微型無人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中的應(yīng)用

李茂壯 辛衛(wèi)平

（煙臺(tái)市萊山公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，山東 煙臺(tái) 264000）

引言：公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程與其他環(huán)節(jié)存在很大的差異，檢測(cè)過程需要同時(shí)對(duì)橋梁的高墩、臺(tái)與橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，為保證檢測(cè)質(zhì)量，相關(guān)單位通常采用專業(yè)橋梁檢測(cè)車，抑或是遠(yuǎn)程照相的方式進(jìn)行排查，但檢測(cè)車的使用對(duì)橋梁通行能力影響很大，而遠(yuǎn)距離照相則存在死角以及圖像信息失真的可能性，這就導(dǎo)致橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)環(huán)節(jié)難以快速進(jìn)行。為解決這一難題，行業(yè)工作者開始使用加裝高分辨光學(xué)相機(jī)以及紅外熱像儀的無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)檢測(cè)，近距離完成對(duì)道路橋梁各項(xiàng)數(shù)據(jù)圖像的收集，而這些信息在經(jīng)過處理分析后，可幫助相關(guān)團(tuán)隊(duì)有效完成橋梁的養(yǎng)護(hù)檢測(cè)。

一、公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程

（一）我國(guó)橋梁工程發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛，道路橋梁建設(shè)事業(yè)發(fā)展極為迅猛，尤其是近十年，我國(guó)更是建成世界最龐大的高速公路網(wǎng)，工程技術(shù)水平更是上升至全新層次，各類復(fù)雜的技術(shù)問題得到有效解決，橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也更為科學(xué)，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)一升再升，這也同樣意味著我國(guó)公路橋梁建設(shè)領(lǐng)域已進(jìn)入到頂尖行列。橋梁工程向更宏觀的方向發(fā)展，地質(zhì)環(huán)境等因素對(duì)橋梁工程發(fā)展的限制越來越小，工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，這也意味著工程自身的維護(hù)費(fèi)用也在不斷提升。此外，我國(guó)很多公路橋梁已運(yùn)行數(shù)十年，這些橋梁更是需要進(jìn)行全面的改造與養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而消除結(jié)構(gòu)層面存在的安全隱患，提高使用壽命。

（二）公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)公路橋梁領(lǐng)域長(zhǎng)期存在“重建設(shè)，輕養(yǎng)護(hù)”的問題，這就導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)部對(duì)于公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)的研究起步很晚，雖然相關(guān)部門已經(jīng)出臺(tái)各項(xiàng)規(guī)定與政策，并開始著手針對(duì)公路橋梁養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施系統(tǒng)研究，各項(xiàng)技術(shù)手段也得到一定程度的完善與成長(zhǎng)，公路橋梁整體使用情況得到好轉(zhuǎn)。在我國(guó)公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)體系下，已初步建立數(shù)據(jù)錄入管理機(jī)制，工作人員可在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行查詢與評(píng)價(jià)，機(jī)制內(nèi)部涵蓋的功能項(xiàng)已超過一百項(xiàng)。但我國(guó)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)領(lǐng)域依舊與國(guó)際頂尖水平存在一定差距，即便體系內(nèi)部各項(xiàng)功能服務(wù)已十分豐富，但功能內(nèi)涵層面依舊不夠成熟，且橋梁檢測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行層面也經(jīng)常出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)分析不夠精準(zhǔn)，信息資源在橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部沒有得到充分利用，數(shù)據(jù)自身可靠性也很差。以當(dāng)前行業(yè)研究現(xiàn)狀角度分析，我國(guó)公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)依舊十分落后，服務(wù)體系內(nèi)部依舊存在諸多需要改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，無論是技術(shù)應(yīng)用還是系統(tǒng)管理，都需要做出進(jìn)一步突破與創(chuàng)新改進(jìn)。

（三）公路橋梁養(yǎng)護(hù)過程在管理層面亟須解決的問題

誠(chéng)然，我國(guó)公路橋梁建設(shè)以及其配套的養(yǎng)護(hù)體系都得到長(zhǎng)久發(fā)展，但體現(xiàn)在管理層面的問題依舊十分突出，而這些問題對(duì)我國(guó)公路橋梁領(lǐng)域發(fā)展的限制力也在快速放大，如果不能得到妥善解決，橋梁工程領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿⑹艿骄薮蟾蓴_。

其一，制度管理層面，公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)人員隊(duì)伍依舊不夠成熟，人員隊(duì)伍內(nèi)部管理人員眾多，不同人員之間的崗位劃分卻不夠明確，直接導(dǎo)致實(shí)際工作效率難以得到提升，工作質(zhì)量下滑，甚至部分地區(qū)依舊存在形式主義與官僚主義，這對(duì)我國(guó)橋梁工程發(fā)展十分不利。

其二，我國(guó)公路橋梁建設(shè)發(fā)展多發(fā)展自上世紀(jì)六七十年代，后期為適應(yīng)時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，開始逐步實(shí)施管理體制改革，但管理工作依舊未能改革過程中徹底解決各項(xiàng)問題，部分不負(fù)責(zé)任的管理單位直接將管理維護(hù)經(jīng)營(yíng)權(quán)轉(zhuǎn)讓給私營(yíng)企業(yè)，私營(yíng)企業(yè)在公路橋梁管理領(lǐng)域缺少足夠的經(jīng)驗(yàn)，管理過程漏洞頻頻，這也同樣加大道路橋梁養(yǎng)護(hù)工作的整體難度。

其三，公路橋梁養(yǎng)護(hù)單位在資源配置層面不夠充足，其主要體現(xiàn)在人力資源與檢測(cè)維護(hù)設(shè)備層面，很多工作者缺少足夠的理論知識(shí)與實(shí)踐素養(yǎng)，對(duì)于公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作的各項(xiàng)要點(diǎn)認(rèn)知不明，養(yǎng)護(hù)過程經(jīng)常出現(xiàn)違規(guī)作業(yè)，人員專業(yè)性很差。此外，相關(guān)部門在采購(gòu)橋梁養(yǎng)護(hù)設(shè)備過程中，對(duì)于設(shè)備的實(shí)際性能不夠重視，采購(gòu)人員只考慮設(shè)備價(jià)格，而這些價(jià)格低廉的設(shè)備在實(shí)際運(yùn)用中問題頻發(fā)。

其四，公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作對(duì)于制度規(guī)范依賴性較高，但行業(yè)內(nèi)部尚未建立起橋梁養(yǎng)護(hù)質(zhì)量與個(gè)人責(zé)任之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，很多從業(yè)工作者存在懈怠心理，對(duì)于養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)不夠重視，甚至讓養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)流于形式。

二、公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中微型無人機(jī)檢測(cè)裝置構(gòu)成

（一）微型無人機(jī)系統(tǒng)組裝

近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，微型無人機(jī)在設(shè)備搭載能力層面得到前所未有的提升，這也讓眾多先進(jìn)設(shè)備得到更為充分的運(yùn)用。微型無人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程應(yīng)用時(shí)，需針對(duì)所要搭載設(shè)備的不同，選擇合適的機(jī)架、無刷電機(jī)、電調(diào)、飛控系統(tǒng)、螺旋槳與遙控器。通常情況下，工作人員選擇四旋翼無人機(jī)，這種無人機(jī)在平衡性以及靈活性層面有著難以比擬的優(yōu)勢(shì)，可在多種復(fù)雜環(huán)境中有效使用，且機(jī)身整體重量較輕，方便攜帶，可對(duì)橋梁任意結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)圖像信息進(jìn)行拍攝，工作適應(yīng)性很強(qiáng)，抗風(fēng)能力強(qiáng)。

（二）微型無人機(jī)檢測(cè)裝置中的攝像單元

公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中，攝像裝置是決定最終檢測(cè)工作水準(zhǔn)的關(guān)鍵要素，因此，工程團(tuán)隊(duì)與檢測(cè)實(shí)施人員需要對(duì)無人機(jī)的攝像裝置進(jìn)行選擇。現(xiàn)如今，操作人員通常需要將高分辨率攝像機(jī)與微型無人機(jī)組合，這樣可以保證拍攝圖像的精準(zhǔn)度，如日本的SONY4K攝像相機(jī)。公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中，操作人員需選擇合適的起飛位置，并提前設(shè)定好拍攝飛行路線，利用微型無人機(jī)上的攝像機(jī)對(duì)橋梁各個(gè)結(jié)構(gòu)的圖像信息進(jìn)行采集，使用過程中，為確保拍采集信息的精準(zhǔn)性，操作人員應(yīng)隨時(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)，讓無人機(jī)與橋梁之間保持合適的距離。橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中的無人機(jī)與承擔(dān)普通拍攝任務(wù)的無人機(jī)不同，云臺(tái)設(shè)置層面存在一定的特殊性，承擔(dān)橋梁檢測(cè)任務(wù)的無人機(jī)云臺(tái)一般設(shè)置在無人機(jī)上方，而承擔(dān)普通航拍任務(wù)的無人機(jī)云臺(tái)需設(shè)置在無人機(jī)的下方。

三、微型無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）微型無人機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

微型無人機(jī)的重點(diǎn)在于微型層面，尺寸與常規(guī)無人機(jī)相比有著很大優(yōu)勢(shì)。通常情況下，微型無人機(jī)只有成人手掌大小，甚至部分特殊用途的微型無人機(jī)只有拇指大小。微型無人機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)末期的軍事領(lǐng)域。現(xiàn)如今，微型無人機(jī)的技術(shù)模式已取得卓越進(jìn)步，無人機(jī)所搭配的設(shè)備也更為先進(jìn)，可在特殊環(huán)境下，快速完成檢測(cè)、偵查、監(jiān)聽、監(jiān)視等諸多任務(wù)。此外，微型無人機(jī)搭配先進(jìn)的飛控系統(tǒng)平臺(tái)與GPS 系統(tǒng)，可以在多種復(fù)雜環(huán)境下快速完成對(duì)目標(biāo)信息的獲取與分析，可根據(jù)操作人員的各項(xiàng)指令，完成常規(guī)條件下無法完成的信息收集任務(wù)。

（二）微型無人機(jī)的其他應(yīng)用領(lǐng)域

微型無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，而在民用層面，微型無人機(jī)可用于搜索災(zāi)難幸存者、監(jiān)測(cè)有毒氣體以及化學(xué)污染的擴(kuò)散裝、民航拍攝以及娛樂拍攝等等。在科研領(lǐng)域，操作人員同樣將其應(yīng)用在地質(zhì)勘察、植物物種識(shí)別、科研取樣以及土地測(cè)繪等等，而不同的應(yīng)用功能需求也更具針對(duì)性。

四、公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中微型無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

（一）無線通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中，微型無人機(jī)需一邊拍攝一邊將獲取到的圖像數(shù)據(jù)傳送至飛控中心，而無人機(jī)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通常會(huì)利用無線通信模塊與地面控制站建立聯(lián)系，在實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程控制的前提下，快速完成數(shù)據(jù)信息的獲取與整理分析。無人機(jī)無線通信模塊通常被分為兩種：其一，2.4GHz 頻段與433MHz 頻段的無線數(shù)據(jù)傳輸；其二，利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，如CDMA，GSM 等公用網(wǎng)信息平臺(tái)的無線數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際應(yīng)用中，工作人員通常會(huì)選用2.4GHz 頻段完成無線通信系統(tǒng)建設(shè)，這一頻段可保證地面站與無人機(jī)之間的距離在數(shù)公里內(nèi)擁有良好的通信質(zhì)量。

（二）無線通信圖像數(shù)據(jù)傳輸

公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中，微型無人機(jī)圖像數(shù)據(jù)可分為模擬圖像與數(shù)字圖像兩種。通常情況下，無人機(jī)攝像系統(tǒng)實(shí)施傳輸?shù)氖悄M圖像數(shù)據(jù)，云臺(tái)掃描拾取圖像信號(hào)，并完成頻帶壓縮與信道處理，進(jìn)而形成圖像通帶信號(hào)并傳送至地面站。在此條件下，地面站可完成對(duì)攝像機(jī)以及紅外熱成像儀的控制，了解掃描過程，并為數(shù)字圖像與熱成像的攝取提供數(shù)據(jù)層面的穩(wěn)定服務(wù)。模擬圖像數(shù)據(jù)對(duì)于后期檢測(cè)數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)意義不大。因此，這些數(shù)據(jù)通常不會(huì)做保存，而是單純應(yīng)用在無人機(jī)控制層面。數(shù)字圖像傳輸利用計(jì)算機(jī)視覺，可對(duì)橋梁蜂窩、麻面、裂縫等病害進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，但這一領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)研究才剛剛起步，且數(shù)字圖像無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，只能將數(shù)據(jù)信息保存在云臺(tái)，而操作人員在完成室外攝像工作后，需利用特定的程序，對(duì)保存后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行再次處理與檢測(cè)。圖像數(shù)據(jù)分析過程應(yīng)結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理部門提供的相關(guān)資料，并對(duì)原始數(shù)字圖像進(jìn)行降噪、增強(qiáng)處理，進(jìn)而找到圖像特征，提高對(duì)橋梁不同結(jié)構(gòu)檢測(cè)的科學(xué)性。

五、微型無人機(jī)在橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工程中的應(yīng)用場(chǎng)景

養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作者利用微型無人機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行全面檢測(cè)，而四旋翼無人機(jī)可在空中任意位置懸停，在攝像系統(tǒng)的幫助下，對(duì)指定結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行拍攝，進(jìn)而完成橋梁結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)的采集。此外，無人機(jī)搭載的攝像機(jī)可對(duì)橋梁地面、節(jié)點(diǎn)板等關(guān)鍵構(gòu)件的圖像進(jìn)行采集，紅外熱成像儀可對(duì)橋梁斜拉索與主塔等構(gòu)件進(jìn)行熱成像。微型無人機(jī)搭載攝像系統(tǒng)進(jìn)行飛行檢測(cè)，橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)多元化與精細(xì)化，這種簡(jiǎn)便、高效的工作平臺(tái)，也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而不斷優(yōu)化，橋梁病害問題被發(fā)現(xiàn)的可能性大幅提升，而這一過程不僅可以提升公路橋梁養(yǎng)護(hù)的管理水平，亦可為行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展提供更為豐富的技術(shù)支持。

（一）橋面結(jié)構(gòu)的檢查

公路橋梁橋面檢查環(huán)節(jié)，其重點(diǎn)在于檢查瀝青橋面是否存在橫縱向裂縫、坑槽、車轍、擁包以及沉陷等問題。在此過程中，微型無人機(jī)可借助三軸電子陀螺儀、三軸加速度計(jì)、精密電子羅盤等傳感器，精準(zhǔn)完成對(duì)橋面系的圖像采集，并保證成像的精準(zhǔn)度與可靠性。操作人員可預(yù)先設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集飛行路線，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行自主采集。

（二）橋梁上部解耦股的檢查

橋梁上部結(jié)構(gòu)主要由梁板等構(gòu)件組成，其病害主要表現(xiàn)為裂縫、蜂窩、麻面、孔洞、混凝土剝落、縫隙夾層等等。針對(duì)這一結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作的具體要求，微型無人機(jī)可借助激光測(cè)距儀，有效控制梁板結(jié)構(gòu)與圖像采集設(shè)備之間的距離，并完成等距等比采集圖像，對(duì)存在問題的區(qū)域做出重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)別精度甚至可達(dá)亞毫米級(jí)別，而這對(duì)于后續(xù)養(yǎng)護(hù)修復(fù)方案制定極為有利。

結(jié)束語

綜上所述，微型無人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作環(huán)節(jié)應(yīng)用前景極為廣闊，其在應(yīng)用過程可擺脫傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)檢測(cè)手段在空間層面的限制，可對(duì)橋梁任意結(jié)構(gòu)進(jìn)行攝像，并可保證獲取到的圖像數(shù)據(jù)足夠精準(zhǔn)，消除傳統(tǒng)檢測(cè)手段在圖像數(shù)據(jù)獲取層面失真的問題，全面改善橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量與水平，進(jìn)而為公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)支持，不斷提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與使用壽命。因此，微型無人機(jī)與公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作的結(jié)合，為我國(guó)公路橋梁事業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)，更是為領(lǐng)域內(nèi)部各項(xiàng)技術(shù)手段創(chuàng)新創(chuàng)造良好的前提條件。