關于無人機在橋梁檢測中的應用與探索
管養(yǎng)部門通常定期對橋梁進行檢查，多采用傳統(tǒng)檢測手段，依靠肉眼或者輔助工具（如橋檢車、望遠鏡等）來檢測橋梁主要構件是否出現(xiàn)裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害。而對于特殊結構橋梁（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)可采取人工現(xiàn)場察看檢查，但效率低、難度大、危險系數(shù)高，而應用無人機進行輔助檢測，將在很大程度上解決這些難題。
1 無人機橋梁快速檢測系統(tǒng)組成及工作原理
無人機橋梁快速檢測系統(tǒng)主要由無人機、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、任務荷載系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、其他設備等組成。無人機一般采用起降平穩(wěn)的多旋翼無人機，利于數(shù)據(jù)采集和觀測。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于系統(tǒng)控制信號、檢測數(shù)據(jù)的傳輸。地面站系統(tǒng)則用于實時監(jiān)控無人機飛行、檢查拍攝情況，利于及時糾正飛行軌跡和發(fā)現(xiàn)橋梁明顯病害。其他設備除了常規(guī)的維修保養(yǎng)工具外，還包含檢測結果分析處理系統(tǒng)。用于橋梁檢測的無人機與常規(guī)航拍無人機的任務荷載系統(tǒng)略有不同，前者的三軸增穩(wěn)云臺、高清攝像機置于飛行器上方，航拍用云臺一般布置在下方。無人機橋梁檢測系統(tǒng)的主要技術參數(shù)見表1，用于橋梁檢測的八旋翼無人機系統(tǒng)，見圖1。
無人機橋梁快速檢測系統(tǒng)主要利用無人機可高空任意地點懸停的特點，借助高像素專業(yè)拍照采集系統(tǒng)，在已知位置和距離對檢測對象局部拍照，數(shù)據(jù)存儲于機身，后期專業(yè)人員通過已知空間位置、時間軸線、高清照片或錄像來分析病害位置和危害程度。
2 無人機橋梁檢測工程應用實例
2.1應用實例簡介
以無人機檢測滬渝高速四渡河大橋為例。四渡河大橋為主跨900 m的單跨雙鉸鋼桁架加勁梁懸索橋，主橋采用鋼一混凝土結構，橋面長1 365m。主橋加勁鋼桁梁由主桁架、上下平聯(lián)、橫向桁架組成。桁梁采用整體節(jié)點技術，利用高強螺栓拼裝連接。塔頂至峽谷谷底高差達650 m，橋面距谷底560 m，被譽為“世界第一高橋”，同時也是
滬渝高速的控制性特殊結構橋梁。
無人機橋梁檢測主要針對四渡河大橋鋼桁梁、索塔、節(jié)點板、高橋墩、纜索、常規(guī)檢查盲區(qū)，對常規(guī)檢查易遺漏點進行檢查，全面判定橋梁技術健康狀況。主要檢測項目和內(nèi)容見表2。
2.2無人機檢測方法
無人機檢測一般由2名專業(yè)技術人員分別控制機身運動、檢測攝像2部分進行飛行和數(shù)據(jù)采集。起飛前，無人機需放置平穩(wěn)，調(diào)試各系統(tǒng)確保開機運行正常后，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5m左右，纜索和鋼構件等地形復雜部位一般控制在10m左右，具體安全距離需結合現(xiàn)場情況確定。
無人機空間位置信息、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，選擇無人機懸停進行局部高清拍照或繼續(xù)前進。無人機飛行控制、攝像系統(tǒng)采用無線傳輸信號進行控制，檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存儲在無人機機身，有效避免長距離無線傳輸引起的數(shù)據(jù)衰減或干擾。
無人機上升過程較為緩慢，下降速度則較快，檢測主要在上升過程中進行，一般控制在5～20m/min，上升速度主要與檢測對象病害分布、周圍環(huán)境、風速等有關。如圖2所示，為無人機快速檢測系統(tǒng)對四渡河大橋宜昌側索塔進行檢測。
檢測過程受日照方向、風速、天氣狀況等影響較大，一般應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環(huán)境下進行檢測，盡量減少環(huán)境因素影響，降低檢測過程的安全風險。
2.3檢測結果處理與分析
通過現(xiàn)場無人機數(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)《公路技術狀況評定標準》(JTG/T H21- 2011)等相關規(guī)范，對檢測對象的構件進行評定。
例如圖3所示的無人機檢測發(fā)現(xiàn)渝滬向側面E10號處缺失1顆高強螺栓。該病害位置，屬于常規(guī)檢查和定期檢查的檢查盲區(qū)，無人機的應用很好地彌補了常規(guī)檢查手段的不足。
3 無人機檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測手段對比
橋梁檢查一般分為經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊檢查，不同的檢查方式要求的檢查儀器和頻率也不一樣。常規(guī)的橋梁檢測設備比較單一，主要檢測設備或方法有望遠鏡、遠程拍攝、橋檢車、預置軌道視頻檢測等。除了常規(guī)檢查設備，有條件的還配備有高倍望遠鏡對橋梁進行檢查。表3列舉了各種檢測設備或方法的優(yōu)、缺點和適用情況。
由表3可見，無論是傳統(tǒng)檢測手段還是新型的無人機檢測方法，各有優(yōu)缺點。目前，各管養(yǎng)單位普偏采用常規(guī)檢測手段進行檢查，橋梁檢查長期存在檢查死角。隨著檢測手段的發(fā)展，全面掌握橋梁的健康技術狀況，不能單獨依托一種檢測方法，需要多種方法配合使用。
無人機能夠任意位置定點懸停觀測、使用靈活、使用成本較低、檢測精度高、模塊化維修保養(yǎng)方便、效率高、安全風險相對較低，可有效彌補常規(guī)檢查的不足與短板。但對于梁體狹小空間處，仍需要常規(guī)檢測方法進行檢查。
4結語
無人機橋梁檢測系統(tǒng)可彌補傳統(tǒng)檢測手段不足的同時，也存在諸多不足之處，仍需要不斷完善。橋梁檢測工作需要管養(yǎng)單位采取多種檢測手段、多元化管理，多種檢測方法優(yōu)勢互補，才能全面掌握橋梁的健康技術狀況。
無人機在四渡河大橋檢測的成功運用，為鄂西山區(qū)高速公路公路多元化、精細化的橋梁養(yǎng)護管理提供了很多寶貴經(jīng)驗。隨著無人機技術的不斷發(fā)展及橋梁檢測領域的迫切需要，無人機技術會越來越多地在橋梁檢測作業(yè)中使用，有助于提高橋梁養(yǎng)護管理水平，更好地維護橋梁結構的安全性和耐久性。
4摘 要
為了解決常規(guī)檢測手段在橋梁檢測中的局限性，以無人機檢測四渡河大橋為工程實例，介紹了無人機橋梁檢測系統(tǒng)的組成及工作原理，通過無人機在特殊結構橋梁檢測中的應用，與傳統(tǒng)檢測手段對比分析了優(yōu)缺點，探討了無人機在橋梁檢測中的應用與發(fā)展。
