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无人智能检测 保障杭州湾跨海大桥的安全高效运营

来自: 桥梁网 收藏 分享 邀请
在特殊结构桥梁(如斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等)或者大跨高墩桥梁的检测过程中,常规检测手段存在局限性,比如检查盲区。盲区的检测效率低、难度大、危险系数高,而且检测精细度远远不够。因此,采用先进的无人智能检测技术开展养护检测工作变得越来越有必要。本文简单介绍了4种在长大桥梁检测中的无人智能检测技术,包括无人机、高清摄像、缆索机器人、水下机器人,以及无人智能设备综合应用案例。
常规检测手段的局限
桥梁检测主要是对桥梁外观和结构性能进行检查评定,通常对结构性能的检查是通过一系列的力学试验完成,而对其外观的检查主要依靠肉眼或者辅助工具(如桥检车、望远镜等),来检测桥梁主要构件是否出现裂缝、开裂破损、露筋锈蚀、支座脱空等病害。
随着我国公路建设里程不断增加,大型桥梁数量增多,养护维护和检测工作的难度也不断提高。截至2016年底,全国公路桥梁共有80.53万座,4916.97万米。特大桥梁4257座,大桥86178座,二者长度约占桥梁总长的61.1%。
对于特殊结构桥梁(如斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等)或者大跨高墩桥梁来说,常规检测手段存在局限性,有检查盲区,而盲区检测效率低、难度大、危险系数高。如对斜拉桥拉索的检测,人工爬上拉索向下进行检测作业,不仅效率低、难度大、危险系数高,而且检测精细度远远不够,而采用缆索机器人检测拉索能很好地解决这个问题。为了保证桥梁使用的安全和问题隐患的有效消除,采用先进的智能检测技术开展养护检测工作变得越来越有必要。以下主要介绍无人机检测技术、高清摄像检测技术、缆索机器人检测技术、水下机器人检测技术这4种无人智能检测技术。
无人智能检测技术
无人机
无人机桥梁快速检测系统主要由无人机、数据传输系统、任务荷载系统、地面站系统、其他设备等组成。无人机一般采用起降平稳的多旋翼无人机,利于数据采集和观测。数据传输系统用于系统控制信号、检测数据的传输。地面站系统则用于实时监控无人机飞行、检查拍摄情况,利于及时纠正飞行轨迹和发现桥梁明显病害。其他设备除了常规的维修保养工具外,还包含检测结果分析处理系统。用于桥梁检测的无人机与常规航拍无人机的任务荷载系统略有不同,前者的三轴增稳云台、高清摄像机置于飞行器上方,航拍用云台一般布置在下方。常用于桥梁检测的多旋翼无人机系统如图1。

图1 用于桥梁检测的多旋翼无人机系统
1.无人机检测方法
无人机检测一般由两名专业技术人员分别控制机身运动、检测摄像两部分进行飞行和数据采集。起飞前,无人机需放置平稳,调试各系统确保开机运行正常后,统一指令调度起飞。在飞行过程中,根据检测对象的差异控制不同的安全距离。桥墩和塔柱一般控制在5m左右,缆索和钢构件等地形复杂部位一般控制在10m左右,具体安全距离需结合现场情况确定。无人机空间位置信息、摄录画面实时显示在地面站系统的监控屏幕上,检测人员根据监控初步判断检测对象是否存在病害。若存在,检测人员根据病害程度,选择无人机悬停进行局部高清拍照或继续前进。无人机飞行控制、摄像系统采用无线传输信号进行控制,检测系统采集数据存储在无人机机身,有效避免长距离无线传输引起的数据衰减或干扰。
2.无人机特点
相比传统桥梁检测技术,无人机检测技术具有以下优点:
①无人机可以直接到达检测部位,无须其他辅助措施,节省费用;
②检测桥墩、桥座、桥腹等危险场所,无须搭架或者吊篮配合人员检测,极大地提高了安全性;
③对于部分无法企及的桥腹、拉索等部位,无人机可以抵近观察了解更多细节;
④定点悬停观测、实时传输画面、效率高、基本不影响正常交通;
⑤在天气情况允许的前提下,实施检测桥梁具备较高的及时性;
缺点是梁体狭小空间处无法检测,需传统检测方式;续航能力一般;工作环境受天气环境影响大。

图2 无人机检测钢桁梁和桥塔
高清摄像
高清摄像综合使用了摄影测量与图像识别技术,从影像中提取待病害位置、尺寸等信息。高清摄像系统主要由摄像部分、成像放大部分、转动控制部分、图像处理分析部分4部分组成。
摄像部分:主要用于现场拍照,将病害以图像的形式记录下来。
成像放大部分:使用高倍率的望远镜头,对拍摄的病害进行放大处理,使图像满足检测精度要求。
转动控制部分:将拍摄区域网格化处理,转动控制部分可自动将镜头对准待拍摄区域,大幅度提高拍摄速率。
图像处理分析部分:首先将斜视图像转换为正视图像,而后使用先进的图像处理技术,识别出病害长度、宽度等尺寸信息。
1.高清摄像检测应用
高清摄像技术主要应用于高耸结构物的表观检测,如桥梁、火电站冷却塔、水坝、核电站反应壳等。在长大桥梁检测中,高清摄像技术多用于斜拉桥、悬索桥的索塔外观检查和不易检测到的桥梁侧面底面等。
2.高清摄像特点
高清摄像机具有以下优点:
①操作简单快捷。设备总重不超过15kg,现场2人即可顺利操作。从开箱到组装完毕,总共不超过10分钟。
②检测精度高。50m距离范围内,有效精度可达到0.1mm。
③安全可靠。操作人员在陆地空旷区域拍摄,避免在支架或挂篮上登高作业,有效保证检测人员的人身安全。
④不干扰结构物的正常运营。该方法为非接触性量测手段,不干扰被测物自然状态。例如桥梁检测中无须封路,避免了道路审批的繁琐办理流程。
⑤拍摄影像可长期保存。便于与历史缺陷进行对比,掌握病害的演变规律。
⑥展示效果好。检测结果以高清漫游的方式呈现出来,还原现场,犹如身临其境。
缆索机器人
缆索是斜拉桥的主要承重部分,其造价约占全桥造价的25%~30%。但其长期暴露在大气之中,受到风吹、日晒、雨淋和环境污染的侵蚀,其表面会受到较严重的破坏,这会对整座斜拉桥带来不利的影响。然而大型斜拉桥缆索都存在安装后难以进行健康检测的问题,导致严重安全隐患。为了降低安全隐患,必须对桥梁缆索进行定期的检测,并对其中有损伤的缆索进行涂装、修复或更换。
缆索机器人是一种能够携带相关设备攀爬缆索,并对其进行高空作业的爬行机器人,它是专门针对高空斜拉索进行设计和应用,能够实现缆索准确、及时、快速、方便地检查。利用其作为载体,安装高清摄像装置和钢丝探伤传感器,能进行缆索外观和内部钢丝情况的详细检测。
检测机器人包括检测装置、爬行机构、控制系统、电源、电机等几个部分,其在缆索上的安装图如图3所示。

图3 缆索机器人安装示意图
检测装置的作用是检测桥梁缆索外表及内部是否有损伤,可以是电涡流检测装置、磁漏检测装置、超声波检测装置等。检测的结果由控制和监视系统负责采集并存储。
爬行机构是机器人的驱动系统,它的任务是带动整个机构按设定的任务自主地在缆索上运动。
控制系统是整个系统的中枢,它要完成同地面操作人员的通讯、采集检测装置检测的结果、控制并驱动爬行机构按照要求运动。

图4 缆索机器人检测到的斜拉索破损照片
水下机器人
桥梁基础是桥梁的重要结构之一,它不仅承受着桥梁的恒载和活载,还将它传递给地基。然而桥梁经过一段时间运营后,往往会因为基础混凝土浇筑质量差或流水长期冲刷侵蚀等原因而出现病害,如基础淘空、倾斜、下沉、混凝土冲蚀、磨损、破损、露筋、锈蚀、夹泥、开裂和缩径等,这些病害均会危及桥梁的正常使用。由于基础往往位于水面以下或埋置在土体之中,成桥后,基础顶面以上已修筑墩台、梁板等结构物。另外,基础位于水面之下,人工检测作业存在很大的安全隐患。这些现实情况给桥梁检测的顺利实施带来了很大的困难,检测单位无法及时了解成桥后基础的病害情况。针对上述状况,使用水下机器人检测桥梁基础成为长大跨海、跨江桥梁桩基检测的必要手段。
水下遥控机器人(英文缩写ROV)潜水有多种,通常可分为小型观察型和作业型两种。按动力范围和作业水深分类,作业型又可分为轻型、中型、大型和超深型几种。目前在水下遥控机器人的基础上,已经研制成功更为先进的水下LBC多功能运动车,它是ROV和水下爬行器的完美结合,它具有普通ROV的功能外,还具有爬行器功能。如果需要仔细观察某一个平面物体,LBC可以转换到爬行器模式,借助4个轮子在平面上自由爬行,可以仔细检查物体表面。在水下爬行时,显示器上会显示里程表。另外还具有成像声呐和水下定位系统。检测人员应根据不同的检测环境、检测目的,选择合适的水下机器人。
水下机器人检测作业的优点在于能深水检测,这是水下摄像仪检测、潜水检测无法比拟的优势;缺点是目前水下机器人的推进器动力还不足,一般水下检查作业型的抗水能力是2~4节。因此,检查型的水下机器人目前适合于流速较低的跨海桥梁以及库区桥梁的基础检测,对于流速较大的桥梁基础尚不能完成检测任务。
综合应用显身手
杭州湾跨海大桥是我国G15沈海高速的重要组成部分,北起嘉兴海盐郑家埭,跨越杭州湾海域后止于宁波慈溪水路湾,全长约36km。大桥主要工程包括北引线、北引桥、北航道桥、中引桥、南航道桥,海中平台及匝道桥、南引桥和南引线,其中北航道桥为主跨448m的钻石形双塔双索面钢箱梁斜拉桥,南航道桥为主跨318m的A形单塔双索面钢箱梁斜拉桥。大桥受海洋环境影响显著,运营环境恶劣,结构耐久性问题突出。为了有效掌握桥梁运营使用情况,需要对主要结构及构件进行详细、有效的检测。另外,南、北航道桥采用斜拉桥的结构型式,桥梁包括斜拉索、索塔、钢管桩等特殊和易损构件,常规方法无法满足检测的需要。

图5 无人智能设备综合应用——杭州湾跨海大桥北航道桥
为解决航道桥检查检测问题,在杭州湾跨海大桥上对无人智能设备进行了综合应用。根据航道桥结构特点、构件类型和位置,安排不同的无人检测设备,现场工作和成果分析由专业检测单位承担。以北航道桥为例,无人智能设备的综合应用情况如下。
1.利用高清摄像设备对北航道桥的索塔外表面进行全面检查,检查频率每年1次。由于高清摄像设备的特点,检查范围可涵盖索塔上、下塔柱的各个侧面。通过远距离拍摄,对平时采用常规检测手段、难以抵近的部位进行了详细检查;同时利用配套的图像识别和处理系统,不仅将索塔表面的裂缝、破损、渗水等病害,进行准确、有效的识别和记录,还对拍摄照片进行拼接,形成了索塔表面病害的三维展示图。通过系统形成的检测成果,一方面便于直观查看病害位置和类型,另一方面形成了索塔外表面病害基准数据库,在后续的检查过程中方便对相同病害进行跟踪观测。
2.利用缆索机器人对北航道桥全部112根拉索进行检查,检查频率为每年1次。应用缆索机器人检测斜拉索,检测过程不需封桥,不影响桥梁正常通行;还能够检测到高空段人工无法检测到的斜拉索部位,检测更详细;检测中,机器人负责测量过程的采集数据,操控人员负责安装和控制,大大减轻了检测人员的工作量,且安全性好。因此,采用缆索机器人能够有效满足杭州湾跨海大桥斜拉索外观的检测需要。
3.杭州湾跨海大桥所在海域具有潮差大、潮流急、冲刷深的特点,采用传统人工水下桩基探摸作业具有较大风险。为有效掌握大桥桩基础的运营状况,特别是钢管桩的腐蚀以及河床的冲刷深度,大桥每年利用水下机器人抽检部分钢管桩基础。通过水下机器人上的拍摄设备,可知目前所检桩基与承台结合位完好,桩身整体结构完整,钢管桩表面防腐涂层未发现有明显脱落及锈蚀的地方。另外,利用机器人上安装的声呐扫描装置,对桩基所在河床进行了扫描,确定了冲刷深度。
4.在大桥的检测过程中,无人机的作用主要包括桥梁整体巡检和配合检查。一方面,利用无人机对航道桥进行整体巡检,了解桥梁安全保护区内有无违法现象、航道辅助设施是否齐全完善。另一方面,利用无人机辅助高清摄像设备对索塔外表面进行检查,对需要复核的病害进行抵近拍摄,确保了高清摄像检测结果的准确性。
综上,通过在杭州湾跨海大桥航道桥上综合应用无人智能设备,有效解决了跨海缆索桥梁结构的检查检测问题。利用无人智能设备的专项检测结果,结合大桥现有外观检查资料,可以更加科学、全面、准确地评价桥梁结构的技术状况和运营使用情况。
未来,随着社会科技水平的不断提高,应用在桥梁检测领域的检测方法和手段也将逐步智能化。采用桥梁智能化检测技术能够保障桥梁结构在运营过程中的安全性,确保使用者的生命财产安全。在科学技术、人工智能飞速发展,逐渐普及的今天,已经有越来越多的新型智能化检测技术运用于桥梁检测养护工作中。有关单位应当对这些信息技术加强了解,结合实际情况,合理、科学地引入,提升桥梁检查工作的有效性。

作者 / 肖龙 王金权
作者单位 / 宁波市杭州湾大桥发展有限公司
编辑 / 王硕
美编 / 赵雯
责编 / 裴小吟
审校 / 盛超 廖玲

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