浅谈无人机在桥梁检测中的应用与发展

彭玲丽　黄少旭　张申申　李　乾

(湖北省交通运输厅鄂西高速公路管理处　武汉　430051)

浅谈无人机在桥梁检测中的应用与发展

彭玲丽黄少旭张申申李乾

(湖北省交通运输厅鄂西高速公路管理处武汉430051)

摘要为了解决常规检测手段在桥梁检测中的局限性，以无人机检测四渡河大桥为工程实例，介绍了无人机桥梁检测系统的组成及工作原理，通过无人机在特殊结构桥梁检测中的应用，与传统检测手段对比分析了优缺点，探讨了无人机在桥梁检测中的应用与发展。

关键词无人机桥梁检测应用

随着航拍技术、遥感技术的不断发展，无人机应用更多地渗透到各行各业。无人飞行器可分许多类别，其中无人多旋翼飞行器因结构简单、价格相对低廉，可应用于公路桥梁检测、线路巡检等领域[1-3]。

管养部门通常定期对桥梁进行检查，多采用传统检测手段，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。而对于特殊结构桥梁(如斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等)或者大跨高墩桥梁，在梁底板、塔柱、索缆、斜拉索、塔顶避雷针等可及范围以外，常规检测手段和方法存在局限性，可操作的难度非常大，存在检查盲区。其中局部盲区可采取人工现场察看检查，但效率低、难度大、危险系数高，而应用无人机进行辅助检测，将在很大程度上解决这些难题。

1无人机桥梁快速检测系统组成及工作原理

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。无人机桥梁检测系统的主要技术参数见表1，用于桥梁检测的八旋翼无人机系统，见图1。

表1　无人机桥梁检测系统主要技术参数

图1　用于桥梁检测的八旋翼无人机系统

无人机桥梁快速检测系统主要利用无人机可高空任意地点悬停的特点，借助高像素专业拍照采集系统，在已知位置和距离对检测对象局部拍照，数据存储于机身，后期专业人员通过已知空间位置、时间轴线、高清照片或录像来分析病害位置和危害程度。

2无人机桥梁检测工程应用实例

2.1　应用实例简介

以无人机检测沪渝高速四渡河大桥为例。四渡河大桥为主跨900 m的单跨双铰钢桁架加劲梁悬索桥，主桥采用钢-混凝土结构，桥面长1 365 m。主桥加劲钢桁梁由主桁架、上下平联、横向桁架组成。桁梁采用整体节点技术，利用高强螺栓拼装连接。塔顶至峡谷谷底高差达650 m，桥面距谷底560 m，被誉为“世界第一高桥”，同时也是沪渝高速的控制性特殊结构桥梁。

无人机桥梁检测主要针对四渡河大桥钢桁梁、索塔、节点板、高桥墩、缆索、常规检查盲区，对常规检查易遗漏点进行检查，全面判定桥梁技术健康状况。主要检测项目和内容见表2。

表2　四渡河大桥无人机检测部位和内容

2.2　无人机检测方法

无人机检测一般由2名专业技术人员分别控制机身运动、检测摄像2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5 m左右，缆索和钢构件等地形复杂部位一般控制在10 m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。

无人机上升过程较为缓慢，下降速度则较快，检测主要在上升过程中进行，一般控制在5～20 m/min，上升速度主要与检测对象病害分布、周围环境、风速等有关。如图2所示，为无人机快速检测系统对四渡河大桥宜昌侧索塔进行检测。

图2　无人机快速检测系统对四渡河

检测过程受日照方向、风速、天气状况等影响较大，一般应选择检测对象迎光面，采集图像数据较为清晰，避免出现逆光，提高数据采集成功率。一般选择在晴天无风环境下进行检测，尽量减少环境因素影响，降低检测过程的安全风险。

2.3　检测结果处理与分析

通过现场无人机数据采集后，将图像等数据下载，利用视频和图像处理软件，分析并确定发现病害的具体位置和病害尺寸等，然后根据《公路技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)等相关规范，对检测对象的构件进行评定[4]。

例如图3所示的无人机检测发现渝沪向侧面E10号处缺失1颗高强螺栓。该病害位置，属于常规检查和定期检查的检查盲区，无人机的应用很好地弥补了常规检查手段的不足。

图3　无人机检测到渝沪向侧面E10号

3无人机检测系统与传统检测手段对比

桥梁检查一般分为经常性检查、定期检查和特殊检查，不同的检查方式要求的检查仪器和频率也不一样。常规的桥梁检测设备比较单一，主要检测设备或方法有望远镜、远程拍摄、桥检车、预置轨道视频检测等。除了常规检查设备，有条件的还配备有高倍望远镜对桥梁进行检查。表3列举了各种检测设备或方法的优、缺点和适用情况。

表3　各种检测设备或方法的优、缺点和适用情况对比

由表3可见，无论是传统检测手段还是新型的无人机检测方法，各有优缺点。目前，各管养单位普偏采用常规检测手段进行检查，桥梁检查长期存在检查死角。随着检测手段的发展，全面掌握桥梁的健康技术状况，不能单独依托一种检测方法，需要多种方法配合使用。

无人机能够任意位置定点悬停观测、使用灵活、使用成本较低、检测精度高、模块化维修保养方便、效率高、安全风险相对较低，可有效弥补常规检查的不足与短板。但对于梁体狭小空间处，仍需要常规检测方法进行检查。

4结语

无人机桥梁检测系统可弥补传统检测手段不足的同时，也存在诸多不足之处，仍需要不断完善。桥梁检测工作需要管养单位采取多种检测手段、多元化管理，多种检测方法优势互补，才能全面掌握桥梁的健康技术状况。

无人机在四渡河大桥检测的成功运用，为鄂西山区高速公路公路多元化、精细化的桥梁养护管理提供了很多宝贵经验。随着无人机技术的不断发展及桥梁检测领域的迫切需要，无人机技术会越来越多地在桥梁检测作业中使用，有助于提高桥梁养护管理水平，更好地维护桥梁结构的安全性和耐久性。

参考文献

[1]李磊,熊涛,胡湘阳,等.浅论无人机应用领域及前景[J].地理空间信息，2010(5):7-9.

[2]常德强,黄海峰.小型无人机在公路巡查中的应用前景观望[J].科技视界，2014(20):319-320.

[3]邹长慧,谢晓尧,周忠发.无人机低空航拍遥感系统在贵州高原山区的应用前景探讨[J].贵州师范大学学报:自然科学版,2011(2):24-28.

[4]杨润书,吴亚鹏,李加明,等.无人机航摄系统的特点及应用前景探讨[J].地矿测绘, 2011(1):8-10.

[5]JTG/T H21-2011公路技术状况评定标准[S].北京：人民交通出版社,2011.

Discussion on UAV Application and Development in Bridge Inspection

PengLingli,HuangShaoxu,ZhangShenshen，LiQian

(E'Xi Highway Management Office of Hubei Province Department of Transportation, Hubei, Wuhan, 430056)

Abstract：Based on engineering project of Siduhe Bridge UAV inspection, the composition and working principle of UAV bridge inspection system are introduced. By application of the special structure bridge inspection, the advantages and disadvantages were analyzed with traditional detection methods, and also the application and development trend of UAV bridge detection were discussed.

Key words:UAV; bridge inspection; applications

收稿日期：2015-10-12

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.013