多傳感器融合技術在公路橋梁綜合檢測中的研究

摘 要：傳感器作為振動監測與故障診斷的核心工具，由于具備信息感受、信號轉換、信號輸出等功能，在公路橋梁檢測中顯現出一定優勢。尤其是在公路橋梁綜合檢測中應用多傳感器融合技術，有益于通過不同傳感器多元檢測功能全面檢測公路橋梁存在的問題。文章在新時代數字化、高效化、高質量等發展背景下，結合公路橋梁綜合檢測的多元需求，對比公路橋梁傳統檢測技術與多傳感器融合技術，認為結合檢測需求和應用場景選取傳感器、以空間與時間同步促進多傳感器融合、以培訓提高檢測人員智能技術操作素養，應是多傳感器融合技術應用于公路橋梁綜合檢測中的重要路徑。

關鍵詞：公路橋梁 多傳感器融合技術 綜合檢測

公路橋梁是社會資產和城鄉基建的一部分，也是連通特殊地域交通路線、促進國家交通網絡發展的重要內容，其穩固和安全備受大眾關注。綜合檢測作為發現公路橋梁潛在質量問題、安全問題、磨損老化問題，以及明確公路橋梁結構數據的主要手段，是公路橋梁施工、養護、維修等各個階段的重要工作。然而，在實際公路橋梁檢測工作中，檢測結果容易受外部環境因素的影響[1]，并且普遍應用的定期檢測系統和工作方式存在諸多問題，例如將檢查和數據處理等環節單獨分割開、紙質檢測數據存儲復用率低等，與新時代數字化、高效化、高質量等發展取向相悖。雖然傳感器作為振動監測與故障診斷的核心工具，由于具備信息感受、信號轉換、信號輸出等功能，被嘗試應用于公路橋梁檢測中，也有不少學術成果肯定了傳感器在公路橋梁檢測中的價值，但不同類別傳感器通常只能獲取單一的振動信號[2]，對于公路橋梁綜合檢測作用有限。因此，基于不同類型傳感器的多元檢測功能，研究多傳感器融合技術在公路橋梁綜合檢測中的應用，不僅是公路橋梁管理中亟待深入討論的方向，還是對既有學術研究體系的進一步完善。

1 公路橋梁綜合檢測的多元需求

1.1 降低公路橋梁安全風險的現實需求

公路橋梁是交通的重要組成部分，承載著大眾生命財產安全，對其開展綜合檢測是明確施工與使用中的安全隱患，并及時采取針對性措施的關鍵。首先，公路橋梁綜合檢測能夠及時發現潛在質量風險，例如對檢測所得數據進行綜合分析，能夠發現公路橋梁結構中存在的細微裂縫、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構失效，更好地預防安全事故發生；其次，綜合檢測能夠評估公路橋梁的安全情況，尤其是將檢測技術與智能算法、大數據分析相結合，能夠使安全評估更加精準，為公路橋梁維修、加固等提供科學依據[3]，確保大眾和貨物安全通行；此外，公路橋梁綜合檢測還能應用于工程施工過程，降低施工風險，保證施工人員生命財產安全。例如通過檢測驗證工程設計合理性、評估材料質量是否達標、操作行為是否合理，從而確保工程安全。

1.2 優化公路橋梁結構設計的工程需求

公路橋梁綜合檢測本質上是一種評估手段，將其作為公路橋梁結構設計的指揮棒，是工程持續優化的需求。一方面，公路橋梁綜合檢測能夠進一步完善和優化當前公路橋梁結構設計。通過綜合檢測，技術人員可以搜集到包括應力、應變、位移等在內的全面數據，這些數據能夠支持技術人員分析結構性能與荷載能力，為結構設計優化提供依據；另一方面，公路橋梁綜合檢測能夠為未來公路橋梁結構設計提供經驗。公路橋梁綜合檢測所得結果，能夠反向評估所用材料的性能、荷載分布情況等，輔助驗證公路橋梁結構設計效果，為未來公路橋梁結果設計提供實踐經驗，提升工程設計水平。

1.3 延長公路橋梁使用壽命的經濟需求

公路橋梁綜合檢測是控制工程質量的重要手段，工程質量又與公路橋梁使用壽命、維修成本等息息相關，因此公路橋梁綜合檢測還具有不可忽視的經濟層面的價值。一方面，公路橋梁的使用年限受日常維護、所處環境、交通情況等多重因素影響，通常與設計使用年限存在差異。使用年限若大幅縮短，則面臨重建和經濟損失。公路橋梁檢測能夠發現老化、磨損等問題，指引日常維護工作精準開展和交通流量合理安排等[4]，避免日常維護不到位、交通流量遠超承載力造成的公路橋梁使用年限縮短，提高工程的經濟效益與社會效益。例如通過檢測獲得公路橋梁的應力和撓度數據，明確公路橋梁的應變特性、承重能力等，進而限制行駛車輛的高度、重量，延長公路橋梁使用壽命；另一方面，公路橋梁綜合檢測有助于及時發現工程施工過程中存在的質量問題，并加以調整和改進，不僅能防止問題增大或惡化，提升工程整體質量，還能在施工階段最大化降低后期維修成本和延長使用壽命。

2 公路橋梁傳統檢測技術與多傳感器融合技術

2.1 公路橋梁傳統檢測技術類別分析

為保障大眾生命財產安全，我國高度重視公路橋梁檢測，形成了多類成熟的檢測技術。本文對常用的四類傳統檢測技術進行分析，以明確其優劣勢。

第一類是目測法，主要通過觀察和測量公路橋梁的結構形式、部件情況、連接方式、材料類型等，明確公路橋梁當下的結構信息，并對照橋梁設計圖紙數據，初步判斷存在的安全隱患。例如探查公路橋梁外表有無破損脫落，關鍵部位是否存在裂縫，以及裂縫分布、深度、走向等問題。此技術能夠直觀發現檢測公路橋梁結構缺陷，具有便捷、高效的優勢，但對技術人員專業與經驗要求較高，且檢測結果較為主觀，在隱蔽的結構性問題檢測中局限性突出。

第二類是鉆芯取樣技術，主要通過鉆心機采集公路橋梁內部的樣本，并通過檢驗樣本獲得公路橋梁數據。例如通過檢測樣本明確公路橋梁內部碳化深度 、氧化深度 、侵蝕深度等，及時發現結構內部存在的安全隱患。此技術能夠直觀、快捷地明確結構內部存在的問題，取樣過程、樣本質量等會影響最終檢測結果。

第三類是沖擊回波檢測技術，主要根據沖擊波在公路橋梁結構中傳播和反射的時間、幅度，以及入射波和反射波的相對相位關系，判斷問題的位置與類型。例如判斷公路橋梁對破壞的承受能力、彈性形變范圍，為各類事故發生后是否還能繼續正常使用提供依據。此技術為無損檢測技術，且不會影響公路橋梁的正常通行，具有操作便捷、結果準確、應用范圍較廣的優勢，但檢測部位選擇對技術人員要求較高，并且要確保檢測面平整。

第四類是紅外熱成像檢測技術，主要基于熱輻射原理，通過捕捉局部溫度變化發現公路橋梁中的缺陷和損傷，并判斷其大小、位置、形狀。此技術可實現非接觸式檢測，具有快速便捷、結果準確的優勢，但對檢測環境要求較高，會對交通造成影響，并且由于大型公路橋梁需要分區檢測，容易造成信息遺漏。

2.2 公路橋梁多傳感器融合技術優勢

傳感器的應用推動了公路橋梁檢測的智能化、數字化，但單一傳感器的功能有限，且檢測結果不穩定，可能出現傳感器失效的現象，難以滿足公路橋梁綜合檢測要求。例如視覺傳感器對外界環境的適應能力有限，容易受地質環境、天氣環境等影響。多傳感器融合技術，即在檢測過程中，將兩類或三類傳感器融于一體，利用多源數據融合、互補，發揮聯合優勢，彌補單一數據源的缺陷[5-6]，有益于公路橋梁綜合檢測。例如激光雷達傳感器利用的是主動探測方式，能夠提供檢測對象距離、形狀等準確信息，但當距離較遠時數據點稀疏，無法做到場景的全面覆蓋。視覺傳感器當光照條件良好時能夠為技術人員傳回更加清晰、詳細的圖像，反映出公路橋梁結構的細節特征，但光照不足時成像質量下降、圖像噪聲增加。將激光雷達傳感器和視覺傳感器進行融合，則可彌補雙方缺陷，為公路橋梁檢測提供更加全面、詳細的信息。此外，還有不少學者通過多傳感器融合技術研究，在檢測技術上實現了巨大突破，例如Hajri等人融合激光雷達與毫米波雷達，實現對障礙物的檢測與跟蹤[7]。

3 多傳感器融合技術在公路橋梁綜合檢測中的應用路徑

3.1 結合檢測需求和應用場景選取傳感器

隨著科技信息發展，傳感器愈加趨于體積小、重量輕、精度高、智能化發展，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境、天氣環境下表現出的性能特點不同。激光雷達的精度高、速度快、采集點多分辨率高，可以獲得物體準確的空間位置，但受限于檢測環境，例如環境中的粉塵極易對其造成干擾；毫米波雷達的環境適應性和穿透力強，雨、霧、雪、灰塵等對其干擾較小，且可以同時檢測多個對象，但受限于檢測對象的材料、形狀等，并且在空氣中的傳播消耗較大；可見光相機分辨率高，但受限于環境、天氣；紅外相機具有夜視、溫度探測功能，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展的工程活動，不同的公路橋梁檢測需求和檢測場景差別較大，因此，在公路橋梁綜合檢測中應結合檢測需求和應用場景差異化選取，通過優勢互促、短板互補實現對公路橋梁情況的全面感知。

3.2 以空間與時間同步促進多傳感器融合

不同傳感器的數據類型、安裝位置、視野具有差異，故最終輸出的結果不能直接融合運用[8]。為了實現多傳感器融合技術對公路橋梁的綜合檢測，就要通過空間同步和時間同步，匹配不同傳感器的數據格式。空間同步，即統一不同傳感器的坐標系，旨在標定不同傳感器的相對位置和姿態關系，形成并將不同傳感器采集的數據置于統一的三維坐標系之下進行融合，提高數據精度與可靠性[9]；時間同步，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據上，在硬件上以GPS時間為準，采用PTP協議實現時間同步，從而彌合不同傳感器之間時鐘源、采樣頻率的差異。例如使用平滑器可促進激光雷達與毫米波雷達的融合，通過最近鄰方法能夠關聯匹配兩個傳感器的檢測結果[10]。

3.3 以培訓提高檢測人員智能技術操作素養

當前傳感器與人工智能結合的趨勢愈加顯著，有助于增強檢測人員與智能設備的交互性，對于檢測人員專業性和智能技術操作素養提出了更高要求。因此，為了加強未來多傳感器融合技術在公路橋梁綜合檢測中的深度應用，一方面要為從事公路橋梁檢測工作的人員規劃發展路徑、提供培訓機會，另一方面要將專業水平、智能素養、數字素養等納入其工作考核、職稱評定中，促進公路橋梁綜合檢測實效。

4 結語

綜本文所述，公路橋梁綜合檢測是降低公路橋梁安全風險、優化公路橋梁結構設計、延長公路橋梁使用壽命的重要手段。基于傳統公路橋梁傳統檢測技術在實際應用過程中的局限，以多傳感器融合技術開展公路橋梁綜合檢測工作成為重要發展方向，并且在多傳感器融合技術開展過程中，應結合檢測需求和應用場景選取傳感器、以空間與時間同步促進多傳感器融合、以培訓提高檢測人員智能技術操作素養，從而為不同傳感器在公路橋梁檢測中發揮聯合優勢，提升檢測準確性和全面性提供保障。

參考文獻：

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[7]Hajri H，Rahal M C. Real time lidar and radar high-level fusion for obstacle detection and tracking with evaluation on a ground truth[J].arXiv preprint arXiv，2018（02）：354-362.

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[9]黃云華.融合攝像頭和毫米波雷達的障礙物檢測算法研究及應用[D].揚州：揚州大學，2020.

[10]Albinsson J，Hill M. Radar-LIDAR sensor fusion for vehicle tracking[Z].2019.