橋梁水下檢測設(shè)備采集方案研究

王 超

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166； 2.遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110166)

0 引言

在歐美等發(fā)達國家，橋梁水下檢測技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了曲折的過程。以美國為例，其水下檢測的萌芽是隨著一次又一次橋梁安全事故的發(fā)生，逐漸開始的。二十世紀(jì)五六十年代間，美國洲際公路建設(shè)掀起熱潮，橋梁建設(shè)也廣泛發(fā)展，當(dāng)時還沒有相應(yīng)的橋梁檢測計劃，只有一些地方性檢測條例。直到2004年，在美國聯(lián)邦公路署最新修訂的全美橋梁檢測標(biāo)準(zhǔn)中，已明確將橋梁水下檢測列入橋梁常規(guī)檢測體系中，并對其檢測范圍、頻率、項目、手法、報告等進行了詳細規(guī)定，目前美國的水下檢測正逐步規(guī)范化和系統(tǒng)化。緊隨其后，英、法、德、丹麥、瑞典、芬蘭、南非、印度也制定了水下檢測的指南或規(guī)程[1]。

水下結(jié)構(gòu)的病害損傷大多從結(jié)構(gòu)的表面開始顯露。早期的表觀檢測主要是人工目視檢測。后來，水下視頻采集及成像技術(shù)得到發(fā)展[2]。同時，隨著圖像傳感器小型化與高集成化以及機器人技術(shù)的發(fā)展，無人水下錄像以及水下照相變得可行。

但水下橋梁結(jié)構(gòu)附件水流湍急，傳統(tǒng)的潛水員或機器人都難以使用視頻采集設(shè)備實現(xiàn)穩(wěn)定定位，致使拍攝的圖像不穩(wěn)定[3]。如何在這種外部時變的強干擾條件下進行水下圖像采集設(shè)備的穩(wěn)定控制，使采集系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境作業(yè)是需要解決的難點問題；橋梁水下結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境較為渾濁，透明度低，水中微小的無機物和有機顆粒含量高，由于這些微小顆粒對光線的散射作用，使得拍攝的影像效果模糊不清[4]，如何在水質(zhì)渾濁能見度低的情況下，采集到清晰的橋梁水下結(jié)構(gòu)圖像，亦是需要解決的一個難點問題[5]。

1 水下機器人控制研究目標(biāo)

隨著國內(nèi)交通的迅速發(fā)展，跨河、跨海大橋在交通運輸中所占的比例日益增長。為了橋梁運行的安全性以及穩(wěn)定性，這些特定環(huán)境中的橋梁檢測需求日益增長，一般檢測分為：常規(guī)檢測、長期結(jié)構(gòu)檢測、水下結(jié)構(gòu)件檢測。常規(guī)檢測分為：橋梁面系的檢測、上部結(jié)構(gòu)檢測、下部結(jié)構(gòu)檢測；長期結(jié)構(gòu)檢測分為：例如混凝土強度、碳化程度、保護層厚度、鋼筋位置；水下結(jié)構(gòu)件檢測分為：主要檢測內(nèi)容為水下柱基表面檢測、柱基沖刷檢測。近年來，國內(nèi)橋梁水下結(jié)構(gòu)損傷的情況多有發(fā)生，但因結(jié)構(gòu)處于水面以下，這些現(xiàn)實情況給橋梁檢測的實施帶來了極大的困難，檢測單位無法利用常規(guī)檢測手段及時了解成橋后水下結(jié)構(gòu)的病害情況，該區(qū)域通常被視為檢查盲區(qū)。為了保障橋梁水下結(jié)構(gòu)的安全，采用必要的手段和方法對水下結(jié)構(gòu)物進行檢測和安全評估顯得尤為必要。

目前國內(nèi)尚沒有完善的水下結(jié)構(gòu)物檢測的專用設(shè)備，在檢測時仍需要潛水員眼觀察、探摸，或者攜帶水下攝像機對結(jié)構(gòu)進行拍攝。由于潛水員并非專業(yè)技術(shù)人員，使目測方法具有檢測能力有限、檢測可靠性低、檢測時間長、費用高等缺點。通過攜帶高清攝像機拍攝后將錄像展示給相關(guān)人員后再進行損傷診斷，依舊有著檢測能力有限、可靠性低、檢測時間長、費用高等缺點。有時因為水太深，潛水員無法到達，從而給測量帶來限制。更重要的是，潛水員在水下長時間停留會給生命和財產(chǎn)帶來極大的安全威脅。為了探索更有效的檢測手段和方法，提高檢測效率與精度，降低勞動強度，節(jié)省檢測費用，研制一套橋梁水下結(jié)構(gòu)表觀缺陷檢測設(shè)備具有重要現(xiàn)實意義。

因此，需要開發(fā)一款簡單、方便的機器人代替潛水員做水下橋梁缺陷檢測；工作水深最多30 m，水質(zhì)渾濁，有水流。代替潛水員進行水下作業(yè)，在寒冷的季節(jié)依然可以進行水下檢測。本體的顏色可以盡量使用兩種或兩種以上的鮮艷顏色，使得機器在水的表面容易分清楚前后。具體技術(shù)要求：系統(tǒng)需要有清理機構(gòu)，可進行橋墩表面清理；系統(tǒng)能夠吸附在橋墩上，在橋墩上可以上下左右移動；能夠采集剝落/脫落、露筋、裂縫、麻面等病害；能夠?qū)崟r的查看橋梁水下狀況，并能控制系統(tǒng)定深、定向、采集照片。耐壓水深：150 m；抗擾流能力：3 knot；在渾濁的水域(透明度0.2 m)中使用；工作溫度 0 ℃～+40 ℃。

2 履帶爬行水下機器人

橋梁水下結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境較為渾濁，透明度低，水中微小的無機物和有機顆粒含量高，由于這些微小顆粒對光線的散射作用，使得拍攝的影像效果模糊不清。本項目設(shè)計渾水成像算法，基于DCP的一種改進水下增強技術(shù)，針對傳統(tǒng)DCP無法通過暗通道獲得圖像的景深信息，采用亮通道與暗通道的差值，得到景深信息，以完成后續(xù)的圖像增強。在工程化方面，搭配高亮度照明和水下清水箱、進一步提高觀測效果。

履帶爬行水下機器人載體方案：垂直兩個推進器，水平2個推進器，吸盤2個，履帶2個。系統(tǒng)由浮游驅(qū)動系統(tǒng)，爬行驅(qū)動系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)等部分組成。機器人本體包括：垂直2個推進器，水平2個推進器，吸盤2個，履帶2個。工作過程：在橋梁和岸邊布放ROV，浮游機構(gòu)驅(qū)動機器人到橋梁附近，翻轉(zhuǎn)90°，開吸盤，機器人吸附到橋梁表面，關(guān)閉螺旋槳，依靠履帶在橋梁表面進行爬行(見圖1)。

方案特點：操作方便，機器人整體重量輕、采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用可更換的組件，實現(xiàn)輪式驅(qū)動和履帶式驅(qū)動的快速互換(適應(yīng)不同的環(huán)境)，可以從船、岸等進行布放、兩人即可操作；安全可靠，機器人采用磁藕傳動，無機械密封件，無泄露風(fēng)險，容易清洗，外露部件全部為免維護，完全代替潛水員進行水下作業(yè)，即使在寒冷的季節(jié)依然可以進行水下檢測；搭載探測能力強，機器人系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求搭載外置攝像頭、聲吶、激光等多種檢測傳感器。作業(yè)方式：在進行橋梁水下部分檢測時，需要有一定作業(yè)順序。由于橋梁橋基大小不一，為了更為全面及準(zhǔn)確的完成測量任務(wù)，首先將機器人布放至水面，對機器人進行配平及頂流測試，如果符合機器人工作能力范圍內(nèi)，根據(jù)圖紙確定橋梁檢測面的位置，根據(jù)水質(zhì)的具體情況選擇光學(xué)手段或者聲學(xué)手段進行檢測，定向，自上而下對橋基進行檢測，完成一個側(cè)面后，根據(jù)相應(yīng)的水下參照物進行艏向的更正，繼續(xù)自上而下進行橋基檢測，直至整個橋基拼接完成檢測任務(wù)。圖2為根據(jù)橋基圖進行任務(wù)的下潛的布置。

3 舵輪爬行機器人

系統(tǒng)由浮游驅(qū)動系統(tǒng)，爬行驅(qū)動系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)等部分組成。機器人本體包括：垂直2個推進器，水平2個推進器，吸盤2個，舵輪2個。每個舵輪具有兩個自由度，既可以前進后退又可以轉(zhuǎn)向。工作過程：在橋梁和岸邊布放ROV，浮游機構(gòu)驅(qū)動機器人到橋梁附近，翻轉(zhuǎn)90°，開吸盤，機器人吸附到橋梁表面，關(guān)閉螺旋槳，依靠舵輪在橋梁表面進行爬行(見圖3)。

4 無人船

系統(tǒng)由無人船、吸盤、絞車、觀測系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、蓄電池等部分組成。無人船本身帶有吸盤和驅(qū)動輪，可以吸附在橋梁上并沿橋墩表面進行圓周運動。絞車可以帶著觀測系統(tǒng)上下運動，觀測系統(tǒng)帶有吸盤，滾刷，攝像頭。可以吸附在橋梁表面并隨著絞車的上下進行運動。這種無人船可以在橋上或岸邊進行布放，遙控到橋梁邊，吸附到橋墩表面，吸附好后放下絞車，絞車帶著觀測系統(tǒng)沿著橋墩垂直運動，進行拍攝。垂直方向拍攝結(jié)束后回到無人船響應(yīng)位置，無人船帶著絞車沿著橋墩表面到下一個位置，絞車?yán)^續(xù)沿著橋墩垂直運動，直至無人船環(huán)繞一周。

5 環(huán)繞爬行結(jié)構(gòu)

爬行機器人由若干個爬行模塊組成(見圖4)，根據(jù)橋梁的直徑選擇模塊的數(shù)量。每個模塊的基本組成包括：驅(qū)動輪，鎖緊機構(gòu)，張緊機構(gòu)，協(xié)調(diào)運動部分，攝像頭，供電部分。工作過程：根據(jù)直徑選擇模塊數(shù)量，利用鎖緊機構(gòu)把模塊連接好，通電后張緊機構(gòu)把各個模塊穩(wěn)定的保持在橋梁表面，通過遙控器控制機器人運動，機器人可以上下和繞橋梁運動。通過滾刷清除橋梁表面附著物，通過攝像頭觀察橋梁表面缺陷。需要人工開船把機器人帶到橋梁附近，安裝過程相對有些煩瑣。

6 結(jié)語

本文首先明確了水下機器人的控制研究目標(biāo)，對比了履帶爬行機器人、舵輪爬行機器人、無人船、環(huán)繞爬行結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、控制方法、檢測方法，以及主要構(gòu)件設(shè)計方法，得到了不同形式水下檢測機器人檢測的優(yōu)缺點。其中履帶爬行機器人布置簡便，現(xiàn)場檢測方便，但受到水流影響，鏡頭拍攝過程中可能因為在水中發(fā)生的抖動而無法進行連續(xù)清楚的拍攝。舵輪爬行機器人布置簡便、現(xiàn)場檢測方便、可吸附到橋墩上拍攝效果相對穩(wěn)定。但是舵輪爬行機器人需要水中直行、水中轉(zhuǎn)彎、水中翻轉(zhuǎn)、橋墩吸附、橋墩爬行等功能，操作與研制都相對復(fù)雜。無人船機器人可以在水中行駛，布置簡便，絞車可以上下運動拍攝相對穩(wěn)定。但是絞車與無人船連接部分的材料選擇有固定要求，剛性結(jié)構(gòu)節(jié)點受力隨著深度的增加而增大，柔性材料因水流擾動絞車可能發(fā)生抖動，若絞車自重較大影響整體爬行。環(huán)繞爬行機器人自身拍攝穩(wěn)定，但現(xiàn)場布設(shè)相對復(fù)雜。