摘 要：傳感器作為振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷的核心工具，由于具備信息感受、信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)輸出等功能，在公路橋梁檢測(cè)中顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。尤其是在公路橋梁綜合檢測(cè)中應(yīng)用多傳感器融合技術(shù)，有益于通過(guò)不同傳感器多元檢測(cè)功能全面檢測(cè)公路橋梁存在的問(wèn)題。文章在新時(shí)代數(shù)字化、高效化、高質(zhì)量等發(fā)展背景下，結(jié)合公路橋梁綜合檢測(cè)的多元需求，對(duì)比公路橋梁傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與多傳感器融合技術(shù)，認(rèn)為結(jié)合檢測(cè)需求和應(yīng)用場(chǎng)景選取傳感器、以空間與時(shí)間同步促進(jìn)多傳感器融合、以培訓(xùn)提高檢測(cè)人員智能技術(shù)操作素養(yǎng)，應(yīng)是多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用于公路橋梁綜合檢測(cè)中的重要路徑。

關(guān)鍵詞：公路橋梁 多傳感器融合技術(shù) 綜合檢測(cè)

公路橋梁是社會(huì)資產(chǎn)和城鄉(xiāng)基建的一部分，也是連通特殊地域交通路線、促進(jìn)國(guó)家交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要內(nèi)容，其穩(wěn)固和安全備受大眾關(guān)注。綜合檢測(cè)作為發(fā)現(xiàn)公路橋梁潛在質(zhì)量問(wèn)題、安全問(wèn)題、磨損老化問(wèn)題，以及明確公路橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的主要手段，是公路橋梁施工、養(yǎng)護(hù)、維修等各個(gè)階段的重要工作。然而，在實(shí)際公路橋梁檢測(cè)工作中，檢測(cè)結(jié)果容易受外部環(huán)境因素的影響[1]，并且普遍應(yīng)用的定期檢測(cè)系統(tǒng)和工作方式存在諸多問(wèn)題，例如將檢查和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)單獨(dú)分割開(kāi)、紙質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)復(fù)用率低等，與新時(shí)代數(shù)字化、高效化、高質(zhì)量等發(fā)展取向相悖。雖然傳感器作為振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷的核心工具，由于具備信息感受、信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)輸出等功能，被嘗試應(yīng)用于公路橋梁檢測(cè)中，也有不少學(xué)術(shù)成果肯定了傳感器在公路橋梁檢測(cè)中的價(jià)值，但不同類(lèi)別傳感器通常只能獲取單一的振動(dòng)信號(hào)[2]，對(duì)于公路橋梁綜合檢測(cè)作用有限。因此，基于不同類(lèi)型傳感器的多元檢測(cè)功能，研究多傳感器融合技術(shù)在公路橋梁綜合檢測(cè)中的應(yīng)用，不僅是公路橋梁管理中亟待深入討論的方向，還是對(duì)既有學(xué)術(shù)研究體系的進(jìn)一步完善。

1 公路橋梁綜合檢測(cè)的多元需求

1.1 降低公路橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)實(shí)需求

公路橋梁是交通的重要組成部分，承載著大眾生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)其開(kāi)展綜合檢測(cè)是明確施工與使用中的安全隱患，并及時(shí)采取針對(duì)性措施的關(guān)鍵。首先，公路橋梁綜合檢測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，例如對(duì)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，能夠發(fā)現(xiàn)公路橋梁結(jié)構(gòu)中存在的細(xì)微裂縫、損傷等，從而采取維修措施，避免裂縫、損傷變多變大造成的結(jié)構(gòu)失效，更好地預(yù)防安全事故發(fā)生；其次，綜合檢測(cè)能夠評(píng)估公路橋梁的安全情況，尤其是將檢測(cè)技術(shù)與智能算法、大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，能夠使安全評(píng)估更加精準(zhǔn)，為公路橋梁維修、加固等提供科學(xué)依據(jù)[3]，確保大眾和貨物安全通行；此外，公路橋梁綜合檢測(cè)還能應(yīng)用于工程施工過(guò)程，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工人員生命財(cái)產(chǎn)安全。例如通過(guò)檢測(cè)驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)合理性、評(píng)估材料質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)、操作行為是否合理，從而確保工程安全。

1.2 優(yōu)化公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程需求

公路橋梁綜合檢測(cè)本質(zhì)上是一種評(píng)估手段，將其作為公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指揮棒，是工程持續(xù)優(yōu)化的需求。一方面，公路橋梁綜合檢測(cè)能夠進(jìn)一步完善和優(yōu)化當(dāng)前公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合檢測(cè)，技術(shù)人員可以搜集到包括應(yīng)力、應(yīng)變、位移等在內(nèi)的全面數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠支持技術(shù)人員分析結(jié)構(gòu)性能與荷載能力，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)；另一方面，公路橋梁綜合檢測(cè)能夠?yàn)槲磥?lái)公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。公路橋梁綜合檢測(cè)所得結(jié)果，能夠反向評(píng)估所用材料的性能、荷載分布情況等，輔助驗(yàn)證公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，為未來(lái)公路橋梁結(jié)果設(shè)計(jì)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提升工程設(shè)計(jì)水平。

1.3 延長(zhǎng)公路橋梁使用壽命的經(jīng)濟(jì)需求

公路橋梁綜合檢測(cè)是控制工程質(zhì)量的重要手段，工程質(zhì)量又與公路橋梁使用壽命、維修成本等息息相關(guān)，因此公路橋梁綜合檢測(cè)還具有不可忽視的經(jīng)濟(jì)層面的價(jià)值。一方面，公路橋梁的使用年限受日常維護(hù)、所處環(huán)境、交通情況等多重因素影響，通常與設(shè)計(jì)使用年限存在差異。使用年限若大幅縮短，則面臨重建和經(jīng)濟(jì)損失。公路橋梁檢測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)老化、磨損等問(wèn)題，指引日常維護(hù)工作精準(zhǔn)開(kāi)展和交通流量合理安排等[4]，避免日常維護(hù)不到位、交通流量遠(yuǎn)超承載力造成的公路橋梁使用年限縮短，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。例如通過(guò)檢測(cè)獲得公路橋梁的應(yīng)力和撓度數(shù)據(jù)，明確公路橋梁的應(yīng)變特性、承重能力等，進(jìn)而限制行駛車(chē)輛的高度、重量，延長(zhǎng)公路橋梁使用壽命；另一方面，公路橋梁綜合檢測(cè)有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程施工過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題，并加以調(diào)整和改進(jìn)，不僅能防止問(wèn)題增大或惡化，提升工程整體質(zhì)量，還能在施工階段最大化降低后期維修成本和延長(zhǎng)使用壽命。

2 公路橋梁傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與多傳感器融合技術(shù)

2.1 公路橋梁傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)類(lèi)別分析

為保障大眾生命財(cái)產(chǎn)安全，我國(guó)高度重視公路橋梁檢測(cè)，形成了多類(lèi)成熟的檢測(cè)技術(shù)。本文對(duì)常用的四類(lèi)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，以明確其優(yōu)劣勢(shì)。

第一類(lèi)是目測(cè)法，主要通過(guò)觀察和測(cè)量公路橋梁的結(jié)構(gòu)形式、部件情況、連接方式、材料類(lèi)型等，明確公路橋梁當(dāng)下的結(jié)構(gòu)信息，并對(duì)照橋梁設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)，初步判斷存在的安全隱患。例如探查公路橋梁外表有無(wú)破損脫落，關(guān)鍵部位是否存在裂縫，以及裂縫分布、深度、走向等問(wèn)題。此技術(shù)能夠直觀發(fā)現(xiàn)檢測(cè)公路橋梁結(jié)構(gòu)缺陷，具有便捷、高效的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)技術(shù)人員專業(yè)與經(jīng)驗(yàn)要求較高，且檢測(cè)結(jié)果較為主觀，在隱蔽的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題檢測(cè)中局限性突出。

第二類(lèi)是鉆芯取樣技術(shù)，主要通過(guò)鉆心機(jī)采集公路橋梁內(nèi)部的樣本，并通過(guò)檢驗(yàn)樣本獲得公路橋梁數(shù)據(jù)。例如通過(guò)檢測(cè)樣本明確公路橋梁內(nèi)部碳化深度 、氧化深度 、侵蝕深度等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的安全隱患。此技術(shù)能夠直觀、快捷地明確結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的問(wèn)題，取樣過(guò)程、樣本質(zhì)量等會(huì)影響最終檢測(cè)結(jié)果。

第三類(lèi)是沖擊回波檢測(cè)技術(shù)，主要根據(jù)沖擊波在公路橋梁結(jié)構(gòu)中傳播和反射的時(shí)間、幅度，以及入射波和反射波的相對(duì)相位關(guān)系，判斷問(wèn)題的位置與類(lèi)型。例如判斷公路橋梁對(duì)破壞的承受能力、彈性形變范圍，為各類(lèi)事故發(fā)生后是否還能繼續(xù)正常使用提供依據(jù)。此技術(shù)為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，且不會(huì)影響公路橋梁的正常通行，具有操作便捷、結(jié)果準(zhǔn)確、應(yīng)用范圍較廣的優(yōu)勢(shì)，但檢測(cè)部位選擇對(duì)技術(shù)人員要求較高，并且要確保檢測(cè)面平整。

第四類(lèi)是紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，主要基于熱輻射原理，通過(guò)捕捉局部溫度變化發(fā)現(xiàn)公路橋梁中的缺陷和損傷，并判斷其大小、位置、形狀。此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)，具有快速便捷、結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求較高，會(huì)對(duì)交通造成影響，并且由于大型公路橋梁需要分區(qū)檢測(cè)，容易造成信息遺漏。

2.2 公路橋梁多傳感器融合技術(shù)優(yōu)勢(shì)

傳感器的應(yīng)用推動(dòng)了公路橋梁檢測(cè)的智能化、數(shù)字化，但單一傳感器的功能有限，且檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)傳感器失效的現(xiàn)象，難以滿足公路橋梁綜合檢測(cè)要求。例如視覺(jué)傳感器對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力有限，容易受地質(zhì)環(huán)境、天氣環(huán)境等影響。多傳感器融合技術(shù)，即在檢測(cè)過(guò)程中，將兩類(lèi)或三類(lèi)傳感器融于一體，利用多源數(shù)據(jù)融合、互補(bǔ)，發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源的缺陷[5-6]，有益于公路橋梁綜合檢測(cè)。例如激光雷達(dá)傳感器利用的是主動(dòng)探測(cè)方式，能夠提供檢測(cè)對(duì)象距離、形狀等準(zhǔn)確信息，但當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏，無(wú)法做到場(chǎng)景的全面覆蓋。視覺(jué)傳感器當(dāng)光照條件良好時(shí)能夠?yàn)榧夹g(shù)人員傳回更加清晰、詳細(xì)的圖像，反映出公路橋梁結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征，但光照不足時(shí)成像質(zhì)量下降、圖像噪聲增加。將激光雷達(dá)傳感器和視覺(jué)傳感器進(jìn)行融合，則可彌補(bǔ)雙方缺陷，為公路橋梁檢測(cè)提供更加全面、詳細(xì)的信息。此外，還有不少學(xué)者通過(guò)多傳感器融合技術(shù)研究，在檢測(cè)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了巨大突破，例如Hajri等人融合激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的檢測(cè)與跟蹤[7]。

3 多傳感器融合技術(shù)在公路橋梁綜合檢測(cè)中的應(yīng)用路徑

3.1 結(jié)合檢測(cè)需求和應(yīng)用場(chǎng)景選取傳感器

隨著科技信息發(fā)展，傳感器愈加趨于體積小、重量輕、精度高、智能化發(fā)展，并形成了多種可供使用的傳感器。但這些傳感器在不同地理環(huán)境、天氣環(huán)境下表現(xiàn)出的性能特點(diǎn)不同。激光雷達(dá)的精度高、速度快、采集點(diǎn)多分辨率高，可以獲得物體準(zhǔn)確的空間位置，但受限于檢測(cè)環(huán)境，例如環(huán)境中的粉塵極易對(duì)其造成干擾；毫米波雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性和穿透力強(qiáng)，雨、霧、雪、灰塵等對(duì)其干擾較小，且可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)對(duì)象，但受限于檢測(cè)對(duì)象的材料、形狀等，并且在空氣中的傳播消耗較大；可見(jiàn)光相機(jī)分辨率高，但受限于環(huán)境、天氣；紅外相機(jī)具有夜視、溫度探測(cè)功能，但受限于距離與分辨率。

公路橋梁工程是為滿足特殊地理位置需求或特殊交通線路需求而開(kāi)展的工程活動(dòng)，不同的公路橋梁檢測(cè)需求和檢測(cè)場(chǎng)景差別較大，因此，在公路橋梁綜合檢測(cè)中應(yīng)結(jié)合檢測(cè)需求和應(yīng)用場(chǎng)景差異化選取，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互促、短板互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)公路橋梁情況的全面感知。

3.2 以空間與時(shí)間同步促進(jìn)多傳感器融合

不同傳感器的數(shù)據(jù)類(lèi)型、安裝位置、視野具有差異，故最終輸出的結(jié)果不能直接融合運(yùn)用[8]。為了實(shí)現(xiàn)多傳感器融合技術(shù)對(duì)公路橋梁的綜合檢測(cè)，就要通過(guò)空間同步和時(shí)間同步，匹配不同傳感器的數(shù)據(jù)格式?？臻g同步，即統(tǒng)一不同傳感器的坐標(biāo)系，旨在標(biāo)定不同傳感器的相對(duì)位置和姿態(tài)關(guān)系，形成并將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系之下進(jìn)行融合，提高數(shù)據(jù)精度與可靠性[9]；時(shí)間同步，即在軟件上選取掃描周期較短的傳感器，將其同步到頻率較低的傳感器數(shù)據(jù)上，在硬件上以GPS時(shí)間為準(zhǔn)，采用PTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，從而彌合不同傳感器之間時(shí)鐘源、采樣頻率的差異。例如使用平滑器可促進(jìn)激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)的融合，通過(guò)最近鄰方法能夠關(guān)聯(lián)匹配兩個(gè)傳感器的檢測(cè)結(jié)果[10]。

3.3 以培訓(xùn)提高檢測(cè)人員智能技術(shù)操作素養(yǎng)

當(dāng)前傳感器與人工智能結(jié)合的趨勢(shì)愈加顯著，有助于增強(qiáng)檢測(cè)人員與智能設(shè)備的交互性，對(duì)于檢測(cè)人員專業(yè)性和智能技術(shù)操作素養(yǎng)提出了更高要求。因此，為了加強(qiáng)未來(lái)多傳感器融合技術(shù)在公路橋梁綜合檢測(cè)中的深度應(yīng)用，一方面要為從事公路橋梁檢測(cè)工作的人員規(guī)劃發(fā)展路徑、提供培訓(xùn)機(jī)會(huì)，另一方面要將專業(yè)水平、智能素養(yǎng)、數(shù)字素養(yǎng)等納入其工作考核、職稱評(píng)定中，促進(jìn)公路橋梁綜合檢測(cè)實(shí)效。

4 結(jié)語(yǔ)

綜本文所述，公路橋梁綜合檢測(cè)是降低公路橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、延長(zhǎng)公路橋梁使用壽命的重要手段?；趥鹘y(tǒng)公路橋梁傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的局限，以多傳感器融合技術(shù)開(kāi)展公路橋梁綜合檢測(cè)工作成為重要發(fā)展方向，并且在多傳感器融合技術(shù)開(kāi)展過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合檢測(cè)需求和應(yīng)用場(chǎng)景選取傳感器、以空間與時(shí)間同步促進(jìn)多傳感器融合、以培訓(xùn)提高檢測(cè)人員智能技術(shù)操作素養(yǎng)，從而為不同傳感器在公路橋梁檢測(cè)中發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢(shì)，提升檢測(cè)準(zhǔn)確性和全面性提供保障。

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