機在橋梁檢測中具有如下優(yōu)點。

3.1.1 效率高

借助無人機能夠很輕松地到達(dá)人工無法達(dá)到的位置，能夠針對橋梁的具體細(xì)節(jié)位置進行反復(fù)采樣，且能夠有效縮短橋梁檢測的時間，檢測效率較高。

3.1.2 靈活性強

借助無人機進行橋梁檢測的方案較為靈活，一般都會配備多個預(yù)備方案，同時還會根據(jù)現(xiàn)場的實際狀況進行方案調(diào)整，檢測人員能夠通過后臺針對檢測方案進行及時修正[2]。

3.1.3 成本低

借助無人機展開橋梁檢測不需要投入大量的人力與物力成本，只需要檢測人員掌握無人機操作技術(shù)，即可實現(xiàn)對橋梁病害狀況的檢測，能夠有效控制設(shè)備消耗費用。

3.1.4 安全性強

借助無人機能夠有效代替人力在橋座、橋墩以及橋腹等相對危險位置的檢測工作，控制人工操作產(chǎn)生的風(fēng)險。

3.2 劣勢分析

3.2.1 容易受環(huán)境因素影響

無人機在對橋梁進行檢測時，由于大風(fēng)、電磁等環(huán)境因素的干擾，會導(dǎo)致其飛行穩(wěn)定性降低，從而降低檢測結(jié)果的精度[3]。

3.2.2 受無人機配置條件影響較大

無人機的配置不同，其負(fù)載、續(xù)航、防風(fēng)及穩(wěn)定性能的差別比較大，直接影響橋梁檢測的結(jié)果。所以為了達(dá)到良好的檢測效果，在制訂檢測方案時，通常會考慮橋梁類型和環(huán)境因素，進而選擇合適的無人機。例如，在對大型橋梁進行檢測時，續(xù)航能力強的無人機為首選；如果被檢測橋面過寬，應(yīng)當(dāng)考慮無人機是否會出現(xiàn)信號弱的問題，適當(dāng)為無人機增加雷達(dá)避阻、紅外測距等技術(shù)裝置。

3.2.3 對操作人員要求較高

無人機操作人員必須具有一定的專業(yè)素質(zhì)，才能對橋梁病害進行有效識別，而且無人機的操作有一定的難度，所以對操作人員的要求較高，從而制約了無人機橋梁檢測技術(shù)的普及。

4 無人機橋梁檢測硬件設(shè)備要求

與其他應(yīng)用領(lǐng)域的無人機相比，橋梁檢測無人機受橋梁結(jié)構(gòu)的影響，需要在沒有GPS 的條件下飛行，并攜帶高精度攝像機以獲取橋梁損傷信息。利用無人機對橋梁進行檢測時，所需的硬件主要有以下五種。

4.1 飛行器主體

飛行器主體即無人機機身、機翼、尾翼、舵面等基本結(jié)構(gòu)。由于橋梁的構(gòu)造十分復(fù)雜，在獲取影像資料時，一般使用的是具有高穩(wěn)定性的旋翼無人機[4]。

4.2 橋下定位系統(tǒng)

橋面上的鋼筋構(gòu)造會對無人機產(chǎn)生磁場干擾，從而影響無人機的GPS 定位，進而導(dǎo)致無人機的飛行穩(wěn)定性受到很大影響。為此，需要在橋梁的鋼筋構(gòu)造等復(fù)雜檢測環(huán)境中，為無人機配備超聲波、視覺定位和慣性導(dǎo)航等技術(shù)裝置，使其能夠接收遙控信號，實現(xiàn)無人操作。

4.3 上置云臺

在橋梁的檢測過程中，為了實現(xiàn)對病害處的穩(wěn)定拍攝，需要在無人機上配置三軸穩(wěn)定云臺。

4.4 變焦相機

在橋梁病害中，裂紋是難以觀察到的，在無人機上安裝變焦相機，能夠在相應(yīng)的距離上用光學(xué)變焦鏡頭拍攝到清晰的圖像，便于后續(xù)軟件的處理和分析。

4.5 圖像傳輸系統(tǒng)

在對大型橋梁進行檢測時，為確保數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，需要對無人機進行實時數(shù)據(jù)采集，并采用穩(wěn)定的圖像傳輸技術(shù)，以確保橋梁檢測工作的高效開展。

5 橋梁檢測技術(shù)發(fā)展展望

相對于傳統(tǒng)的橋梁檢測方法，無人機可以有效地解決檢測效率、成本等方面的不足，并可以適應(yīng)各種復(fù)雜的工作條件，從而減小檢測的難度。然而，目前在橋梁檢測中，多采用無人機作為空域信息收集平臺，如何識別、管理、跟蹤獲取的信息，并最大限度地發(fā)揮無人機檢測的優(yōu)勢，仍是迫切需要解決的問題。本文認(rèn)為，結(jié)合目前行業(yè)發(fā)展需求，無人機橋梁檢測技術(shù)將有如下的發(fā)展趨勢。

5.1 實景3D 以及BIM 結(jié)合應(yīng)用

借助3D 視角以及BIM 模型展示橋梁數(shù)據(jù)，根據(jù)展示數(shù)據(jù)實施橋梁檢測，能夠有效提升橋梁檢測整體效率[5]。

5.2 橋梁檢測朝智能化發(fā)展

在科技進步的大背景下，橋梁檢測將向著智能化的方向發(fā)展，而無人機將會逐步替代人工操作，并進一步智能化，從而最大程度地減少操作風(fēng)險，提升檢測效率。

5.3 自動化水平提升

無人機對橋梁病害數(shù)據(jù)進行采集的方式會逐步朝著自動化的方向發(fā)展，并與多種定位技術(shù)相結(jié)合。根據(jù)事先設(shè)計好的飛行路線，無人機可以自主地完成采集工作，從而減少人工操作的難度。

6 結(jié)語

總而言之，利用無人機進行橋梁檢測，可以精確地識別橋梁缺陷，大幅度降低檢測成本，有效提升檢測效率。隨著科技水平的不斷提高，無人機檢測技術(shù)將逐步替代傳統(tǒng)的橋梁檢測方法，并朝著自動化和智能化的方向發(fā)展。