索承橋上部結構新型全視角檢測裝備研究

宋金博

摘要：為了準確檢測斜拉橋、懸索橋等索承橋的上部主要承重結構斜拉索、吊桿的硬化開裂現象，在總結國內外檢測方法研究現狀的基礎上，介紹了一種索承橋上部結構新型全視角檢測裝備，并探討了其設計思路、工作流程和圖像分析方法。分析認為該裝備可以快速評判纜索外部損傷缺陷，確保高空檢測的準確性及安全性，同時具有質量輕、安裝簡易、智能化程度高等特點。

關鍵詞：橋梁檢測；全視角檢測；CCD相機；橋梁管理系統

中圖分類號：U446.3文獻標志碼：B

Research on New Allround Detection Equipment for Upper Structure of Cable Bridge

SONG Jinbo

（Test and Training Center， Jiangxi Vocational and Technical College of Transportation， Nanchang 330013， Jiangxi， China）

Abstract： In order to accurately detect the hardening and cracking phenomenon of the main bearing structures， including the cables and suspended rods of the upper of cablestayed bridge and suspension bridge， a new type of allround detection equipment for upper structure of cable bridge was introduced on the basis of summarizing the research status of detection methods at home and abroad， and its design ideas， work flow and image analysis method were discussed. It is concluded that the equipment can quickly evaluate the external damage of the cable， ensure the accuracy and safety of the high altitude detection， and has the characteristics of light weight， simple installation and high intelligence.

Key words： bridge detection； allround detection； CCD camera； bridge management system

0引言

橋梁建設需要投入巨大的財力、人力與物力，在目前社會對經濟效益日益重視的形勢下，人們對橋梁的各種性能也提出了更高的要求。因此，一些新型的橋梁被設計出來，如斜拉橋和鋼索橋等。這些橋梁造型美觀、抗震能力強等特性明顯，越來越多地出現在大江大河上；但在運營使用過程中，其纜索結構安全與否，對橋梁的使用壽命與經濟效益有顯著的影響。統計結果表明，目前中國有很多橋梁開始出現一些安全性問題，因此對其耐久性和安全性進行檢測很有必要；不過由于缺乏科學的橋梁檢測裝備、技術和養護方法，有些橋梁的隱患未被及時發現或處治，致使橋毀人亡的事件時有發生，造成了不同程度的財產與其他方面損失[15]。

很多新型橋梁的主要受力構件為纜索（吊桿），這類構件的技術含量較高，因而造價非常昂貴，在橋梁總造價中的比例超過30%。懸索橋的纜索長期暴露在空氣中，且受到外界環境的長期腐蝕，其表面的聚乙烯護套可能會產生一定的硬化和開裂現象，導致內部的鋼絲出現銹斑、斷絲[611]。目前有許多斜拉橋和懸索橋都出現過與銹蝕相關的事故，因此需要定期對斜拉索進行檢測與維護。

1現有檢測方法及國內外研究現狀

1.1現有檢測方法

目前對于拉索（吊桿）外觀缺陷的檢測主要通過人工方法進行。在進行檢測時需要檢測人員上到拉索頂端，檢測效率較低，精確度不高，而危險性較高。人工檢測過程中可能出現如下情況：其一，已經存在安全隱患的拉索并沒有被檢測出來，從而沒有及時維護，可能導致橋梁倒塌；其二，低估了拉索的質量，在沒有到使用期限的情況下更換拉索，這樣會造成一定的浪費?，F有檢測方法常常要動用檢測車及大型起重吊裝設備，需要全封閉或半封閉道路，嚴重阻礙交通，不適應現代橋梁養護管理的需求[1215]。在相關環境和客觀條件的限制下，現有檢測方法只能對拉索中有代表性的部分進行檢測，因而結果有一定的局限性，很難全面客觀地反映橋梁的質量情況。雖然目前有一些橋梁纜索檢測機器人被研發出來并用于橋梁檢測，但由于自重大、智能化程度不高、使用不方便等原因，并沒有在行業內普及?，F行的橋梁管養及檢測方法難以應用于橋梁的經常性檢查，更難以達到橋梁日常檢測的規范要求，如圖1～4所示。因此，有必要設計一種快速、高效、準確的橋梁檢測裝備，更好地對橋梁進行檢測，并盡可能降低對交通的影響。

1.2國內外檢測裝備研究現狀

已有研究學者提出采用纜索攀爬自動檢測裝置來檢測橋梁纜索質量，這種方法綜合利用了自動化和智能化處理技術，可以高效精確地檢測斜拉橋纜索質量，并降低檢測難度以及人工檢測的危險性。

在國內，上海交通大學的呂恬生設計了電動連續式纜索維護機器人（圖5）和氣動纜索機器人（圖6）；以徐豐羽為首的研發團隊則設計出一種輪式拉索檢測機器人（圖7）；王亞斌等人設計了三邊輪式拉索檢測機器人（圖8）；海丹研發團隊設計出正六邊形拉索檢測設備，并在實際檢測中表現出較好的效果；余朝陽則在王亞斌的設計結果基礎上進行改進，設計了雙邊輪式拉索檢測設備。endprint

國外學者也設計出了各種用途的機器人，如Pradip博士設計出一種用于路燈燈桿表面無損檢測的自動化設備；馬來西亞理工大學的Zaidi Mohd.Ripin等研制了氣動式蠕動爬樹機器人；韓國成均館大學的Ho Moon Kim等研究設計了一種六輪式橋梁拉索檢測機器人。以上設備均因成本巨大多處在試驗階段，因此難以適應橋梁檢測市場。

一些發達國家從20世紀70年代就開始投入大量的人力、物力進行拉索檢測方法的研究。為了更好地對路面質量情況進行監控，這些國家設計出路面損壞圖像計算機軟件處理系統，并將其應用到實際路面檢測中。這類系統可以自動實時對裂縫進行分析，并依據裂縫的方向來對路面的裂縫進行分類，例如將其劃分為縱向裂縫、橫向裂縫、龜裂等，為分類處理提供了便利，并建立起裂縫圖像數據庫[1619]。

以上設備均因成本高而未在橋梁檢測及管理養護中得到很好的應用。因此，有必要研制一種方便快捷、成本低廉的拉索快速檢測裝備，利用現代化的信息技術對橋梁纜索（吊桿）進行快速檢測及評價，并形成橋梁健康安全檔案，以適應國內外新型橋梁養護及管理的需要。

2橋梁上部結構新型全視角檢測裝備

2.1裝備整體設計思路

本裝備集機械構造、機電設備、電子通訊、無線傳輸、自動控制、纜索結構評定及修復等功能于一體，技術含量高，創新性強；實現了全時四驅、爬升返回、自動導航、定向定位，確保了高空檢測的準確性及安全性；搭載了高分辨率數字式攝像頭、纜索檢測系統，可評判纜索外部損傷缺陷，還可同時搭載纜索自動纏包系統、纜索外觀缺陷修補系統等，成為纜索結構檢測、評估、維修一體化的安全維護平臺；具有重量輕、安裝簡易、智能化程度高等特點，能夠更好地維護橋梁安全。該新型全視角檢測裝可為纜索體系的結構安全性評估提供強有力的技術保障，其設計思路如圖9所示。

2.2裝備工作流程

橋梁上部結構全視角檢測裝置在工作過程中，履帶輪機構能夠帶動檢測裝置本體爬升、下降或懸停，通過卡扣和彈簧桿可調整適應不同粗細的斜拉索，CCD圖像采集裝備能夠將拉索四周的完整圖像采集到控制裝置中，進行合成、處理和缺陷識別?？刂蒲b置內置DSP芯片，可對數據進行處理和存儲，并將數據通過通信裝置發送到操作人員的移動端，便于實時了解和操作。

本裝備包括檢測裝置本體、檢測支撐架、爬行機構、氣彈簧、電機、圖像采集裝置、卡扣盤、底盤和控制裝置，工作時檢測裝置安裝在拉索上，如圖10、11所示。檢測裝置本體包括檢測支撐架、爬行機構、電機、圖像采集裝置、控制裝置。檢測支撐架套在拉索外部，其內壁安裝有爬行機構，爬行機構側面連接電機；檢測支撐架底部安裝有底盤，底盤上設有若干個氣彈簧以及控制裝置、光電編碼器、通信裝置；檢測支撐架上部安裝有若干個圖像采集裝置，圖像采集裝置與控制裝置電連接。爬行機構包括3個履帶輪機構，履帶輪機構沿著拉索中心圓周均勻分布，爬行機構通過連接桿與檢測支撐架鉸接連接。檢測支撐架上面安裝有滑動塊，可以上下滑動，并帶動彈簧桿運動，彈簧桿端部與滑動塊鉸接，滑動塊與氣彈簧（3個）頂部連接。采用4個CCD圖像采集裝置并使其在同一平面上均勻分布。通信裝置為無線通信或藍牙通信裝置，通信裝置、光電編碼器均與控制裝置連接。底盤底部設有卡扣盤，卡扣盤上設有卡扣。

2.3圖像采集與分析算法

本系統在進行圖像信號采集與分析時，主要用到了邊緣檢測算子Prewitt。利用這種算法分析時，方法和使用Sobel算子一樣，也就是對圖像中的點數據進行卷積處理，然后確定出最大值作為輸出。最后在此基礎上生成邊緣強度圖像。

先找出原圖存儲區域的地址，依據原圖占據空間設置出2個圖像存儲區域，對原圖進行復制處理后保存到這2個區域中；接著通過Templat模板函數來卷積處理二者中的圖像；對2個緩存圖像中的各像素如此循環處理，選出其中像素灰度值較大者；最后將所得的圖像復制到原圖數據區，如圖12所示。

3結語

中國目前擁有各種類型的公路橋梁90.46萬座，根據相關標準需要對這些橋梁進行定期檢測，以評估這些橋梁的健康狀況和運營能力。如果采用本文所述的新型全視角檢測裝備來對現有橋梁進行養護管理， 每座橋梁每年可以節約檢測費用約10萬元，以5年為1個橋梁安全管理周期計算，每周期可以節約橋梁常規檢測費用約2 973億元，并且每年可以提供近2萬個左右的就業崗位和100億人民幣左右的稅收，經濟效益明顯。

各類橋梁正在由建設階段逐漸轉向以維修、養護為重點的確保公路與橋梁結構安全運營的階段。大量的橋梁結構尤其是城市道路橋梁由于使用年限、交通量及荷載等級變化、自然因素、超載因素等的影響，已經出現損傷和病害。特別是20世紀90年代后大量修建的城市橋梁，許多已經出現了開裂損傷和跨中下撓等病害，對橋梁的安全運營構成威脅，急需對橋梁的狀態進行實時檢測和客觀評定。

在目前城市道路養護管理中，主要還是以人工定期檢測評定為主，因缺少專業的設備與相關經驗往往難以及時發現病害，也不能實現及時有效的維護；而本文所論述的裝備不僅能及時發現病害并采取有效的處治措施，還能從整個城市道路交通網的宏觀角度來實現有效的監控與管理，具有重大現實意義和社會效益。

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